張德勝
(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013;3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)
目前,井下作業(yè)人員一般需要佩戴三參數(shù)氣體檢測(cè)儀、人員定位卡、礦燈、手機(jī)等多種設(shè)備,設(shè)備佩戴不僅繁瑣,而且各個(gè)設(shè)備功能單一且智能化程度較低,不能及時(shí)有效地對(duì)井下安全狀況進(jìn)行預(yù)警與管控,不利于礦井的安全化生產(chǎn)及人員健康防護(hù)。
《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》(國(guó)發(fā)〔2017〕35號(hào))文件提出發(fā)展“利用人工智能提升公共安全保障能力視頻圖像信息分析識(shí)別技術(shù)”,原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局印發(fā)的《煤礦安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕64號(hào))中提出要加強(qiáng)井下安全預(yù)警機(jī)制的建設(shè),因此建立一套智能化和一體化智能終端勢(shì)在必行。
本文針對(duì)現(xiàn)有井下作業(yè)人員攜帶設(shè)備較多和設(shè)備智能化程度較低等問(wèn)題,采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái),利用機(jī)電一體化技術(shù),在安卓平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、人員位置采集、照明、通話調(diào)度、拍照攝像的有機(jī)結(jié)合,檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中,并形成數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)曲線,同時(shí)數(shù)據(jù)可通過(guò)井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到井上服務(wù)器,為井下作業(yè)指導(dǎo)以及安全防護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持。
智能終端主要由環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊、人員定位模塊、無(wú)線通信模塊、拍照攝錄模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊以及照明模塊組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 智能終端結(jié)構(gòu)框圖
由圖1可以看出,環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊可檢測(cè)空氣中的甲烷、氧氣和一氧化碳這3個(gè)參數(shù);人員定位模塊采用UWB技術(shù),利用終端內(nèi)置板卡天線與人員定位基站進(jìn)行通信,獲取位置信息;無(wú)線通信模塊由WIFI通信和4G通信模塊組成,可通過(guò)井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;拍照攝錄模塊由數(shù)字式低照度USB攝像頭組成,可在井下黑暗環(huán)境中進(jìn)行拍照攝像;歷史數(shù)據(jù)模塊由歷史報(bào)表和歷史曲線組成,歷史報(bào)表包含時(shí)間、人員位置以及環(huán)境參數(shù)信息,可進(jìn)行精確歷史查詢。歷史曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo),以環(huán)境數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo),可通過(guò)拉伸方式進(jìn)行查看;照明模塊采用高強(qiáng)度LED燈做為光源,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光自由切換。
考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性,硬件設(shè)計(jì)時(shí)智能終端主要模塊分別設(shè)計(jì)不同板卡,其中環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊、人員定位模塊為獨(dú)立板卡,其他模塊集成在ARM核心板上。所有獨(dú)立板卡以及外設(shè)與ARM核心板之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信和控制,終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
由圖2可以看出,環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊由甲烷探頭、一氧化碳探頭、氧氣探頭、信號(hào)處理電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成,探頭經(jīng)過(guò)處理電路后轉(zhuǎn)換為3路電壓信號(hào),電壓信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路后通過(guò)1路串口與ARM核心板進(jìn)行通信,實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)信息并通過(guò)液晶顯示;人員定位模塊由測(cè)距模塊、板卡天線、按鍵、蜂鳴器組成,測(cè)距模塊通過(guò)板卡天線與井下人員定位基站進(jìn)行通信,采集人員位置信息,人員位置信息通過(guò)1路串口與ARM核心板進(jìn)行通信,實(shí)時(shí)采集人員位置信息并通過(guò)液晶顯示;ARM核心板通過(guò)USB驅(qū)動(dòng)模塊控制USB攝像頭進(jìn)行拍照攝錄,同時(shí)通過(guò)輸出電壓信號(hào)的方式控制LED燈進(jìn)行照明。
圖2 智能終端硬件結(jié)構(gòu)圖
