關(guān)丙火 傅陽(yáng)

1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師 陜西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理 廣東深圳 518000

隨著我國(guó)科技水平日益提高，地下資源勘測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，對(duì)于開(kāi)采技術(shù)的要求也越來(lái)越高，部分礦井開(kāi)采深度和范圍都在逐步擴(kuò)大，需要耗費(fèi)大量的人力、物力；在開(kāi)采過(guò)程中復(fù)雜的地形和閉塞的空間，是非常危險(xiǎn)的，出現(xiàn)了的一些難以避免的人員傷亡給下井人員帶來(lái)了巨大的傷害和壓力，因此專門(mén)針對(duì)這一現(xiàn)象提出一套礦燈解決方案，可以有效減少災(zāi)難對(duì)人員帶來(lái)的傷害[1]。礦燈屬特殊型防爆產(chǎn)品，管理不妥會(huì)誘發(fā)的瓦斯煤塵爆炸事故[2]。近些年人們對(duì)于安全的重視度明顯提高，因此增大了很多智能設(shè)備的應(yīng)用力度，來(lái)保證下井作業(yè)人員的人身安全，最大限度減少損失。

礦井下環(huán)境惡劣，礦燈是下井作業(yè)人員的必備設(shè)備，用于日常工作的照明，同時(shí)還需要佩戴其他安全設(shè)備來(lái)保障人身安全，因此需要攜帶的設(shè)備往往較多，對(duì)作業(yè)人員來(lái)說(shuō)極為不便，同時(shí)有些設(shè)備因碰撞容易造成損壞。佩戴設(shè)備中往往沒(méi)有通話功能，遇突發(fā)狀況很難做到及時(shí)與地面聯(lián)系或向就近的同事求助。因此，針對(duì)類似問(wèn)題進(jìn)行了專項(xiàng)研究，自主研發(fā)了新型智能語(yǔ)音礦燈，具有體積小，功能齊全，人員佩戴方便的特點(diǎn)，同時(shí)可以與地面管理人員實(shí)現(xiàn)雙向通話，及時(shí)溝通以解決突發(fā)狀況，可以有效的預(yù)防災(zāi)難的發(fā)生。

1 現(xiàn)有礦燈現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的繁榮和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于人身安全越來(lái)越重視，因此采購(gòu)了大量設(shè)備來(lái)確保下井人員人身安全。礦燈作為井下日常照明使用，是下井設(shè)備中最為常見(jiàn)的設(shè)備。然而，每個(gè)下井人員佩戴礦燈的同時(shí)，還有其他眾多的設(shè)備需要佩戴。給生命安全帶來(lái)保障的同時(shí)也給身體增加了不少負(fù)擔(dān)，降低了工作效率。對(duì)于特定的設(shè)備，還需要進(jìn)行分類管理以防相互碰撞造成損壞。因此，繁重的設(shè)備和費(fèi)神的設(shè)備管理，給人員下井作業(yè)帶來(lái)了極大的不便。

目前市場(chǎng)上的礦燈功能單一，只能用作照明用途，再無(wú)其他功能。每次下井礦燈剩余電量信息無(wú)法掌握，且體積笨重，及其不方便作業(yè)，對(duì)于下井作業(yè)人員來(lái)說(shuō)有很大的負(fù)擔(dān)。部分礦燈產(chǎn)品可根據(jù)人員活動(dòng)范圍自動(dòng)控制照明燈亮滅，一定程度上能減少電量消耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但不能解決亮度、電容容量和復(fù)雜的需求[3]。

2 智能語(yǔ)音礦燈優(yōu)勢(shì)

本設(shè)備智能語(yǔ)音礦燈主要集成了照明、定位、語(yǔ)音通話三大功能，機(jī)身體積小，便于攜帶，正常照明使用可達(dá)20小時(shí)以上，充分滿足了下井作業(yè)人員的需求。智能語(yǔ)音礦燈采用了錳酸鋰電池作為電源，具有免維護(hù)、能量高、壽命長(zhǎng)、重量輕、無(wú)液漏、無(wú)污染、無(wú)爆炸不起火、安全可靠等特點(diǎn)。

礦燈集成ZigBee定位、ZigBee語(yǔ)音、聲光報(bào)警、燈線閃燈、工種標(biāo)識(shí)燈、運(yùn)動(dòng)傳感器等多個(gè)功能，減少礦工攜帶物品數(shù)量，提高工作效率。實(shí)物如圖1。

2.1 照明功能

礦燈的照明功能為主要功能，是下井作業(yè)人員日常工作的核心用途。主要用途：用于礦山、石油、化工、鐵路、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等存在易燃易爆可燃?xì)怏w的環(huán)境中安全照明、搶險(xiǎn)救災(zāi)照明。在煤礦井下、隧道及各種地下工程、人防工程等場(chǎng)合發(fā)揮著重要的作用。

