李春賀，陶 帥

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引 言

我國(guó)的礦業(yè)一直處于世界礦產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)了重要地位[1]。大量礦產(chǎn)資源被開發(fā)利用，提高了我國(guó)經(jīng)濟(jì)，但是也加大了事故災(zāi)害的發(fā)生概率。如何加強(qiáng)礦業(yè)安全一直是人們重點(diǎn)研究的課題。我國(guó)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采礦環(huán)境惡劣，相比較于其他行業(yè)，礦業(yè)更容易發(fā)生安全事故[2]。就我國(guó)目前發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，礦山產(chǎn)業(yè)安全狀況并不樂觀，對(duì)人民群眾的生命造成了巨大傷害，同時(shí)帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。采礦人員是礦山產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，因此必須要重視采礦人員安全，加強(qiáng)采礦人員的保護(hù)措施[3]。

科技發(fā)展的進(jìn)步使得信息技術(shù)已經(jīng)不斷深入到人們的生活中，并且在各行各業(yè)發(fā)揮著重要作用，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)引入到采礦人員安全保障工作中，可以使我國(guó)的礦產(chǎn)安全工作上升一個(gè)層次[4]。

綜上所述，本文針對(duì)采礦人員安全改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，并且加入了大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。本文首先從整體描述，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)性地設(shè)計(jì)出主要硬件，從系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)現(xiàn)角度和需求角度設(shè)計(jì)了軟件流程。該系統(tǒng)能夠很好地感知采礦人員信息，并及時(shí)將信息上傳給中心系統(tǒng)，由中心系統(tǒng)綜合性分析，判斷采礦人員是否存在安全隱患，如果確定存在安全隱患要及時(shí)采取解決措施，避免安全事故的發(fā)生[5]。

1 采礦人員安全感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)了核心模塊，在此基礎(chǔ)上加入采集器、存儲(chǔ)器、處理器，能夠從多方位對(duì)采集人員的安全信息（包括采集人員所處的環(huán)境、使用設(shè)備、自身身體狀態(tài)）進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)。利用特征提取技術(shù)找出特征信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)一套完整的安全感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)[6]。

為了使采集系統(tǒng)開發(fā)更加簡(jiǎn)單，本文將采集系統(tǒng)硬件進(jìn)行模型化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式也更加適用于與軟件分工合作。系統(tǒng)模型化后設(shè)計(jì)的硬件總結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采礦人員安全感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of real-time perception information acquisition system for mining personnel safety

觀察圖1 可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的前瞻性，而且是本文的基礎(chǔ)性研究。該系統(tǒng)硬件能夠不間斷地獲取信息，并對(duì)信息進(jìn)行精準(zhǔn)分析，增強(qiáng)信息的認(rèn)識(shí)度。由于系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性，因此可以隨時(shí)隨地修改。采用序分層法將系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分開，通過(guò)模塊接口的設(shè)計(jì)思想將每一層連接起來(lái)[7]。硬件分為三個(gè)層次：傳感層、服務(wù)層、應(yīng)用層。傳感層包括多個(gè)傳感器，詳細(xì)地記錄采礦人員所處環(huán)境的光照、位置等信息；服務(wù)層則是根據(jù)捕捉的信息推理采礦工作人員的安全狀態(tài)；應(yīng)用層包括輸入模塊和輸出模塊，使用人機(jī)交互界面和觸摸屏顯示應(yīng)用結(jié)果。下面對(duì)采集器、處理器和存儲(chǔ)器進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)[8]。

1.1 采集器設(shè)計(jì)

采集模塊由FLASH 模塊與T57B7A 模塊構(gòu)成，內(nèi)部含有通信裝置，利用該裝置提供標(biāo)準(zhǔn)的雙端口，分別為RS 283與RS 487，用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集器之間的連接。

本文設(shè)計(jì)的采集器是由MAX980與MAX498 兩種芯片組成的，采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。信號(hào)采集工作主要由ADU447 完成，因ADU447 芯片性能極高，只需要設(shè)定一個(gè)輸入口就可以將信號(hào)直接輸入其中，但是需要濾波器過(guò)濾掉干擾信號(hào)才可以將信號(hào)輸入ADU447 芯片內(nèi)。芯片內(nèi)的第4 個(gè)信號(hào)端口U2，也可作為RAM的接口使用，但RAM 接口只能接收高9 位的地址，當(dāng)U2 端口不與RAM 相連接時(shí)，則與開關(guān)相連接[9]。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)Fig.2 Collector structure

ADU447 還需要具備DTC 輸出口，其目的是為了增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能，所以采集器選用了第12 個(gè)端口為DTC 使用。為了實(shí)現(xiàn)交換采集器與其他計(jì)算機(jī)或設(shè)備之間的信息，使控制更加方便，在采集器外部設(shè)計(jì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信端口。

