張聰瑞 楊旭春 王樹勛 黃 剛

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430020；2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京100038）

隨著平原地區(qū)礦產(chǎn)資源進(jìn)入深部開采以及我國“一帶一路”戰(zhàn)略的加快推進(jìn)［1-2］，我國礦業(yè)亦將逐步向高海拔區(qū)域發(fā)展［3-4］。然而，運輸系統(tǒng)作為聯(lián)系礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的動脈，高海拔條件下，礦山運輸系統(tǒng)所處的環(huán)境低溫、低壓、低氧等特殊氣候條件，將直接導(dǎo)致井下作業(yè)人員身體機(jī)能下降、耗氧機(jī)械功率降低和設(shè)備尾氣污染物增加［5-7］，同時，低溫、低氣壓環(huán)境也使得傳統(tǒng)監(jiān)測感知設(shè)備無法正常工作，導(dǎo)致礦山企業(yè)無法實時掌握運輸環(huán)境狀態(tài)，進(jìn)而采取安全保障措施。因此，在國家戰(zhàn)略和行業(yè)發(fā)展均有極大需求的大背景下，開展高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知技術(shù)研究刻不容緩。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)礦山運輸環(huán)境的實時感知得以實現(xiàn)［8-10］。結(jié)合智能采礦、綠色礦山行業(yè)發(fā)展趨勢，構(gòu)建高效的高海拔礦山安全感知平臺、建立礦山安全感知保障體系十分迫切［11-13］。針對礦山井下運輸環(huán)境感知技術(shù)，國內(nèi)外專家學(xué)者展開了大量研究：李騰飛［14］提出了一種煤礦信息全面感知與智慧決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)由膠囊網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)傳輸層和云服務(wù)層組成；湯海龍［15］提煉出建設(shè)智慧礦山的4項關(guān)鍵技術(shù):泛在網(wǎng)絡(luò)、智能感知、基于SOA架構(gòu)DDS規(guī)范的數(shù)據(jù)倉庫、實時數(shù)據(jù)流的大數(shù)據(jù)流式計算；張達(dá)［16］引入物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套地壓安全監(jiān)測與分析一體化的解決方案；劉統(tǒng)玉［17］提出采用光纖傳感器與無線傳感器構(gòu)建煤礦人、機(jī)、環(huán)多維度、多參數(shù)、大容量監(jiān)測系統(tǒng)；但以上研究主要是依托于低海拔礦山開展，針對高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知目前研究較少，通過文獻(xiàn)調(diào)研和現(xiàn)場咨詢，高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知存在難題主要表現(xiàn)為感知手段傳統(tǒng)單一、感知設(shè)備難以適應(yīng)低溫低壓環(huán)境、感知數(shù)據(jù)井下高效交互傳輸困難等。

針對以上問題，項目以高海拔礦山井下運輸環(huán)境為研究對象，以降低事故風(fēng)險和保障運輸安全為目的，在調(diào)研大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過理論分析、室內(nèi)測試、硬件設(shè)計、軟件開發(fā)等方法，開展高海拔礦山井下運輸環(huán)境風(fēng)險感知技術(shù)研究，研發(fā)適合于低溫低壓環(huán)境下實時監(jiān)測復(fù)雜運輸環(huán)境的感知裝置，并通過開展高海拔環(huán)境模擬艙適應(yīng)性測試以保證研發(fā)成果的可行，為高海拔礦山井下運輸安全保駕護(hù)航。

1 高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置研發(fā)

高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置研發(fā)架構(gòu)如圖1所示，裝置主要由空氣環(huán)境測量模塊、信號面板、應(yīng)力變形測量模塊、振弦式傳感器讀數(shù)模塊、PCB電路板、集成采集處理終端、數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成。集成采集處理終端選用支持嵌入式開發(fā)技術(shù)的NI sbRIO開發(fā)板，其中空氣環(huán)境測量模塊所采集到的數(shù)據(jù)類型為模擬量信號，可通過信號面板直接接入開發(fā)板；應(yīng)力變形模塊則通過固定于PCB板上的振弦式傳感器讀數(shù)模塊完成振弦式傳感器的激勵與數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)而接入開發(fā)板；數(shù)據(jù)傳輸模塊支持2.4G無線通訊和基于TCP/IP協(xié)議有線通訊2種方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)井下交互通信和上傳數(shù)據(jù)中心功能。研發(fā)成功的高海拔礦山井下運輸感知裝置實物圖如圖2所示，其性能指標(biāo)如表1所示。