燈頭部分采用新型的LED半導(dǎo)體照明作為光源，具有不發(fā)熱，能耗小，發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)（達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)以上），安全可靠等特點(diǎn)。色溫在9000-10000K，光線溫和不刺眼。燈頭內(nèi)采用了不同亮度的雙LED的光源，可以通過(guò)四檔開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換使用，主光源照度1800Lm并一直保持到20小時(shí)以上，輔光源照明時(shí)間可達(dá)60小時(shí)以上，比較符合礦井下作業(yè)使用需求。與老式礦燈比較，智能礦燈的照明光線更能保護(hù)眼睛，不刺眼，且功耗低可以使用更長(zhǎng)時(shí)間[4]。

智能語(yǔ)音礦燈選用超大容量電池，保證礦燈的使用時(shí)間。在照明模式下可使用超過(guò)18小時(shí)，其他模式可以使用24小時(shí)以上。在電池電量過(guò)低，無(wú)法提供照明時(shí)，電池剩余電量仍可使發(fā)光燈線持續(xù)工作。在發(fā)生礦難情況下，礦燈電池被消耗過(guò)度，無(wú)法提供照明時(shí)，可以提供自身位置信息，使?fàn)I救人員可以及時(shí)準(zhǔn)確的查詢使用者位置并進(jìn)行營(yíng)救，以此保證使用者的生命安全。

2.2 定位功能

定位芯片選用NXP公司最新推出的集成芯片，芯片上 JN5168無(wú)線微控制器兼容 IEEE802.15.4無(wú)線協(xié)議，因此完成芯片正常工作所必要的外圍電路即可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距、通信等功能，采用低功耗型ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用TOF定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦燈進(jìn)行精確定位，400米的測(cè)距數(shù)據(jù)精度可控制在3m以內(nèi)。同時(shí)，可通過(guò)改進(jìn)軟件和優(yōu)化定位算法，進(jìn)一步減小定位誤差。

眾所周知，礦井下屬于地表下部環(huán)境，厚厚地表層，使得手機(jī)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法使用。因此礦井下就是典型的環(huán)境未知地帶，使得人們的活動(dòng)難以控制，人身安全很難得到保證。所以礦井下利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通關(guān)布設(shè)相應(yīng)的基站，從而組成一套完整的通訊網(wǎng)絡(luò)，人員身上佩戴的礦燈，通過(guò)TOF定位技術(shù)對(duì)人員的位置進(jìn)行精確定位[5]，利用對(duì)應(yīng)的基站把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)江h(huán)網(wǎng)再到地面，配合上層軟件“煤礦人員管理系統(tǒng)”的使用和處理，從而將人員實(shí)時(shí)位置、人員運(yùn)動(dòng)軌跡、活動(dòng)時(shí)間顯示在電腦上，同時(shí)還可以為客戶進(jìn)行定制化服務(wù)，滿足特殊要求。實(shí)時(shí)獲取礦下人員的相關(guān)信息，方便井上管理人員及時(shí)發(fā)布危險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)和對(duì)人員的合理調(diào)度；另外一旦發(fā)生事故，可使救治工作以最快的速度有效展開(kāi)，最大限度地減少災(zāi)害損失[6]。定位系統(tǒng)極大方便了管理人員，對(duì)整個(gè)礦井管理有了質(zhì)的提升。

定位技術(shù)采用了JN5168低功耗ZigBee專用芯片，定位的誤差距離可以控制在3m以內(nèi)，在礦井下可以穩(wěn)定接收發(fā)射ZigBee信號(hào)，保證信號(hào)穩(wěn)定有效。

2.3 語(yǔ)音功能

智能語(yǔ)音礦燈利用煤礦人員管理系統(tǒng)，使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，再結(jié)合Freeswitch電話交換平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)與調(diào)度臺(tái)雙向語(yǔ)音。實(shí)現(xiàn)礦燈對(duì)調(diào)度臺(tái)的一鍵式呼叫和調(diào)度臺(tái)對(duì)礦燈的緊急呼叫，雙方可以互相實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通話，遇突發(fā)情況可以及時(shí)溝通解決。