ARM核心板內(nèi)置電源管理模塊、聲光報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、WIFI模塊、4G模塊、外設(shè)控制模塊以及SD卡等。其中電源管理模塊可實(shí)現(xiàn)充放電的保護(hù)和控制以及分級(jí)管理功能,設(shè)計(jì)時(shí)將人員定位、照明和其他模塊功能設(shè)置為三級(jí)電源優(yōu)先級(jí),其中人員定位優(yōu)先級(jí)為一級(jí),照明優(yōu)先級(jí)為二級(jí),其他模塊功能優(yōu)先級(jí)為三級(jí),通過(guò)設(shè)置模塊電源閾值,在電量不足的情況下確保高優(yōu)先級(jí)模塊優(yōu)先工作;聲光報(bào)警模塊可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常、低電等情況下的報(bào)警,報(bào)警時(shí)聲報(bào)警采用ARM核心板內(nèi)置蜂鳴器進(jìn)行,光報(bào)警采用LED燈閃爍方式進(jìn)行;液晶顯示模塊可實(shí)時(shí)顯示終端檢測(cè)到的數(shù)據(jù),同時(shí)數(shù)據(jù)可通過(guò)核心板上內(nèi)置的WIFI模塊和4G模塊上傳到井上服務(wù)器。
軟件設(shè)計(jì)時(shí),采用安卓系統(tǒng)多線程機(jī)制,設(shè)計(jì)4個(gè)線程,分別為主線程、文本數(shù)據(jù)采集線程、工況數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)上傳線程。智能終端軟件流程圖如圖3所示。
圖3 智能終端軟件流程圖
主線程采用Android Service實(shí)現(xiàn),利用發(fā)送與接收廣播(Broadcast)機(jī)制,與其它子線程進(jìn)行消息交互。
(1)文本數(shù)據(jù)采集過(guò)程。主線程開始后先進(jìn)行外設(shè)的初始化,初始化完成后開啟定時(shí)器,當(dāng)定時(shí)時(shí)間T完成后,開始發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令通知文本數(shù)據(jù)采集線程進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集與人員位置信息采集。環(huán)境參數(shù)檢測(cè)板卡接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀后立即采集一幀環(huán)境參數(shù)信息(甲烷、氧氣和一氧化碳);人員定位板卡立即采集一幀人員位置信息(包含人員定位基站號(hào)、人員定位卡號(hào)、定位卡與定位基站距離以及方向信息),數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記,并存儲(chǔ)在本地嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。
其中環(huán)境參數(shù)一幀數(shù)據(jù)共14個(gè)字節(jié),波特率為9600 bps,幀格式見表1。人員位置一幀數(shù)據(jù)共10個(gè)字節(jié),波特率為9600 bps,幀格式見表2。
表1 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)幀格式
表2 人員位置數(shù)據(jù)幀格式
(2)工況數(shù)據(jù)采集過(guò)程。使用過(guò)程中,有時(shí)需要對(duì)作業(yè)人員周圍工況信息進(jìn)行采集。此時(shí)可通過(guò)主線程發(fā)送采集命令給工況數(shù)據(jù)采集線程,驅(qū)動(dòng)USB攝像頭進(jìn)行拍照或攝錄,采集的圖片和視頻存儲(chǔ)在本地SD卡中。
(3)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。采集后的文本數(shù)據(jù)、圖像以及視頻信息需要上傳時(shí),可啟動(dòng)數(shù)據(jù)上傳線程。為了減小帶寬占用,提高傳輸?shù)目煽啃?,需要?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,視頻信息采用H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮;圖片信息采用Webp格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮;文本信息(環(huán)境參數(shù)信息與人員位置信息)采用http方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,利用JSON格式最大程度減少數(shù)據(jù)冗余,節(jié)省帶寬。壓縮后的數(shù)據(jù)可通過(guò)井下WIFI或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄媳O(jiān)控平臺(tái)。
2016年,該智能終端在神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn),該礦作業(yè)人員攜帶智能終端在井下大巷、變電所、工作面等不同區(qū)域測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)境參數(shù)、人員位置、工況圖片視頻的實(shí)時(shí)采集、在線傳輸以及歷史查詢等功能。智能終端井下應(yīng)用拓?fù)鋱D如圖4所示,具體性能測(cè)試見表3,測(cè)試時(shí)智能終端實(shí)時(shí)定位界面和歷史報(bào)表界面如圖5所示。
圖4 智能終端井下應(yīng)用拓?fù)鋱D
表3 智能終端性能測(cè)試
為了實(shí)現(xiàn)井下照明、人員定位、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、拍照攝像等功能的有機(jī)融合與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái),研制了礦井一體化智能通信終端,利用多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的采集,并借助井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)設(shè)備集成度高,極大地減輕了井下作業(yè)人員所需佩戴的設(shè)備數(shù)量,而且設(shè)備的智能化程度較高。
(2)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、人員位置數(shù)據(jù)、工況圖片視頻數(shù)據(jù)的采集與無(wú)線上傳,所有數(shù)據(jù)可在同一管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,最大程度地為井下安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。
(3)采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái),支持后期功能擴(kuò)展,可由礦山物聯(lián)網(wǎng)與礦井多系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。