任高峰 葛永翔 馬俊生 秦 嶺3

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京100038；3.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

高海拔礦山井下無軌運(yùn)輸是聯(lián)系礦山各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的“動(dòng)脈”，然而由于高海拔寒區(qū)氣壓低、空氣稀薄、早晚溫差較大等特殊的地理氣候條件［1-2］，高海拔寒區(qū)礦山無軌運(yùn)輸駕駛員面臨低溫缺氧工作環(huán)境、身體機(jī)能下降等難題，嚴(yán)重制約了高海拔礦山無軌運(yùn)輸安全［3-6］。

因此對高海拔地區(qū)駕駛員身體機(jī)能變化規(guī)律以及駕駛室環(huán)境調(diào)控技術(shù)開展研究，進(jìn)而保障駕駛員工作環(huán)境舒適、安全、健康具有重要的工程意義。

針對高海拔地區(qū)人體生理特性研究，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作，諸多研究人員將保障高原從業(yè)者身體健康的研究視為首要任務(wù)［7］。亓峰［8］利用高原環(huán)境模擬艙開展了為期20 d的人體實(shí)驗(yàn)，研究了大氣壓力、環(huán)境溫度、活動(dòng)強(qiáng)度對人體熱舒適度的影響規(guī)律，從人體熱舒適度的角度研究了高原低氣壓低溫環(huán)境對人體生理健康的影響。王延琦等［9］對急進(jìn)格爾木地區(qū)的試驗(yàn)人員進(jìn)行現(xiàn)場的生理指標(biāo)測試，并與往常指標(biāo)值對比分析其受高原環(huán)境的影響，證明了高原環(huán)境參數(shù)變化會明顯地影響人體的血氧飽和度、血壓、心率等生理響應(yīng)指標(biāo)。針對高海拔礦山井下環(huán)境調(diào)控技術(shù)，于跟波等［10］根據(jù)高原非煤礦山安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并研制了一套高原非煤礦井空氣環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對井下空氣環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。姚銀佩等［2］在當(dāng)前礦井通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查與測定的基礎(chǔ)上，分析了通風(fēng)系統(tǒng)存在的問題，提出了兩種可行的高海拔礦山通風(fēng)系統(tǒng)的改造方案。Aqueveque等［11］建立了一套高海拔礦山井下的監(jiān)測系統(tǒng)，并嵌置于井下作業(yè)人員的防護(hù)服內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境溫度、濕度和人體心電圖、呼吸率、體溫等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。李蓉蓉等［12］基于CFD模擬結(jié)果，觀察氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，并采用數(shù)值分析方法對比了壓入風(fēng)筒與掘進(jìn)面距離、供氧管與壓入風(fēng)筒水平距離及抽壓比3個(gè)因素中對氧氣分布影響最大的因素，有針對性地調(diào)整供氧方案。

綜上所述，目前關(guān)于保障高海拔礦山無軌運(yùn)輸駕駛員生理健康的研究較少，具體針對駕駛室環(huán)境開展調(diào)控研究也并不多見。因此，在解決高原惡劣環(huán)境對駕駛員的健康影響問題時(shí)，仍采用礦井加壓通風(fēng)、通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬仿真優(yōu)化、外部人工風(fēng)源預(yù)加熱等方法，但是，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)有的技術(shù)成果尚難以有效地改善井下車輛駕駛環(huán)境，為駕駛員提供健康適宜的工作場所［13］。針對以上問題，本項(xiàng)目以高海拔礦山無軌運(yùn)輸車輛駕駛員為研究對象，開展高海拔礦山井下作業(yè)人員生理響應(yīng)特性研究，設(shè)計(jì)研發(fā)駕駛室環(huán)境自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，以保障駕駛員工作環(huán)境安全、舒適、健康，為高海拔礦山安全運(yùn)輸提供指導(dǎo)。

1 人體生理響應(yīng)特性正交實(shí)驗(yàn)

通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)［14-16］，在高海拔環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)分別針對氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素對人體生理響應(yīng)指標(biāo)的影響進(jìn)行研究，測試和分析人體在不同因素模擬環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)生理響應(yīng)指標(biāo)參數(shù)的變化量，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，確定各測試生理響應(yīng)指標(biāo)與井下環(huán)境因素之間的影響大小。

1.1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

高海拔礦山井下惡劣環(huán)境正交實(shí)驗(yàn)考慮的環(huán)境因素有：氧分壓、溫度、濕度，通過正交實(shí)驗(yàn)分析在這3種環(huán)境因素復(fù)合作用下人體生理指標(biāo)的響應(yīng)情況。在劃分各因素水平時(shí)，考慮在環(huán)境氧分壓小于14.686 kPa（即海拔高于3 000 m）、環(huán)境溫度小于10℃、環(huán)境濕度小于35%RH時(shí)人體各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)變化較明顯進(jìn)行因素水平劃分，選取的人體生理響應(yīng)指標(biāo)為血氧飽和度、心率、體溫、血壓（包括收縮壓、舒張壓），根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合高海拔礦山實(shí)際情況，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣本的選擇