采集器的系統(tǒng)可在KEciisnn3 等環(huán)境實(shí)現(xiàn)，采集器還支持多種芯片、編譯、PML、X 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)，在各方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，使用也極為簡(jiǎn)單，能滿足所有開發(fā)環(huán)境。在通信過(guò)程中，雙方的接收與發(fā)送的頻率都有一定的約定，ADU447 可編程4 種方式進(jìn)行工作，這4 種方式用數(shù)字代替結(jié)果是不同的，方式1/3的波率被設(shè)定成固定數(shù)字，由于方式2/4的波率難以確定，所以具體取值由定時(shí)器操作。由于每種方式都有自己固定的波率，所以每個(gè)方式的結(jié)構(gòu)與計(jì)算都不相同。

設(shè)定的采集器電路圖如圖3 所示，其中VD 表示單向二極管。

1.2 處理器設(shè)計(jì)

本文采用ARM23MPCPR 芯片作為處理器核心，該芯片是基于傳統(tǒng)的ARM12的基礎(chǔ)而生產(chǎn)的全新一代V6 體系處理器芯片，應(yīng)用不同，所需要的需求也不一樣。本處理器最多可提供6 個(gè)組合方式，其性能能達(dá)到傳統(tǒng)處理器的三倍以上[10]。處理器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 采集器電路圖Fig.3 Circuit diagram of collector

圖4 處理器結(jié)構(gòu)Fig.4 Processor structure

由圖4 可知，給出的處理器是比較標(biāo)準(zhǔn)的多核處理器，該處理器由傳統(tǒng)的ARM12的4 個(gè)獨(dú)立核心構(gòu)成，能使頻率在工作狀態(tài)不發(fā)生改變的情況下提高性能，除了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)外，本處理器的其他各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)都非常出色，適合現(xiàn)在市場(chǎng)上絕大部分電子系統(tǒng)需求，在正常運(yùn)作的同時(shí)，仍有余力提供多個(gè)多媒體功能[11]。在各種應(yīng)用環(huán)境下，本處理器可以表現(xiàn)出高性能和絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，ARM23MPCPR 芯片可提供多路結(jié)構(gòu)，并支持混合系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)大幅度地提高了處理器的靈活性、適應(yīng)能力、吞吐量及運(yùn)算能力，滿足各種需求[12]。

在應(yīng)用方面，絕大部分的廠家采用傳統(tǒng)DSP與譯碼電路來(lái)實(shí)現(xiàn)編譯碼，過(guò)程中主要使用單核處理器完成操作，這種方式雖然能高效譯碼，但存在較大能耗問(wèn)題。本處理器的架構(gòu)是單核架構(gòu)，與單核處理器結(jié)構(gòu)相似，但在各種性能使用方面遠(yuǎn)優(yōu)于單核處理器，包括能耗與資源存儲(chǔ)量等。本處理器加入了Corntp-65 處理器的優(yōu)點(diǎn)，使用最新的ARM 架構(gòu)及V8 體系，并整合4 個(gè)72 位的存儲(chǔ)單元與處理單元。具有非常流暢的加速性能，靈活性極強(qiáng)[13]。

處理器電路圖如圖5 所示。

1.3 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

本文采用靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，外部的陣列周圍都是譯碼器與外部信號(hào)接口，大部分陣列都采用正方形的形式。這樣有利于減少芯片的使用面積，加入SRAK序列，確保每個(gè)儲(chǔ)存單元都能被選中，如果排列成三角形，則需要18/6 位譯碼器，如果排列成正方形則需要6/84 位譯碼器，兩種譯碼器必須要排列在存儲(chǔ)單元內(nèi)側(cè)兩邊。

圖5 處理器電路圖Fig.5 Circuit diagram of processor

存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 存儲(chǔ)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Memory internal structure

本文使用正方形72 行72 列的方式，其產(chǎn)生的交叉點(diǎn)為YDSS，并對(duì)應(yīng)每個(gè)存儲(chǔ)位。本排列方式主要優(yōu)勢(shì)在于對(duì)芯片使用面積大幅度減少，傳統(tǒng)的三角形排列方式除了面積大的缺點(diǎn)外，還會(huì)使部分的存儲(chǔ)單元輸入輸出線端極長(zhǎng)，對(duì)于大存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，更是會(huì)導(dǎo)致讀寫方面速度降低，并產(chǎn)生延遲，由于電源線截面越大，電流就會(huì)越來(lái)越小，所以在設(shè)計(jì)中都需避免類似情況。

存儲(chǔ)器還采用了高倍數(shù)據(jù)速率技術(shù)。傳統(tǒng)的普通存儲(chǔ)器的讀/寫只能用一條通道，存儲(chǔ)速度相對(duì)緩慢許多。8 倍數(shù)據(jù)速率技術(shù)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，將采集到的上升沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行變換，下降沿和其他數(shù)據(jù)均不做改變。這樣就可以將傳輸數(shù)據(jù)擴(kuò)大數(shù)倍，在保留傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的特征基礎(chǔ)上對(duì)各條總線也進(jìn)行了提升，在傳統(tǒng)單條數(shù)據(jù)通道內(nèi)構(gòu)建一個(gè)或多條數(shù)據(jù)通道并同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，大大提升了數(shù)據(jù)的速率，絕大部分雙倍或多倍數(shù)據(jù)速度都采用上述方法。這樣計(jì)算下來(lái)，雙條通道就是原來(lái)速率的兩倍。以此類推，雙倍、三倍、四倍的工作頻率分別為300 MHz/500 MHz/700 MHz，在實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)的通信高速傳輸方面取得了重大突破。

