高海拔矿山无轨运输车辆驾驶员安全保障技术研究

任高峰 葛永翔 马俊生 秦 岭3

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉430070；2.中国恩菲工程技术有限公司，北京100038；3.武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉430070）

高海拔矿山井下无轨运输是联系矿山各个生产环节的“动脉”，然而由于高海拔寒区气压低、空气稀薄、早晚温差较大等特殊的地理气候条件［1-2］，高海拔寒区矿山无轨运输驾驶员面临低温缺氧工作环境、身体机能下降等难题，严重制约了高海拔矿山无轨运输安全［3-6］。

因此对高海拔地区驾驶员身体机能变化规律以及驾驶室环境调控技术开展研究，进而保障驾驶员工作环境舒适、安全、健康具有重要的工程意义。

针对高海拔地区人体生理特性研究，国内外学者开展了大量工作，诸多研究人员将保障高原从业者身体健康的研究视为首要任务［7］。亓峰［8］利用高原环境模拟舱开展了为期20 d的人体实验，研究了大气压力、环境温度、活动强度对人体热舒适度的影响规律，从人体热舒适度的角度研究了高原低气压低温环境对人体生理健康的影响。王延琦等［9］对急进格尔木地区的试验人员进行现场的生理指标测试，并与往常指标值对比分析其受高原环境的影响，证明了高原环境参数变化会明显地影响人体的血氧饱和度、血压、心率等生理响应指标。针对高海拔矿山井下环境调控技术，于跟波等［10］根据高原非煤矿山安全生产的现状，设计并研制了一套高原非煤矿井空气环境关键参数实时监测系统，实现了对井下空气环境关键参数的实时监测。姚银佩等［2］在当前矿井通风系统现状调查与测定的基础上，分析了通风系统存在的问题，提出了两种可行的高海拔矿山通风系统的改造方案。Aqueveque等［11］建立了一套高海拔矿山井下的监测系统，并嵌置于井下作业人员的防护服内，实现了对环境温度、湿度和人体心电图、呼吸率、体温等指标的实时监测。李蓉蓉等［12］基于CFD模拟结果，观察氧气质量分数分布，并采用数值分析方法对比了压入风筒与掘进面距离、供氧管与压入风筒水平距离及抽压比3个因素中对氧气分布影响最大的因素，有针对性地调整供氧方案。

综上所述，目前关于保障高海拔矿山无轨运输驾驶员生理健康的研究较少，具体针对驾驶室环境开展调控研究也并不多见。因此，在解决高原恶劣环境对驾驶员的健康影响问题时，仍采用矿井加压通风、通风网络模拟仿真优化、外部人工风源预加热等方法，但是，由于井下环境的复杂性，现有的技术成果尚难以有效地改善井下车辆驾驶环境，为驾驶员提供健康适宜的工作场所［13］。针对以上问题，本项目以高海拔矿山无轨运输车辆驾驶员为研究对象，开展高海拔矿山井下作业人员生理响应特性研究，设计研发驾驶室环境自适应调控系统，以保障驾驶员工作环境安全、舒适、健康，为高海拔矿山安全运输提供指导。

1 人体生理响应特性正交实验

通过设计正交试验［14-16］，在高海拔环境实验舱内分别针对氧分压、温度、湿度3种环境因素对人体生理响应指标的影响进行研究，测试和分析人体在不同因素模拟环境中运动时生理响应指标参数的变化量，通过对实验数据进行极差分析，确定各测试生理响应指标与井下环境因素之间的影响大小。

1.1 实验工况设计

高海拔矿山井下恶劣环境正交实验考虑的环境因素有：氧分压、温度、湿度，通过正交实验分析在这3种环境因素复合作用下人体生理指标的响应情况。在划分各因素水平时，考虑在环境氧分压小于14.686 kPa（即海拔高于3 000 m）、环境温度小于10℃、环境湿度小于35%RH时人体各项生理响应指标变化较明显进行因素水平划分，选取的人体生理响应指标为血氧饱和度、心率、体温、血压（包括收缩压、舒张压），根据正交实验设计原则，结合高海拔矿山实际情况，具体实验方案如表1所示。

1.2 实验样本的选择

基于矿山生产劳动者大多为中青年人群，加之实际实验条件的限制，所选用的实验者均为25～35岁的中青年。同样地，选择身体健康的受试人群，并在实验开始前对每一位受试者进行全面的体检，保证其身体健康后方可作为受试对象。经过一系列的筛选后，确定了10名受试者，其中男性受试者8人，女性受试者2人。

1.3 实验步骤

（1）在高海拔环境仿真实验系统舱内进行高海拔矿山井下复合环境影响实验，检查实验舱内所有环境监测调控设备、人体生理数据采集设备、跑步机等实验辅助设备，并保证各项设备正常运行。