在礦燈正常使用時(shí)此功能不工作，以節(jié)省電力，保證電池的續(xù)航。當(dāng)井下作業(yè)人員與地面管理人員使用調(diào)度臺(tái)相互通信時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)功能，井下人員可以一鍵呼叫調(diào)度臺(tái)，同時(shí)調(diào)度臺(tái)可以撥打礦燈佩戴人員對(duì)應(yīng)的號(hào)碼進(jìn)行呼叫[7]。礦燈通過(guò)搭配智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，結(jié)合Freeswitch電話交換平臺(tái)，可以利用SIP協(xié)議與市場(chǎng)上大部分IP電話進(jìn)行相互通信；另外，礦燈采用低靈敏度麥克風(fēng)對(duì)聲音進(jìn)行采集，以保障人員說(shuō)話聲音不被周?chē)须s環(huán)境影響，保障通話質(zhì)量，同時(shí)礦燈的外側(cè)面設(shè)計(jì)了擴(kuò)音喇叭，增大通話音量以保障作業(yè)人員可聽(tīng)到對(duì)方聲音。語(yǔ)音信息鏈路拓?fù)淙鐖D2所示。

語(yǔ)音通話電路的主控芯片采用ZigBee專用芯片CC2530，搭配AMBE1000+FM1188GE方案實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話。

AMBE1000芯片專門(mén)對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，將語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮，減少占用內(nèi)存，方便主控芯片對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。FM1188GE芯片設(shè)置外設(shè)電路以及軟件方式將喇叭信號(hào)輸入MIC信號(hào)中，軟件算法消除回聲，同時(shí)精密調(diào)配MIC采集電路，使MIC效果達(dá)到最好，芯片為全雙工，在通話時(shí)可同時(shí)發(fā)射與采集音頻信號(hào)。通過(guò)R14、C49、R30、C47、R13鏈路，可以將喇叭的聲音回傳至芯片，利用軟件算法將回聲信號(hào)濾波消除，使得喇叭在通話對(duì)方不會(huì)聽(tīng)到自身回聲，影響通話效果。

MIC部分通過(guò)精密電容匹配網(wǎng)絡(luò)使得MIC效果得到最好，采集到較為清晰的人聲，有效減少環(huán)境聲音。

2.4 聲光報(bào)警功能

在礦燈殼體的外側(cè)配備有蜂鳴器，用礦燈上爆閃燈的閃爍進(jìn)行撤離報(bào)警提示，同時(shí)在礦燈線上設(shè)置有報(bào)警指示燈，進(jìn)一步強(qiáng)化提示報(bào)警功能[8]。

在礦井下嘈雜的環(huán)境中采用聲音和光線兩種報(bào)警方式，加強(qiáng)了報(bào)警的提示作用，使得井下作業(yè)人員可以及時(shí)得到警報(bào)提示，及時(shí)做出判斷進(jìn)行撤離，以最快速度解決問(wèn)題，保障自身安全。

聲音報(bào)警采用蜂鳴器方式起到警示的作用，在保證聲音足夠大的情況下盡量保證較低的功耗。蜂鳴器具有質(zhì)量輕，體積小，價(jià)格便宜，電路較為穩(wěn)定等特點(diǎn)；但是在礦井下嘈雜的環(huán)境中，長(zhǎng)期的噪音有時(shí)會(huì)讓人的聽(tīng)覺(jué)變的不靈敏，往往單獨(dú)采用聲音報(bào)警不能完全確保給到工作人員報(bào)警信號(hào)。因此，出現(xiàn)了采用聲音加光線的報(bào)警方式，光線可以給人直觀反映，礦井下環(huán)境較為黑暗，有了光線團(tuán)隊(duì)一起作業(yè)時(shí)，可以相互提醒指示，可以對(duì)使用者的人身安全發(fā)揮更大的作用。光線報(bào)警采用低功耗LED燈珠作為光源，具有發(fā)光角度小，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，光線使用環(huán)保PVC透明材料做成的導(dǎo)光燈線引導(dǎo)光線，整個(gè)燈線側(cè)面可以發(fā)出不同顏色，起警示作用。此燈線有柔軟、耐彎折、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，燈線從機(jī)身引出纏繞在燈頭供電的線路中，可以發(fā)出較顯眼光線。

采用全新的聲光報(bào)警方式，在井下發(fā)生事故時(shí)也可使用，在電量極低情況下可以自動(dòng)轉(zhuǎn)為常量效果，用紅色發(fā)光指示自身位置，使作業(yè)人員能盡快得到救援。

2.5 保護(hù)功能

在礦下復(fù)雜的環(huán)境中，當(dāng)?shù)V燈因短路而引起起火事故時(shí)，對(duì)貼身物品和使用者造成極大危害。為了避免此類事故，給礦燈增加了短路保護(hù)功能。礦燈電源電路加裝礦燈短路保護(hù)器，動(dòng)作靈敏可靠，當(dāng)?shù)V燈發(fā)生短路時(shí)，能在15ms內(nèi)切斷礦燈電源，保證了使用安全。當(dāng)短路排除后，只需須對(duì)礦燈正常充電上后即可再次使用。這樣既可以有效保護(hù)使用者的安全，同時(shí)也防止了電池因后端電路故障而引起的自燃、爆炸等意外事故[9]。

