宋兆雪 陳安明 趙青山

（兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

煤礦信息化建設(shè)從綜合自動(dòng)化、數(shù)字化向智能化、智慧化發(fā)展，通過(guò)在井下安裝不同類(lèi)型的環(huán)境、設(shè)備的感知和計(jì)算設(shè)備形成智能環(huán)境[1]，地面也融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成了重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)。但是，在煤礦智能化的過(guò)程中，作為主體的人卻很少被涉及，井下人員之間、井下人員與地面人員之間以及人員與重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，煤礦中人員遠(yuǎn)程交流需要通過(guò)有線電話或“井下小靈通”，無(wú)法做到實(shí)時(shí)聯(lián)通和全員覆蓋；各傳感器直接把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街卮鬄?zāi)害預(yù)警平臺(tái)中，井下人員卻無(wú)法獲取附近的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)中的數(shù)據(jù)也是發(fā)送給相關(guān)管理人員，不能發(fā)送到井下人員。

針對(duì)上述情況，兗州煤業(yè)開(kāi)發(fā)了煤礦井下人員智能化平臺(tái)，使人員加入到煤礦智能網(wǎng)絡(luò)中，幫助人員掌握周?chē)h(huán)境和設(shè)備的數(shù)據(jù)，為人員作業(yè)提供智能支持。煤礦井下人員智能化平臺(tái)分為礦用頭戴式可拆卸智能設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)礦用智能設(shè)備）和智能管理平臺(tái)兩部分。其中礦用智能設(shè)備提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、錄音、攝像、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示等功能；智能管理平臺(tái)是重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)的一部分，其接收重大災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)中數(shù)據(jù)并為硬件設(shè)備提供數(shù)據(jù)接口。

1 煤礦井下人員智能化平臺(tái)

（1）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）是一種在顯示設(shè)備中呈現(xiàn)真實(shí)環(huán)境并疊加由計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息的視覺(jué)技術(shù)，使用者既能直接看到現(xiàn)實(shí)環(huán)境，又能看到計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息，這些信息附加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境上，并隨著現(xiàn)實(shí)環(huán)境在視野中的變化（位置、角度、光照等）而變化[2-5]。通過(guò)礦用智能設(shè)備的AR 顯示功能，井下人員既能直接看到真實(shí)的工作場(chǎng)景，又能看到當(dāng)前工作場(chǎng)景中的環(huán)境信息（瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度等）和設(shè)備信息，達(dá)到在不影響視野的情況下，為使用人員提供可視化智能信息。

（2）人員定位

礦用智能設(shè)備使用井下無(wú)線基站+藍(lán)牙標(biāo)簽的方式實(shí)現(xiàn)人員的精確定位，同時(shí)把定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器和其他礦用智能設(shè)備中。

（3）虛擬導(dǎo)航

在確定人員位置后，用戶(hù)輸入目的地，系統(tǒng)通過(guò)虛擬指引路線、虛擬路標(biāo)、指示牌等方式提供導(dǎo)航功能。

（4）環(huán)境信息顯示

礦用智能設(shè)備通過(guò)AR 方式實(shí)時(shí)顯示人員當(dāng)前所在位置以及當(dāng)前區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息（瓦斯、一氧化碳、溫度、頂板壓力等）。環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由區(qū)域內(nèi)的各傳感器提供。當(dāng)行走在危險(xiǎn)區(qū)域，比如采空區(qū)、冒頂區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)虛擬警示牌、警示音等，提高員工的警惕性。

（5）信息推送

管理人員可以使用軟件平臺(tái)推送文本、語(yǔ)音、視頻信息給礦用智能設(shè)備，設(shè)備收到信息后自動(dòng)展示給佩戴人員，其中文本信息還會(huì)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音。信息推送可以選擇某些人員，也可以發(fā)送給全部人員。

（6）語(yǔ)音通話

通過(guò)SIP 協(xié)議接入到煤礦中的無(wú)線通信系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地隨需進(jìn)行交流溝通。為每個(gè)礦用智能設(shè)備分配一個(gè)號(hào)碼，設(shè)備注冊(cè)到無(wú)線通信系統(tǒng)中，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)礦用智能設(shè)備之間、地面與礦用智能設(shè)備之間的語(yǔ)音通信。