1.1 硬件組成

（1）NI sbRIO開發(fā)板。開發(fā)主板的性能指標(biāo)直接影響高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置能否正常工作，通過調(diào)研，選取支持低壓、低溫運行環(huán)境的NI sbRIO開發(fā)板作為高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置嵌入式開發(fā)內(nèi)核。該開發(fā)板基于FPGA運行，易于設(shè)計、編程和定制，用于控制傳感器、采集和傳輸數(shù)據(jù)。

（2）傳感器模塊。根據(jù)高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置設(shè)計思路，該裝置采集數(shù)據(jù)類型主要包括井下空氣環(huán)境質(zhì)量和巷道圍巖變形情況，因此傳感器模塊分為空氣環(huán)境測量模塊和應(yīng)力變形測量模塊。經(jīng)過廣泛調(diào)研，特別考慮高海拔礦山低溫低壓環(huán)境特點，選用合適的各類型氣體傳感器用于感知井下運輸環(huán)境空氣質(zhì)量，選用振弦式鉆孔應(yīng)力計和多點位移計用于感知巷道圍巖變形。選用的傳感器

實物圖如圖3～圖5所示。

（3）振弦式傳感器讀數(shù)模塊和PCB板。通過研究振弦式傳感器激勵方式和傳感原理［18-20］，選用振弦式傳感器讀數(shù)模塊用于激勵并讀取應(yīng)力變形測量模塊包括的振弦式傳感器。該模塊支持多種激勵方式，可將頻率值轉(zhuǎn)化為電流或電壓模擬信號輸出，并適用于低溫低壓環(huán)境，滿足高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置使用要求，其實物圖如圖6所示。PCB板則用于支撐振弦式傳感器讀數(shù)模塊并提供符合其正常工作的電氣化指標(biāo)，各振弦式傳感器讀數(shù)模塊采用并聯(lián)方式供電并通過插拔式方法固定安裝于PCB板上，易于更換且不會因為某一振弦式傳感器讀數(shù)模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致其他讀數(shù)模塊無法工作，性能穩(wěn)定且容錯率高。PCB板布局如圖7所示。

（4）數(shù)據(jù)傳輸模塊?？紤]高海拔礦山井下低溫低壓環(huán)境特點，同時分析高海拔礦山井下數(shù)據(jù)交互量大小、通信速率要求、通信環(huán)境干擾性等要素，選用尺寸小、數(shù)據(jù)傳輸速率高的WiFi 2.4GHz模塊用于和井下車輛駕駛室健康環(huán)境自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)通信，如圖8所示。高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置同時支持TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)有線傳輸，可通過RJ45接口并入礦山井下光纖環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)井下組網(wǎng)和上傳數(shù)據(jù)中心。

1.2 軟件開發(fā)

高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置軟件部分利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行編程［21-23］。開發(fā)的軟件具有人性化特點，軟件界面簡潔直觀，可實現(xiàn)對不同類型的氣體傳感器和應(yīng)力變形傳感器的配置和調(diào)試，同時具備對任一傳感器喚醒與關(guān)閉的控制功能，保證多通道多傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)耐椒€(wěn)定，具有操作簡便、響應(yīng)快速的特點。軟件主要包括以下模塊。

（1）UI設(shè)計。用戶界面是軟件和用戶交互的主要界面，這關(guān)系到軟件的使用效率。監(jiān)測主界面如圖9所示，該界面主要體現(xiàn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測人員可以輕松讀取各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。

（2）配置模塊。傳感器采集的數(shù)據(jù)一般是需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換成常見的監(jiān)測數(shù)值，本裝置選用的部分傳感器的轉(zhuǎn)換公式如表2所示。傳感器配置工作主要包括通道選擇、傳感器類別選擇、計算公式類型的選擇、公式參數(shù)的輸入等信息。

（3）采集模塊。采集模塊主要實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。數(shù)據(jù)采集主要針對模擬信號，此部分功能采用狀態(tài)機(jī)形式編寫，部分代碼如圖10所示。在采集到原始數(shù)據(jù)后，需要根據(jù)標(biāo)定公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，圖11所示為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分代碼。

（4）數(shù)據(jù)存儲模塊。在數(shù)據(jù)采集處理完成后，需要將數(shù)據(jù)保存至本地MySQL數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)中心的MySQL數(shù)據(jù)庫中，通過LabVIEW的自帶Database函數(shù)，配置DSN包括主機(jī)名、端口和數(shù)據(jù)庫名稱連接至本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫，運用通用sql語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪查改功能，部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲代碼如圖12所示。