基于礦山生產(chǎn)勞動(dòng)者大多為中青年人群，加之實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制，所選用的實(shí)驗(yàn)者均為25～35歲的中青年。同樣地，選擇身體健康的受試人群，并在實(shí)驗(yàn)開始前對每一位受試者進(jìn)行全面的體檢，保證其身體健康后方可作為受試對象。經(jīng)過一系列的篩選后，確定了10名受試者，其中男性受試者8人，女性受試者2人。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在高海拔環(huán)境仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)艙內(nèi)進(jìn)行高海拔礦山井下復(fù)合環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)，檢查實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)所有環(huán)境監(jiān)測調(diào)控設(shè)備、人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備、跑步機(jī)等實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，并保證各項(xiàng)設(shè)備正常運(yùn)行。

（2）根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的9組環(huán)境工況，依次對10位受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間、保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，將10名受試者分為2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組包括4名男性受試者和1名女性受試者。

（3）在進(jìn)行第1次復(fù)合正交實(shí)驗(yàn)時(shí)，待第1組5位受試者全部進(jìn)入實(shí)驗(yàn)艙準(zhǔn)備就緒后，啟動(dòng)環(huán)境調(diào)控設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的氧分壓、溫度、濕度環(huán)境因素值設(shè)置到實(shí)驗(yàn)條件對應(yīng)數(shù)值，同時(shí)所有受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行慢跑，模擬工作狀態(tài)。

（4）待實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)到達(dá)設(shè)定工況并穩(wěn)定5 min后，采集每一位受試者的血氧飽和度、心率、體溫、血壓（收縮壓、舒張壓、平均壓）等生理機(jī)能數(shù)據(jù)，而后，每位受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行持續(xù)的慢跑運(yùn)動(dòng)，每間隔10 min采集1次數(shù)據(jù)，每人采集3組數(shù)據(jù)并分別取平均值后輸入電腦進(jìn)行記錄。

（5）待2個(gè)分組的受試者均完成第1次實(shí)驗(yàn)后，依照同樣的操作順序?qū)?個(gè)組的受試者依序進(jìn)行后續(xù)的8次實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過高海拔礦山井下環(huán)境復(fù)合影響正交實(shí)驗(yàn)，得到10名受試者在9次不同模擬環(huán)境條件下的生理響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。為了避免受試者個(gè)體差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，同時(shí)考慮到統(tǒng)計(jì)分析過程的數(shù)據(jù)類型需求，對10名受試者在正交實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)測試結(jié)果分別取平均值，以便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究分析。各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和相關(guān)性分析，可以得到各環(huán)境因素對人體生理響應(yīng)指標(biāo)的影響規(guī)律以及各環(huán)境因素對人體生理健康的影響主次排序。

利用正交實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分布均衡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有綜合可比性的特性，選用極差分析法分析氧分壓、溫度、濕度3種環(huán)境因素對人體的血氧飽和度、心率、體溫、血壓（收縮壓、舒張壓）幾種生理響應(yīng)指標(biāo)的影響大小［14］。

圖1～圖5為3種環(huán)境因素對人體各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)的影響趨勢分布圖，圖中P1～P3、T1～T3、R1～R3分別代表氧分壓、溫度、濕度的3個(gè)水平值。

各環(huán)境因素對人體生理響應(yīng)指標(biāo)的極差排序見表3。

從各環(huán)境因素對人體生理響應(yīng)指標(biāo)影響的分布圖和極差排序表可以看出：①對于人體收縮壓和舒張壓，血壓受氧分壓的影響最大，其次為溫度，受環(huán)境濕度變化的影響最小；②各環(huán)境因素對血氧飽和度和心率的影響排序一致，順序?yàn)檠醴謮海緶囟龋緷穸?；③人體體溫受環(huán)境溫度的影響較大，其次為氧分壓，最后為濕度。

因此，在高海拔高寒礦山井下工作環(huán)境中，高、寒、旱均會影響作業(yè)人員的各項(xiàng)生理指標(biāo)，但是影響程度不一，其中以氧分壓的影響最大，溫度影響次之，同時(shí)，雖然濕度對各項(xiàng)生理指標(biāo)影響均較小，但也不容忽視。

2 高海拔礦山車輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)