2.6 工種識(shí)別功能

井下作業(yè)人員由不同工種組成，完成一項(xiàng)任務(wù)往往需要多個(gè)工種人員一起協(xié)作完成。在昏暗且灰塵比較大的環(huán)境中，辨認(rèn)施工人員的工種較為困難。智能語(yǔ)音礦燈在燈頭上集成了工種識(shí)別功能，以燈頭上等的顏色作為識(shí)別信號(hào)，一種顏色代表一個(gè)工種。燈頭發(fā)光燈采用低功耗LED節(jié)能燈珠，燈珠采用霧狀燈珠，燈珠發(fā)光角度大，對(duì)眼睛刺激小，適合用作提示源。燈光以最小系統(tǒng)進(jìn)行控制，不間斷閃爍，不但可以減少耗電，還可以有效的起到提示的用途。燈珠外殼采用透明保護(hù)罩，隔離外部異物的同時(shí)還有防水作用。

此功能便于管理人員進(jìn)行管理，方便團(tuán)體作業(yè)，易于識(shí)別自己工作團(tuán)隊(duì)。提高礦工井下工作的安全性。

2.7 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能

井下人員的活動(dòng)軌跡反映著作業(yè)人員的工作狀態(tài)。智能語(yǔ)音礦燈集成了運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能，根據(jù)對(duì)礦燈芯片運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)收集處理，調(diào)度中心可以通過(guò)系統(tǒng)管理界面清晰地了解每個(gè)礦燈的運(yùn)動(dòng)情況[10]。當(dāng)人員長(zhǎng)期靜止不動(dòng)時(shí)，報(bào)警提醒調(diào)度中心，有效加強(qiáng)人員安全管理，提高工作效率。同時(shí)，可通過(guò)本礦燈進(jìn)行語(yǔ)音通話，以第一時(shí)間了解情況，若人員遇突發(fā)狀況，調(diào)度臺(tái)可在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)人員進(jìn)行施救，減少災(zāi)難發(fā)生。

3 智能語(yǔ)音礦燈結(jié)構(gòu)特性

結(jié)構(gòu)概述：

燈如圖3主要由燈頭組件如圖4、電池槽組件如圖5兩部分組成。燈頭組件區(qū)別于普通礦燈主要在于：在燈頭頂部增加了一個(gè)爆閃燈，用螺絲將爆燈及透明鏡片固定在燈頭殼體上；此燈可根據(jù)不同工種設(shè)置成不同顏色，在緊急情況下可以不停閃爍從而達(dá)到警示目的；電池槽組件結(jié)構(gòu)如上圖所示：裝配時(shí)先將喇叭打膠固定于電池槽底殼，然后將底板PCB用螺絲固定于電池槽底殼底部，再將語(yǔ)音PCB、定位PCB通過(guò)排針插座插入底板PCB上；接著放入電池，然后用電池槽中框壓住PCB板卡、電池，再蓋上電池槽上蓋，LED發(fā)光燈線板、蜂鳴器、咪頭預(yù)先固定在上蓋中。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備相比傳統(tǒng)礦燈具備了符合現(xiàn)代智能使用場(chǎng)景的強(qiáng)大功能。搭配上層的管理系統(tǒng)可以大大方便地面工作人員的管理，同時(shí)可以對(duì)礦燈佩戴人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在遇到突發(fā)狀況時(shí)第一時(shí)間可以進(jìn)行語(yǔ)音溝通，解決問(wèn)題，對(duì)隱患地方提前或及時(shí)了解從而做出相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到有效預(yù)防災(zāi)難發(fā)生的目的，增強(qiáng)對(duì)下井作業(yè)人員的人身保護(hù)。另外，方便在井下昏暗和多塵的環(huán)境進(jìn)行工種的識(shí)別和管理；在意外情況發(fā)生時(shí)候通過(guò)聲光報(bào)警的形式可快速把消息擴(kuò)散，達(dá)到警示和提醒的作用。雖然礦燈增加了很多功能，但是本身重量沒(méi)有增加太多，因此能減少作業(yè)人員的負(fù)擔(dān)，極大地提高工作效率。本智能語(yǔ)音礦燈，既具備了智能應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，又兼?zhèn)淞说V用燈大容量電池和光線足的實(shí)用本質(zhì)，順應(yīng)了當(dāng)下對(duì)智慧煤礦的號(hào)召。