（7）視頻傳輸

礦用智能設(shè)備配有攝像頭，可以不間斷地錄制視頻，保存在設(shè)備的存儲(chǔ)卡中。在礦用智能設(shè)備通過(guò)WIFI 連入井下環(huán)網(wǎng)后，可以把實(shí)時(shí)視頻推送到地面服務(wù)器中，地面管理人員可以查看這些實(shí)時(shí)視頻，對(duì)指揮生產(chǎn)、事故救援有重要意義。

2 礦用智能設(shè)備設(shè)計(jì)

礦用智能設(shè)備使用快速夾具方式固定在安全帽上，能方便的拆裝，是井下人員智能化的核心設(shè)備。

2.1 礦用智能設(shè)備外觀

礦用智能設(shè)備外觀及佩戴效果如圖1，主要由主機(jī)、支架、攝像頭、顯示裝置組成。主機(jī)提供了智能設(shè)備的主要功能；支架連接主機(jī)和顯示裝置，其可動(dòng)結(jié)構(gòu)保證所有用戶(hù)都能把顯示裝置調(diào)整到適合自己的位置；攝像頭提供視頻拍攝功能，主要用于設(shè)備識(shí)別、視頻傳輸；顯示裝置把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)能看到的圖像信息。礦用智能設(shè)備主要部件如下所述。

（1）設(shè)備安裝支架：用于把設(shè)備固定到安全帽上，具有易拆裝的特點(diǎn)。

（2）WIFI 天線：智能設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、定位、通訊都依賴(lài)井下WIFI 網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)信號(hào)強(qiáng)度有較高要求。采用外置天線的方式提高智能設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度。

（3）主機(jī)：智能設(shè)備的核心部分，內(nèi)部包含主要硬件設(shè)備和電池。其上有電源插口，可以使用輔助電源供電，電池作為輔助。

（4）指示燈：顯示主機(jī)的工作狀態(tài)，兩個(gè)指示燈分別顯示主機(jī)狀態(tài)和攝像頭狀態(tài)。主機(jī)開(kāi)機(jī)后第一個(gè)指示燈為綠色，主機(jī)會(huì)監(jiān)測(cè)攝像頭狀態(tài)，攝像頭正在使用第二個(gè)指示燈為綠色，攝像頭未使用則為指示燈熄滅。

（5）多功能旋鈕：提供對(duì)主機(jī)的操作功能。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為選擇主機(jī)功能，短按為確認(rèn)功能，長(zhǎng)按為返回功能。

圖1 智能設(shè)備外觀

（6）可調(diào)式麥克風(fēng)：用于語(yǔ)音通訊中的收音，提高語(yǔ)音通訊質(zhì)量。麥克風(fēng)支架為柔性，可以任意調(diào)整角度和方向。

（7）縱向支架：連接主機(jī)和橫向支架，提供顯示設(shè)備的左右和上下調(diào)整功能?？v向支架為可伸縮結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整顯示設(shè)備和用戶(hù)眼睛之間的水平距離。

（8）耳機(jī)：智能設(shè)備具有語(yǔ)音提醒和電話功能，使用耳機(jī)可隔開(kāi)井下周?chē)h(huán)境的聲響，提供清晰的聲音。由于井下環(huán)境較差，耳機(jī)容易損壞，智能設(shè)備上提供耳機(jī)接口，方便更換。

（9）橫向支架：連接主機(jī)和顯示設(shè)備，提供顯示設(shè)備的上下高度調(diào)整和水平角度調(diào)整（-10°～+10°）功能。

（10）顯示鏡片：高透光性反射鏡片，把圖像反射到用戶(hù)眼睛中。鏡片角度可以調(diào)節(jié)，鏡片也可更換。

（11）顯示組件：顯示主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，主要部件是OLED 顯示屏和透鏡。