上述實(shí)驗(yàn)指明了高海拔礦山車輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的具體調(diào)控指標(biāo)，為研發(fā)高海拔礦山車輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)提供了理論指導(dǎo)。設(shè)計(jì)的高海拔礦區(qū)無軌運(yùn)輸車輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)本著高可靠性、高精確性、高耐用性的原則［17］，由各功能模塊及控制系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合來完成，設(shè)計(jì)的駕駛室自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如圖6所示。

系統(tǒng)主要由監(jiān)測模塊、環(huán)境調(diào)控模塊、集控顯示模塊、信號傳遞模塊、供電及電力模塊5個(gè)部分組成。監(jiān)測模塊包括：人體機(jī)能檢測模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊，主要功能為監(jiān)測駕駛員身體機(jī)能數(shù)據(jù)以及駕駛室各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)。環(huán)境調(diào)控模塊包括：氧分壓調(diào)控模塊、溫度調(diào)控模塊、濕度調(diào)控模塊，主要功能是調(diào)控駕駛室內(nèi)的環(huán)境，為駕駛員提供健康舒適的工作環(huán)境。集控顯示模塊作為系統(tǒng)核心部件，主要功能為接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、反饋數(shù)據(jù)、控制各模塊工作狀態(tài)。信號傳遞模塊主要指基于2.4 GHz的無線傳輸模塊，負(fù)責(zé)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的接受和上傳。供電及電力模塊包括：電源模塊、繼電器模塊等，為系統(tǒng)所有的部件供電，保證系統(tǒng)電路的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2.1 監(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測主要依靠“健康手環(huán)”來完成，其構(gòu)造如圖7所示，該模塊內(nèi)的生理響應(yīng)指標(biāo)檢測模塊利用PPG光電容描記法根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔測量人體的血氧飽和度、心率、體溫、血壓值，并可在其顯示屏上實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，可通過兼容型多功能按鈕切換不同的指標(biāo)顯示。與此同時(shí)，其利用內(nèi)置的Dialog藍(lán)牙芯片將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至車內(nèi)的集控顯示模塊進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理利用。

系統(tǒng)中所需監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)有駕駛室氧分壓、溫度以及濕度，通過對比分析，分別選用適用于高海拔低溫低壓環(huán)境工作的傳感器。其中氧分壓和溫度的監(jiān)測選用LuminOx熒光學(xué)氧氣傳感器，利用串口轉(zhuǎn)換器配合完成氧分壓和溫度數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳感器如圖8所示。駕駛室濕度的監(jiān)測選用的HM1500LF型濕度傳感器，該傳感器專門適用于對于環(huán)境濕度監(jiān)測值精度要求較高的場所，其實(shí)物圖如圖9所示。

2.2 環(huán)境調(diào)控模塊

（1）氧分壓調(diào)控（制氧及供氧）模塊。選取高分子膜分離式高原車載制氧機(jī)實(shí)現(xiàn)氧分壓調(diào)控［19-20］，該制氧機(jī)如圖10所示，其外形尺寸為280 mm（長）×128 mm（寬）×178 mm（高），重量為6 kg，滿足合理空間尺度原理的要求，外殼材質(zhì)為Q235冷扎板，具有較好的穩(wěn)固性。制備的氧氣濃度為30%，為醫(yī)學(xué)界認(rèn)定的安全吸氧濃度，制備氧量為8 L/min。研究表明正常人體在空氣中氧氣濃度為21%的環(huán)境時(shí)，每次吸入空氣量約500 mL，按每分鐘呼吸16次計(jì)算，即每分鐘吸入9 L氧氣濃度為21%的空氣，所以該制氧機(jī)的供氧量足以維持人體正常的生理需求。

（2）溫度、濕度調(diào)控模塊。在設(shè)計(jì)溫度調(diào)控模塊時(shí)，考慮到現(xiàn)有的無軌運(yùn)輸車輛都配置有空調(diào)系統(tǒng)，可通過改造將其充分利用，在實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控需求的同時(shí)，又能節(jié)省開發(fā)成本。在高海拔高寒礦山井下作業(yè)時(shí)，高溫的環(huán)境影響較少，更多為低溫影響，所以溫度調(diào)控模塊一般處于制熱工作狀態(tài)。濕度調(diào)控模塊主要是在駕駛室環(huán)境濕度不能滿足駕駛員正常生理響應(yīng)指標(biāo)時(shí)對駕駛室的環(huán)境濕度進(jìn)行調(diào)控，由于高海拔礦山井下環(huán)境濕度一般都較小，所以此處不考慮除濕，選用高速離心霧化加濕機(jī)迅速增大駕駛室內(nèi)濕度，除濕機(jī)如圖11所示。

2.3 集控顯示模塊

集控顯示模塊在系統(tǒng)中為核心部件，需進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示，選用菲尼克斯的BL PPC12工業(yè)面板式PC進(jìn)行嵌入式開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)上述所需功能。BL PPC12工業(yè)平板如圖12所示，其具有高I/Q容量，設(shè)有多種類型的數(shù)據(jù)接口，能夠滿足各類型數(shù)據(jù)的接入。

