杜素忠 張錄彬 周耀東 周碧輝

(萬(wàn)寶礦產(chǎn)有限公司蒙育瓦銅礦)

露天礦一般采用汽車、破碎站、皮帶等結(jié)合的運(yùn)輸體系，包括卡車、挖機(jī)、鏟車、鉆機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、灑水車、加油車等工程車輛及其他普通礦用車輛運(yùn)行[1]，道路交通安全是露天礦山安全管理重要內(nèi)容之一[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅疲勞駕駛導(dǎo)致的安全事故就占到露天礦交通事故的65%以上。提高安全駕駛管理力度，有利于提升礦山交通安全管理水平。

近年來(lái)，露天礦山輔助安全駕駛相關(guān)研究報(bào)道主要集中在防疲勞、防碰撞等算法、設(shè)備或應(yīng)用介紹等方面。比如，Max Martell[3]介紹了不安全駕駛成因和一些管理措施，丁建國(guó)、魏嘯東[4]介紹了露天煤礦疲勞駕駛警示系統(tǒng)的應(yīng)用,Donna Schmidt[5]對(duì)比介紹了疲勞監(jiān)視監(jiān)測(cè)的方法和設(shè)備，包括班前評(píng)估、環(huán)境評(píng)估、監(jiān)測(cè)頭套、智能手環(huán)等。其中，完整論述露天礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成應(yīng)用的報(bào)道較為有限。同時(shí)，海外露天礦山在信息安全、數(shù)據(jù)共享和異構(gòu)系統(tǒng)接口等方面[6]要求較高，而駐在國(guó)屬地化條件[7]進(jìn)一步提高了海外礦山構(gòu)建輔助安全駕駛系統(tǒng)的難度。

蒙育瓦銅礦結(jié)合海外露天金屬礦山實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了露天礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)，并采用2種不同設(shè)備和集成方法在所屬礦山進(jìn)行了測(cè)試、應(yīng)用、推廣和對(duì)比，在提高自身安全生產(chǎn)管理水平同時(shí)，可為海外露天礦山道路交通安全管理和數(shù)字化建設(shè)提供參照。

1 系統(tǒng)目標(biāo)

蒙育瓦銅礦位于緬甸石皆省境內(nèi)，包含L礦、K礦、S礦、S南礦4個(gè)礦段[8]，因股權(quán)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)組織方式不同，分為L(zhǎng)礦和S & K礦2個(gè)大型礦山項(xiàng)目運(yùn)行。項(xiàng)目覆蓋地、采、選、冶全流程，總占地面積超過(guò)50 km2，2019年采剝總量超過(guò)1.5億t。

作為大型露天金屬礦山，L礦和S & K礦各自保有礦用工程車輛超過(guò)150臺(tái)、普通礦用車輛約200臺(tái)，運(yùn)系龐大、路況復(fù)雜。根據(jù)“大部分交通安全事故是由駕駛員錯(cuò)誤行為引起的”理論[9]，道路交通安全風(fēng)險(xiǎn)隨汽車和駕駛員數(shù)量增加而增大。

露天礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)目的是利用安裝在汽車上的傳感器和人機(jī)接口，監(jiān)測(cè)和分析駕駛員超速駕駛、疲勞駕駛、不規(guī)范駕駛等行為，實(shí)時(shí)向駕駛員及管理者預(yù)警，輔助提高礦山車輛駕駛安全性。表1列舉了部分監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

表1 輔助安全駕駛監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要采用基于駕駛員圖像采集和分析方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，形成圖1中數(shù)據(jù)采集層、交互傳輸層和分析處理層組成的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集層指安裝在車輛上的設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)視、收集駕駛員狀況，進(jìn)行前端分析。安裝在車輛上的衛(wèi)星導(dǎo)航天線實(shí)現(xiàn)速度和位置跟蹤；監(jiān)測(cè)傳感器采集車輛和駕駛員信息；車載計(jì)算機(jī)分析和處理采集的信息后，通過(guò)監(jiān)視傳感器向駕駛員發(fā)出預(yù)警；車載客戶前置設(shè)備(Customer Premise Equipment,CPE)用于數(shù)據(jù)采集層和分析處理層之間的雙向數(shù)據(jù)交互。蒙育瓦銅礦主要采用圖2中基于圖像分析的監(jiān)測(cè)傳感器。