（5）數(shù)據(jù)回放模塊。為了查看歷史數(shù)據(jù)，本程序設(shè)計了數(shù)據(jù)回放功能，包括一個用戶顯示數(shù)據(jù)曲線的圖表，選定查詢時間間隔、顯示方式和文件路徑，點擊查詢即可實現(xiàn)。

2 高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置適應(yīng)性測試

為驗證研發(fā)的高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置能否適應(yīng)于低溫、低壓環(huán)境，裝置研發(fā)過程中在高海拔環(huán)境模擬艙開展了2次適應(yīng)性測試。高海拔環(huán)境模擬艙用于模擬大氣環(huán)境在一定海拔情況下的壓力、溫度環(huán)境情況，最高模擬海拔高度在出廠時可定制［24］。

2.1 主體硬件模塊在高海拔環(huán)境模擬艙中適應(yīng)性測試

由于選取的各模塊其生產(chǎn)廠家均已進(jìn)行低溫測試，支持-40～80℃溫度范圍內(nèi)正常工作，因此后續(xù)測試不再進(jìn)行低溫適應(yīng)性測試。本次測試主要針對振弦傳感器讀數(shù)模塊、空氣氧含量傳感器、多點位移計、土壓力計、鉆孔應(yīng)力計等硬件開展，測試了其工作性能從海拔高度1 000～5 000 m過程中的變化情況。測試時高海拔環(huán)境模擬艙的模擬海拔高度以每次1 000 m的速率升高，并在達(dá)到1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m時分別保持1 h，以留足時間觀察各硬件模塊工作性能是否變化。高海拔環(huán)境模擬艙如圖13所示，各硬件模塊模擬艙測試如圖14所示。

結(jié)果表明，高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置選取的振弦傳感器讀數(shù)模塊、空氣氧含量傳感器、多點位移計、土壓力計、鉆孔應(yīng)力計從海拔高度1 000～5 000 m過程中，性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)傳感器失靈、讀數(shù)異常等情況，初步確定了振弦傳感器讀數(shù)模塊、空氣氧含量傳感器、多點位移計、土壓力計、鉆孔應(yīng)力計適用于高海拔環(huán)境。

2.2 感知裝置在高海拔環(huán)境模擬艙中適應(yīng)性測試

在高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置研發(fā)成功后，在高海拔環(huán)境模擬艙開展適應(yīng)性測試實驗，驗證其性能在低壓環(huán)境下是否穩(wěn)定。

具體測試過程如下：采用220 V DC對高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置供電，并連接振弦式多點位移計，通過改變振弦式多點位移計測桿長度測試感知裝置采集數(shù)據(jù)的實時性、靈敏性、真實性。選用的振弦式傳感器量程為30 mm，在高海拔環(huán)境模擬倉達(dá)到2 000 m、3 000 m、4 000 m、5 000 m海拔高度時均進(jìn)行3組測試，每組進(jìn)行7次測試，測試范圍為0～30 mm，相鄰測試之間測桿長度相隔5 mm。高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置模擬艙測試如圖15所示，各海拔高度時的測量值及其線性擬合如圖16所示。

測試結(jié)果表明，高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置在海拔逐步升高至5 000 m過程中，各通道能夠正確實時采集傳感器數(shù)據(jù)，誤差不超過1 mm，證明了高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置能靈敏正確地感知到測桿長度的變化，同時各組測試線性度良好，符合測試規(guī)律；進(jìn)而也論證了高海拔礦山運輸環(huán)境感知裝置軟硬件配合穩(wěn)定，整體性能良好，滿足高海拔條件下的設(shè)備性能要求。

3 結(jié) 論

項目以保障高海拔礦山井下運輸安全為目的，開展了高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知技術(shù)研究，具體有以下結(jié)論：

（1）為實現(xiàn)實時全方位感知運輸環(huán)境狀況，研究了嵌入式開發(fā)主板、氣體傳感器、力學(xué)傳感器、振弦式傳感器讀數(shù)模塊、無線傳輸模塊、PCB板等硬件的工作原理和性能指標(biāo)，選取了適用于高海拔礦山低溫、低壓環(huán)境的硬件模塊，研發(fā)了高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置；基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和多傳感器控制理論開發(fā)了高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置軟件控制程序，實現(xiàn)了多類型傳感器的配置和調(diào)試、數(shù)據(jù)存儲和回放功能。

（2）在裝置研發(fā)過程中開展了2次高海拔環(huán)境模擬艙適應(yīng)性測試，測試結(jié)果表明研發(fā)的高海拔礦山井下運輸環(huán)境感知裝置性能穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計要求，能夠適用于高寒環(huán)境。