針對集控顯示模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能，借助Lab-VIEW軟件進(jìn)行功能程序的編寫，具體闡述如下：

（1）數(shù)據(jù)采集。在軟件方面，利用LabVIEW編寫采集程序，具體采用狀態(tài)機(jī)模型編寫［21］。按設(shè)定的時(shí)間間隔采集由人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測模塊檢測到的駕駛員生理數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測模塊監(jiān)測到的駕駛室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。硬件方面，因?yàn)轳{駛員生理數(shù)據(jù)是由手環(huán)通過藍(lán)牙傳輸?shù)模栽陂_發(fā)時(shí)必須內(nèi)置藍(lán)牙模塊。駕駛室氧分壓和溫度監(jiān)測模塊傳輸數(shù)據(jù)格式為3.3 V TTL，濕度監(jiān)測模塊傳輸數(shù)據(jù)格式為5 V TTL，所以需配置響應(yīng)的數(shù)據(jù)接口。此外考慮到設(shè)備的功能可擴(kuò)展性，額外配置幾項(xiàng)其他數(shù)據(jù)接口。

（2）數(shù)據(jù)處理與調(diào)整。當(dāng)某位駕駛員上車后，車內(nèi)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，駕駛員手環(huán)與車內(nèi)集控顯示模塊通過藍(lán)牙連接，連接成功后，設(shè)備自動(dòng)從系統(tǒng)讀取該駕駛員的健康體檢數(shù)據(jù)，并分別設(shè)置其各生理響應(yīng)指標(biāo)正常范圍。在接收到人體生理響應(yīng)指標(biāo)檢測模塊傳輸?shù)鸟{駛員生理數(shù)據(jù)時(shí)，與該駕駛員在系統(tǒng)中的健康體檢數(shù)據(jù)比對，若不在設(shè)定范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算出能夠使駕駛員生理響應(yīng)指標(biāo)處于正常范圍的環(huán)境參數(shù)范圍，而后與環(huán)境監(jiān)測模塊傳輸?shù)鸟{駛室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，若某一項(xiàng)環(huán)境參數(shù)不在范圍內(nèi)，控制相應(yīng)的環(huán)境調(diào)控模塊開始工作，調(diào)控各環(huán)境參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)定的正常范圍的環(huán)境參數(shù)范圍。如若各環(huán)境參數(shù)在設(shè)置范圍內(nèi)，而駕駛員的生理響應(yīng)指標(biāo)不在其健康體檢范圍內(nèi)時(shí)，需對駕駛員進(jìn)行重新體檢，更新其健康數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)顯示。根據(jù)人機(jī)交互所要求的交互界面美觀和操作邏輯完善的原則［21-22］，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過在用戶界面實(shí)時(shí)顯示駕駛員的生理機(jī)能數(shù)據(jù)、駕駛室的環(huán)境參數(shù)以及系統(tǒng)內(nèi)各調(diào)控設(shè)備的工作狀態(tài)使駕駛員能夠及時(shí)掌握運(yùn)輸系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境的協(xié)調(diào)安全狀況，同時(shí)當(dāng)有數(shù)據(jù)異?；蛟O(shè)備異常時(shí)，會通過界面對駕駛員進(jìn)行報(bào)警。交互界面如圖13所示。

3 結(jié) 論

項(xiàng)目以保障高海拔礦山無軌運(yùn)輸駕駛員身體健康為目的，在調(diào)研大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過理論分析、實(shí)驗(yàn)測試、軟硬件研發(fā)等方法，開展高海拔礦山無軌運(yùn)輸駕駛員安全保障技術(shù)研究，主要有以下結(jié)論：

（1）通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)在高海拔環(huán)境模擬艙內(nèi)開展高海拔人體生理響應(yīng)研究，基于極差分析，得到氧分壓、溫度、濕度對人體機(jī)能的影響大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧分壓、溫度、濕度均會影響作業(yè)人員的各項(xiàng)生理指標(biāo)，但是影響程度不一，其中以氧分壓的影響最大，溫度影響次之，雖然濕度對各項(xiàng)生理指標(biāo)影響均較小，但是也是不容忽視的。

（2）通過軟硬件設(shè)計(jì)選取，建立了集駕駛員身體機(jī)能監(jiān)測、駕駛室環(huán)境監(jiān)測、駕駛室環(huán)境調(diào)控、信息設(shè)備集控顯示于一體的高海拔礦山車輛駕駛室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對高海拔礦山車輛駕駛環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和科學(xué)調(diào)控，對于保障駕駛員工作環(huán)境安全舒適、駕駛員身體機(jī)能健康具有重要意義。