（2）根据正交实验设计的9组环境工况，依次对10位受试者进行实验。为节省实验时间、保证实验数据测量的准确性，将10名受试者分为2组进行实验，每组包括4名男性受试者和1名女性受试者。

（3）在进行第1次复合正交实验时，待第1组5位受试者全部进入实验舱准备就绪后，启动环境调控设备，将实验舱内的氧分压、温度、湿度环境因素值设置到实验条件对应数值，同时所有受试者在跑步机上进行慢跑，模拟工作状态。

（4）待实验舱内环境参数到达设定工况并稳定5 min后，采集每一位受试者的血氧饱和度、心率、体温、血压（收缩压、舒张压、平均压）等生理机能数据，而后，每位受试者在跑步机上进行持续的慢跑运动，每间隔10 min采集1次数据，每人采集3组数据并分别取平均值后输入电脑进行记录。

（5）待2个分组的受试者均完成第1次实验后，依照同样的操作顺序对2个组的受试者依序进行后续的8次实验。

1.4 实验结果分析

通过高海拔矿山井下环境复合影响正交实验，得到10名受试者在9次不同模拟环境条件下的生理响应指标数据。为了避免受试者个体差异对实验结果造成影响，同时考虑到统计分析过程的数据类型需求，对10名受试者在正交实验中的各项生理响应指标测试结果分别取平均值，以便于实验结果的研究分析。各实验数据如表2所示。对正交实验结果进行极差分析和相关性分析，可以得到各环境因素对人体生理响应指标的影响规律以及各环境因素对人体生理健康的影响主次排序。

利用正交实验点分布均衡，实验结果具有综合可比性的特性，选用极差分析法分析氧分压、温度、湿度3种环境因素对人体的血氧饱和度、心率、体温、血压（收缩压、舒张压）几种生理响应指标的影响大小［14］。

图1～图5为3种环境因素对人体各项生理响应指标的影响趋势分布图，图中P1～P3、T1～T3、R1～R3分别代表氧分压、温度、湿度的3个水平值。

各环境因素对人体生理响应指标的极差排序见表3。

从各环境因素对人体生理响应指标影响的分布图和极差排序表可以看出：①对于人体收缩压和舒张压，血压受氧分压的影响最大，其次为温度，受环境湿度变化的影响最小；②各环境因素对血氧饱和度和心率的影响排序一致，顺序为氧分压＞温度＞湿度；③人体体温受环境温度的影响较大，其次为氧分压，最后为湿度。

因此，在高海拔高寒矿山井下工作环境中，高、寒、旱均会影响作业人员的各项生理指标，但是影响程度不一，其中以氧分压的影响最大，温度影响次之，同时，虽然湿度对各项生理指标影响均较小，但也不容忽视。

2 高海拔矿山车辆驾驶室环境调控系统

上述实验指明了高海拔矿山车辆驾驶室环境调控系统的具体调控指标，为研发高海拔矿山车辆驾驶室环境调控系统提供了理论指导。设计的高海拔矿区无轨运输车辆驾驶室环境调控系统本着高可靠性、高精确性、高耐用性的原则［17］，由各功能模块及控制系统相互协调配合来完成，设计的驾驶室自适应调控系统实现方式如图6所示。

系统主要由监测模块、环境调控模块、集控显示模块、信号传递模块、供电及电力模块5个部分组成。监测模块包括：人体机能检测模块、环境监测模块，主要功能为监测驾驶员身体机能数据以及驾驶室各项环境指标。环境调控模块包括：氧分压调控模块、温度调控模块、湿度调控模块，主要功能是调控驾驶室内的环境，为驾驶员提供健康舒适的工作环境。集控显示模块作为系统核心部件，主要功能为接收数据、处理数据、反馈数据、控制各模块工作状态。信号传递模块主要指基于2.4 GHz的无线传输模块，负责各项数据的接受和上传。供电及电力模块包括：电源模块、继电器模块等，为系统所有的部件供电，保证系统电路的稳定安全运行。

2.1 监测模块

系统中的人体生理响应指标检测主要依靠“健康手环”来完成，其构造如图7所示，该模块内的生理响应指标检测模块利用PPG光电容描记法根据设定的时间间隔测量人体的血氧饱和度、心率、体温、血压值，并可在其显示屏上实时显示测量结果，可通过兼容型多功能按钮切换不同的指标显示。与此同时，其利用内置的Dialog蓝牙芯片将所采集的数据传输至车内的集控显示模块进行后续的数据处理利用。

系统中所需监测的环境参数有驾驶室氧分压、温度以及湿度，通过对比分析，分别选用适用于高海拔低温低压环境工作的传感器。其中氧分压和温度的监测选用LuminOx荧光学氧气传感器，利用串口转换器配合完成氧分压和温度数据的采集和传输，传感器如图8所示。驾驶室湿度的监测选用的HM1500LF型湿度传感器，该传感器专门适用于对于环境湿度监测值精度要求较高的场所，其实物图如图9所示。