圖2 基于圖像分析的監(jiān)測(cè)原理

(2)傳輸交互層是數(shù)據(jù)采集層和分析處理層之間雙向數(shù)據(jù)交互的通道。蒙育瓦銅礦通過(guò)部署基于長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(Long Term Evolution,LTE)[10]的通信基站，組成圖3露天金屬礦山私有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(Internet of Things,IoT)[11]，通過(guò)LTE與CPE之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通道，滿足生產(chǎn)相關(guān)移動(dòng)及遠(yuǎn)距離、離散式設(shè)施設(shè)備與礦區(qū)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通需要，數(shù)據(jù)通信覆蓋廣泛、傳輸安全、鏈路可靠，信息可多維多級(jí)共享。

圖3 私有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(3)分析處理層包括數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、后臺(tái)軟件和客戶端，以及其他需要與輔助安全駕駛系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的信息系統(tǒng)。安裝在服務(wù)器上的后臺(tái)軟件一方面向數(shù)據(jù)采集層下達(dá)監(jiān)測(cè)和預(yù)警要求，一方面接收數(shù)據(jù)采集層反饋的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警結(jié)果，保留相應(yīng)記錄，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析；調(diào)度和監(jiān)控人員通過(guò)客戶端，可連接后臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作和數(shù)據(jù)獲取。另外，不同系統(tǒng)間通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)和定制化接口實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互，滿足各方需要。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集層及后臺(tái)軟件是系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。對(duì)比國(guó)內(nèi)、外相關(guān)不同產(chǎn)品特性和應(yīng)用情況，蒙育瓦銅礦選定具有行業(yè)代表性的Care-drive公司圖像分析監(jiān)測(cè)傳感器作為礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層設(shè)備。其中，L礦選用傳統(tǒng)MR688，S & K礦選用最新MR800作為主要設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用情況具有橫向?qū)Ρ忍攸c(diǎn)。

3.1 MR688方案

MR688是一種具有視頻監(jiān)測(cè)和圖像分析功能的紅外像機(jī)，能夠?qū)︸{駛員面部監(jiān)測(cè)、分析，實(shí)現(xiàn)防疲勞預(yù)警。MR688借用L礦現(xiàn)有卡車調(diào)度系統(tǒng)[12]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成應(yīng)用。

原有卡車調(diào)度系統(tǒng)配置有全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)天線、windows車載電腦、CPE終端和車載電源，主要對(duì)采礦工程車輛進(jìn)行調(diào)度、跟蹤和管理，有超速預(yù)警功能。車輛安裝MR688后，通過(guò)RS232方式與車載電腦連接，從車載電腦獲取當(dāng)前行駛速度，并根據(jù)速度和疲勞監(jiān)測(cè)分析情況，發(fā)出防疲勞預(yù)警、抓拍實(shí)時(shí)圖片；數(shù)據(jù)經(jīng)車載電腦上傳至后臺(tái)軟件。系統(tǒng)連接和數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于MR688的實(shí)現(xiàn)方案

方案中后臺(tái)軟件和客戶端功能基于原有卡車調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行定制開發(fā)實(shí)現(xiàn)，可接收前端報(bào)警，通知調(diào)度管理人員，定制開發(fā)軟件具備表2操作功能。

表2 卡車調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)功能

MR688預(yù)警參數(shù)可在數(shù)據(jù)采集層設(shè)置，也可在所開發(fā)的軟件中設(shè)置。MR688與車載電腦間的數(shù)據(jù)傳輸采用16進(jìn)制固定通信報(bào)文格式實(shí)現(xiàn)。

3.2 MR800方案

完整的MR800硬件設(shè)備包括了北斗/GPS天線、Linux車載計(jì)算機(jī)(HOST)、駕駛員監(jiān)控和分析相機(jī)(DWS Camera)、前向防碰撞監(jiān)測(cè)與分析相機(jī)(ADAS Camera)、周介行車監(jiān)視相機(jī)(Third Camera)。S & K礦實(shí)施過(guò)程中，選配了MR800的HOST和DWS Camera，北斗/GPS天線配置根據(jù)應(yīng)用情況做了區(qū)分。

后臺(tái)軟件和客戶端方面，開發(fā)了輔助安全監(jiān)視系統(tǒng)專有后臺(tái)軟件和客戶端，具備與卡車調(diào)度系統(tǒng)和其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口的能力，實(shí)現(xiàn)礦用工程車輛和普通礦用車輛的輔助安全駕駛監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