存儲(chǔ)器電路圖如圖7 所示。

圖7 存儲(chǔ)器電路圖Fig.7 Circuit diagram of memory

2 采礦人員安全感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在構(gòu)建出本文使用的硬件系統(tǒng)之后，對(duì)軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，軟件處理器的基本操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux 系統(tǒng)，利用u-boot 配置，軟件系統(tǒng)能夠?qū)Σ傻V人員的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，在交互界面中顯示出采集到的信號(hào)特征。

設(shè)定的軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 采礦人員安全感知信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Software flowchart of real-time perception information acquisition system of mining personnel safety

觀察圖8 可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件流程共分為三步。

第一步：采礦人員數(shù)據(jù)信息采集。利用多種傳感器對(duì)采礦人員的信息進(jìn)行采集，包括聲音信息、光強(qiáng)信息和位置信息，在人機(jī)交互界面中將檢索到的信息互相交互，達(dá)到輔助處理的目的。采集過(guò)程要設(shè)定對(duì)應(yīng)的判決規(guī)則，以周期性的方式采集聲音信息、光照信息和位置信息，利用多路傳感器分析采集的信息是否滿足獲取條件，如果滿足獲取條件，則要啟動(dòng)獲取服務(wù)，如果不滿足獲取條件，則不能進(jìn)行信息采集。光強(qiáng)信息采集的周期為5 s，采集器內(nèi)部擁有自己的緩沖區(qū)，采集幀頻多樣，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。采集的聲音包括用戶聲音和外界環(huán)境聲音，通過(guò)緩沖區(qū)和通知機(jī)制得到音頻數(shù)據(jù)。

第二步：采集信息處理。對(duì)采集到的采礦人員安全感知信息進(jìn)行處理。利用GSM 處理使用者的經(jīng)緯度位置，再將采集到的采礦人員位置通過(guò)電子地圖展現(xiàn)出來(lái)。需要注意的是，感知信息位置經(jīng)緯度與語(yǔ)義符號(hào)要呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。采礦人員采集光強(qiáng)信息的效果對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行效果有著直接的影響，當(dāng)采礦人員處于不同位置，光強(qiáng)也是不同的，因此可以通過(guò)感知采礦人員的光強(qiáng)而判斷采礦人員是否安全。處理時(shí)設(shè)定兩個(gè)光強(qiáng)閾值分別為50 lx和1 000 lx，當(dāng)工作人員所處環(huán)境光強(qiáng)小于50 lx 或者大于1 000 lx，都是處于不安全位置的；當(dāng)工作人員所處環(huán)境在50～1 000 lx 之間，則證明處在安全位置。

第三步：信息結(jié)果存儲(chǔ)。在得到采集信息后，要將采集信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器，再選擇有用信息進(jìn)行展示。存儲(chǔ)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)要保持緊密連接，一旦感知到采礦人員存在安全隱患，要立刻發(fā)出警報(bào)聲，提醒工作人員采取有效的解決措施。

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測(cè)本文基于大數(shù)據(jù)的采礦人員安全感知信息采集系統(tǒng)的實(shí)際效果，與傳統(tǒng)采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Experimental parameters

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用本文研究的采集系統(tǒng)和傳統(tǒng)采集系統(tǒng)，對(duì)同一批采礦人員安全信息進(jìn)行采集，記錄采集結(jié)果延時(shí)和事故發(fā)生率，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。觀察圖9 可知，采集時(shí)間越長(zhǎng)，延時(shí)時(shí)間就越長(zhǎng)，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)產(chǎn)生的延時(shí)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本文系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件與軟件連接不夠緊密，硬件采集到的信息軟件不能及時(shí)處理，所以導(dǎo)致延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即使檢測(cè)到安全隱患，也不能及時(shí)上傳，安全事故發(fā)生的概率依舊很高。本文系統(tǒng)的硬件和軟件完美結(jié)合，一旦檢測(cè)到安全隱患，系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)聲，大大降低了事故發(fā)生率。綜上所述，本文研究的采集系統(tǒng)感知能力更強(qiáng)，對(duì)于采礦工程有很大的幫助。

圖9 延時(shí)時(shí)間對(duì)比圖Fig.9 Comparison of delay time

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于大數(shù)據(jù)研究了一種新的采礦人員安全感知信息采集系統(tǒng)，從硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用該系統(tǒng)能夠很好地感知到采集人員的地理環(huán)境光強(qiáng)，識(shí)別采集人員所處位置，并對(duì)采集到的音頻進(jìn)行分類。加入本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采礦工程，能夠?yàn)椴傻V人員生命安全提供很好的保障，讓采礦工作人員更加順利的進(jìn)行工作。本研究對(duì)于保障采礦人員安全具有重要意義，值得推廣使用。