2.2 环境调控模块

（1）氧分压调控（制氧及供氧）模块。选取高分子膜分离式高原车载制氧机实现氧分压调控［19-20］，该制氧机如图10所示，其外形尺寸为280 mm（长）×128 mm（宽）×178 mm（高），重量为6 kg，满足合理空间尺度原理的要求，外壳材质为Q235冷扎板，具有较好的稳固性。制备的氧气浓度为30%，为医学界认定的安全吸氧浓度，制备氧量为8 L/min。研究表明正常人体在空气中氧气浓度为21%的环境时，每次吸入空气量约500 mL，按每分钟呼吸16次计算，即每分钟吸入9 L氧气浓度为21%的空气，所以该制氧机的供氧量足以维持人体正常的生理需求。

（2）温度、湿度调控模块。在设计温度调控模块时，考虑到现有的无轨运输车辆都配置有空调系统，可通过改造将其充分利用，在实现温度调控需求的同时，又能节省开发成本。在高海拔高寒矿山井下作业时，高温的环境影响较少，更多为低温影响，所以温度调控模块一般处于制热工作状态。湿度调控模块主要是在驾驶室环境湿度不能满足驾驶员正常生理响应指标时对驾驶室的环境湿度进行调控，由于高海拔矿山井下环境湿度一般都较小，所以此处不考虑除湿，选用高速离心雾化加湿机迅速增大驾驶室内湿度，除湿机如图11所示。

2.3 集控显示模块

集控显示模块在系统中为核心部件，需进行数据采集、数据处理、数据显示，选用菲尼克斯的BL PPC12工业面板式PC进行嵌入式开发，以实现上述所需功能。BL PPC12工业平板如图12所示，其具有高I/Q容量，设有多种类型的数据接口，能够满足各类型数据的接入。

针对集控显示模块所需实现的功能，借助Lab-VIEW软件进行功能程序的编写，具体阐述如下：

（1）数据采集。在软件方面，利用LabVIEW编写采集程序，具体采用状态机模型编写［21］。按设定的时间间隔采集由人体生理响应指标检测模块检测到的驾驶员生理数据和环境监测模块监测到的驾驶室内环境数据。硬件方面，因为驾驶员生理数据是由手环通过蓝牙传输的，所以在开发时必须内置蓝牙模块。驾驶室氧分压和温度监测模块传输数据格式为3.3 V TTL，湿度监测模块传输数据格式为5 V TTL，所以需配置响应的数据接口。此外考虑到设备的功能可扩展性，额外配置几项其他数据接口。

（2）数据处理与调整。当某位驾驶员上车后，车内系统自动启动，驾驶员手环与车内集控显示模块通过蓝牙连接，连接成功后，设备自动从系统读取该驾驶员的健康体检数据，并分别设置其各生理响应指标正常范围。在接收到人体生理响应指标检测模块传输的驾驶员生理数据时，与该驾驶员在系统中的健康体检数据比对，若不在设定范围内，根据相关算法计算出能够使驾驶员生理响应指标处于正常范围的环境参数范围，而后与环境监测模块传输的驾驶室内环境数据进行匹配，若某一项环境参数不在范围内，控制相应的环境调控模块开始工作，调控各环境参数，直至达到设定的正常范围的环境参数范围。如若各环境参数在设置范围内，而驾驶员的生理响应指标不在其健康体检范围内时，需对驾驶员进行重新体检，更新其健康数据。

（3）数据显示。根据人机交互所要求的交互界面美观和操作逻辑完善的原则［21-22］，设计人机交互界面，通过在用户界面实时显示驾驶员的生理机能数据、驾驶室的环境参数以及系统内各调控设备的工作状态使驾驶员能够及时掌握运输系统中人、机、环境的协调安全状况，同时当有数据异常或设备异常时，会通过界面对驾驶员进行报警。交互界面如图13所示。

3 结 论

项目以保障高海拔矿山无轨运输驾驶员身体健康为目的，在调研大量文献的基础上，通过理论分析、实验测试、软硬件研发等方法，开展高海拔矿山无轨运输驾驶员安全保障技术研究，主要有以下结论：

（1）通过设计正交实验在高海拔环境模拟舱内开展高海拔人体生理响应研究，基于极差分析，得到氧分压、温度、湿度对人体机能的影响大小，实验结果表明，氧分压、温度、湿度均会影响作业人员的各项生理指标，但是影响程度不一，其中以氧分压的影响最大，温度影响次之，虽然湿度对各项生理指标影响均较小，但是也是不容忽视的。

（2）通过软硬件设计选取，建立了集驾驶员身体机能监测、驾驶室环境监测、驾驶室环境调控、信息设备集控显示于一体的高海拔矿山车辆驾驶室环境调控系统，实现了对高海拔矿山车辆驾驶环境的实时监测和科学调控，对于保障驾驶员工作环境安全舒适、驾驶员身体机能健康具有重要意义。