(1)礦用工程車輛。S & K礦所有礦用工程車輛均已納入卡車調(diào)度系統(tǒng)管理。因此，具體使用MR800時(shí)，連接和數(shù)據(jù)處理如圖5所示：MR800的HOST通過(guò)RJ-45網(wǎng)線接入車載CPE，與卡車調(diào)度系統(tǒng)車載電腦實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通，接收車載電腦發(fā)送的當(dāng)前速度和位置信息；DWS Camera時(shí)刻監(jiān)視駕駛員狀態(tài)，并根據(jù)速度和監(jiān)測(cè)分析情況發(fā)出預(yù)警，抓拍實(shí)時(shí)圖片和短時(shí)錄像；監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)通過(guò)HOST和私有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)上傳；后臺(tái)軟件接收超速、疲勞和不規(guī)范駕駛等監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警信息，監(jiān)控和調(diào)度管理員通過(guò)客戶端可接收預(yù)警并作出響應(yīng)；卡車調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口，可獲取礦用工程車輛預(yù)警信息。

圖5 基于MR800的工程車輛實(shí)現(xiàn)方案

(2)普通礦用車輛。S&K礦普通礦用車輛使用MR800時(shí)，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和安裝與礦用工程車輛基本相同，區(qū)別在于：第一，為車輛單獨(dú)安裝北斗/GPS雙模天線，用于獲取車輛速度和位置信息；第二，卡車調(diào)度系統(tǒng)不讀取后臺(tái)軟件數(shù)據(jù)，但后臺(tái)軟件仍保留了與其他系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)接口。具體如圖6所示。

圖6 基于MR800的普通車輛實(shí)現(xiàn)方案

(3)后臺(tái)軟件和客戶端。MR800實(shí)現(xiàn)方案中，專用后臺(tái)軟件和客戶端具備更強(qiáng)的獨(dú)立性、完整性、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，在實(shí)現(xiàn)礦區(qū)車輛輔助安全駕駛管理同時(shí)，可按需擴(kuò)展系統(tǒng)功能，不影響其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行。S&K礦將后臺(tái)軟件部署在企業(yè)私有云平臺(tái)[13]，更適于異構(gòu)系統(tǒng)集成。后臺(tái)軟件功能見表3。

表3 后臺(tái)軟件功能

3.3 應(yīng)用分析

受數(shù)據(jù)采集層設(shè)備功能、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、后臺(tái)軟件和客戶端等限制，MR688和MR800方案各有特點(diǎn)，表4對(duì)上述2種方案進(jìn)行了對(duì)比分析。其中，MR688更適合疲勞駕駛監(jiān)測(cè)和預(yù)警，單獨(dú)安裝和應(yīng)用情況較普遍，費(fèi)用投入少；如需實(shí)現(xiàn)集成目標(biāo)，則必須考慮適合的北斗/GPS天線、車載電腦和后臺(tái)軟件的具體實(shí)現(xiàn)，投入可能超出MR800集成費(fèi)用；MR800更適合超速、疲勞、不規(guī)范駕駛等多種監(jiān)測(cè)和預(yù)警，可以單獨(dú)或集成安裝使用。

表4 MR688和MR800方案對(duì)比

蒙育瓦銅礦統(tǒng)計(jì)表明，L礦采用的MR688方案全年可降低道路交通安全事故40%左右，S&k礦采用的MR800方案全年可降低道路交通安全事故50%以上；因道路交通安全提升帶動(dòng)車輛完好率和利用率提高1%～2%，重大事故發(fā)生頻次顯著降低。

4 結(jié) 論

采用本研究提出的海外露天礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)，能夠快速構(gòu)建系統(tǒng)，有效減少駕駛員危險(xiǎn)行為，提升礦山道路交通安全水平，提高設(shè)備完好率、利用率和生產(chǎn)效率，滿足海外數(shù)字礦山建設(shè)和發(fā)展需要，對(duì)海外露天礦山生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理具有重要意義。同時(shí)，蒙育瓦銅礦應(yīng)用對(duì)比表明，在基本設(shè)計(jì)框架下，本研究所提2種代表性實(shí)現(xiàn)方法各有特點(diǎn)，可以作為海外露天礦山輔助安全駕駛系統(tǒng)建設(shè)的參照。