（12）攝像頭：提供視頻拍攝、視頻直播功能。

2.2 礦用智能設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

主機(jī)中的芯片選用了較為成熟的MT6580 平臺(tái)，MT6580 是聯(lián)發(fā)科推出的一款高度集成的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），集成了四核的ARM?Cortex-A7、3D圖形的OpenGL|ES 2.0、8 M 攝像頭和1080 p 高清視頻解碼器。

MT6580 還包括多標(biāo)準(zhǔn)視頻加速器和高級(jí)音頻子系統(tǒng)，以提供流媒體音頻和視頻等先進(jìn)的多媒體應(yīng)用程序和服務(wù)；許多解碼器和編碼器，如H.264和MPEG-4；音頻支持包括FR、HR、EFR、AMR FR 和AMR HR 語(yǔ)音編碼器，復(fù)音鈴聲和先進(jìn)的音頻功能，如回聲消除，無(wú)手免提電話操作和噪音消除。

3 智能管理平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

礦用智能設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)不僅需要自身運(yùn)行相關(guān)程序，還需要部署智能管理平臺(tái)為其提供數(shù)據(jù)和服務(wù)。智能管理平臺(tái)軟件是智能設(shè)備的支撐平臺(tái)，平臺(tái)為智能設(shè)備提供數(shù)據(jù)接口，供智能設(shè)備查看環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過(guò)平臺(tái)管理智能設(shè)備，查看智能設(shè)備發(fā)送的定位和視頻數(shù)據(jù)。

管理平臺(tái)軟件架構(gòu)如圖2，分為數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、管理平臺(tái)UI 和智能設(shè)備接口五部分。

圖2 智能管理平臺(tái)軟件架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)集成

集成原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是智能設(shè)備顯示周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。由于各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口不同，需要解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成問(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

包含基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻存儲(chǔ)。其中基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)除存儲(chǔ)智能設(shè)備的信息還存儲(chǔ)井下設(shè)備的標(biāo)記信息和井下設(shè)備的基本信息、設(shè)備維護(hù)信息、設(shè)備的操作手冊(cè)、維修手冊(cè)等。智能設(shè)備在檢測(cè)到井下的標(biāo)記設(shè)備時(shí)，能夠查詢(xún)?cè)O(shè)備的這些信息。視頻存儲(chǔ)保存智能設(shè)備推送的視頻，采用文件方式保存。

（3）數(shù)據(jù)交換平臺(tái)

數(shù)據(jù)交換平臺(tái)是信息交換平臺(tái)，以統(tǒng)一的接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)審核等信息和數(shù)據(jù)的傳輸及共享，提高信息資源的利用率。

SIP 服務(wù)用于語(yǔ)音通訊，提供用戶(hù)管理、用戶(hù)注冊(cè)、呼叫控制和處理、語(yǔ)音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。智能設(shè)備的語(yǔ)音通訊功能需要在SIP 服務(wù)中注冊(cè)，撥號(hào)時(shí)由SIP 服務(wù)進(jìn)行呼叫控制和處理。

流媒體服務(wù)器用于對(duì)智能設(shè)備推送的視頻流進(jìn)行管理，提供視頻的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（4）管理平臺(tái)UI

管理平臺(tái)的用戶(hù)操作界面，在平臺(tái)中可以管理智能設(shè)備，查看實(shí)時(shí)位置和歷史軌跡，與智能終端直接通話，向智能設(shè)備發(fā)送通知、提醒、告警等文本或語(yǔ)音消息、查看終端推送的實(shí)時(shí)視頻，查看歷史視頻。

（5）智能設(shè)備接口

為智能設(shè)備提供數(shù)據(jù)交換接口，智能設(shè)備調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口獲取數(shù)據(jù)，如定時(shí)調(diào)用接口獲取時(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)消息接口接收管理平臺(tái)發(fā)送的消息。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦中井下人員智能設(shè)備缺乏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了礦用井下人員智能化平臺(tái)，并分別從礦用智能設(shè)備和智能化管理平臺(tái)兩方面進(jìn)行了詳細(xì)描述。礦用井下人員智能化平臺(tái)使井下人員加入到礦山物聯(lián)網(wǎng)中，為井下人員提供了安全保障，同時(shí)為生產(chǎn)調(diào)度和防災(zāi)救援提供了技術(shù)保障。