煤矿井下人员智能化平台研究

宋兆雪 陈安明 赵青山

（兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500）

煤矿信息化建设从综合自动化、数字化向智能化、智慧化发展，通过在井下安装不同类型的环境、设备的感知和计算设备形成智能环境[1]，地面也融合监测数据形成了重大灾害预警平台。但是，在煤矿智能化的过程中，作为主体的人却很少被涉及，井下人员之间、井下人员与地面人员之间以及人员与重大灾害预警平台之间无法实现互联互通，煤矿中人员远程交流需要通过有线电话或“井下小灵通”，无法做到实时联通和全员覆盖；各传感器直接把数据传输到重大灾害预警平台中，井下人员却无法获取附近的监测数据；重大灾害预警平台中的数据也是发送给相关管理人员，不能发送到井下人员。

针对上述情况，兖州煤业开发了煤矿井下人员智能化平台，使人员加入到煤矿智能网络中，帮助人员掌握周围环境和设备的数据，为人员作业提供智能支持。煤矿井下人员智能化平台分为矿用头戴式可拆卸智能设备（以下简称矿用智能设备）和智能管理平台两部分。其中矿用智能设备提供数据存储、计算、录音、摄像、增强现实显示等功能；智能管理平台是重大灾害预警平台的一部分，其接收重大灾害预警平台中数据并为硬件设备提供数据接口。

1 煤矿井下人员智能化平台

（1）增强现实显示

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是一种在显示设备中呈现真实环境并叠加由计算机生成的虚拟信息的视觉技术，使用者既能直接看到现实环境，又能看到计算机产生的虚拟信息，这些信息附加在现实环境上，并随着现实环境在视野中的变化（位置、角度、光照等）而变化[2-5]。通过矿用智能设备的AR 显示功能，井下人员既能直接看到真实的工作场景，又能看到当前工作场景中的环境信息（瓦斯浓度、一氧化碳浓度等）和设备信息，达到在不影响视野的情况下，为使用人员提供可视化智能信息。

（2）人员定位

矿用智能设备使用井下无线基站+蓝牙标签的方式实现人员的精确定位，同时把定位数据传输到地面服务器和其他矿用智能设备中。

（3）虚拟导航

在确定人员位置后，用户输入目的地，系统通过虚拟指引路线、虚拟路标、指示牌等方式提供导航功能。

（4）环境信息显示

矿用智能设备通过AR 方式实时显示人员当前所在位置以及当前区域的环境监测信息（瓦斯、一氧化碳、温度、顶板压力等）。环境监测数据由区域内的各传感器提供。当行走在危险区域，比如采空区、冒顶区域，会出现虚拟警示牌、警示音等，提高员工的警惕性。

（5）信息推送

管理人员可以使用软件平台推送文本、语音、视频信息给矿用智能设备，设备收到信息后自动展示给佩戴人员，其中文本信息还会转换为语音。信息推送可以选择某些人员，也可以发送给全部人员。

（6）语音通话

通过SIP 协议接入到煤矿中的无线通信系统中，实现随时随地随需进行交流沟通。为每个矿用智能设备分配一个号码，设备注册到无线通信系统中，通过这种方式实现矿用智能设备之间、地面与矿用智能设备之间的语音通信。

（7）视频传输

矿用智能设备配有摄像头，可以不间断地录制视频，保存在设备的存储卡中。在矿用智能设备通过WIFI 连入井下环网后，可以把实时视频推送到地面服务器中，地面管理人员可以查看这些实时视频，对指挥生产、事故救援有重要意义。

2 矿用智能设备设计

矿用智能设备使用快速夹具方式固定在安全帽上，能方便的拆装，是井下人员智能化的核心设备。

2.1 矿用智能设备外观

矿用智能设备外观及佩戴效果如图1，主要由主机、支架、摄像头、显示装置组成。主机提供了智能设备的主要功能；支架连接主机和显示装置，其可动结构保证所有用户都能把显示装置调整到适合自己的位置；摄像头提供视频拍摄功能，主要用于设备识别、视频传输；显示装置把数据转换为用户能看到的图像信息。矿用智能设备主要部件如下所述。

（1）设备安装支架：用于把设备固定到安全帽上，具有易拆装的特点。

（2）WIFI 天线：智能设备的数据传输、定位、通讯都依赖井下WIFI 网络，因此对信号强度有较高要求。采用外置天线的方式提高智能设备的信号强度。

（3）主机：智能设备的核心部分，内部包含主要硬件设备和电池。其上有电源插口，可以使用辅助电源供电，电池作为辅助。

（4）指示灯：显示主机的工作状态，两个指示灯分别显示主机状态和摄像头状态。主机开机后第一个指示灯为绿色，主机会监测摄像头状态，摄像头正在使用第二个指示灯为绿色，摄像头未使用则为指示灯熄灭。

（5）多功能旋钮：提供对主机的操作功能。顺时针旋转和逆时针旋转为选择主机功能，短按为确认功能，长按为返回功能。

图1 智能设备外观

（6）可调式麦克风：用于语音通讯中的收音，提高语音通讯质量。麦克风支架为柔性，可以任意调整角度和方向。

（7）纵向支架：连接主机和横向支架，提供显示设备的左右和上下调整功能。纵向支架为可伸缩结构，用于调整显示设备和用户眼睛之间的水平距离。

（8）耳机：智能设备具有语音提醒和电话功能，使用耳机可隔开井下周围环境的声响，提供清晰的声音。由于井下环境较差，耳机容易损坏，智能设备上提供耳机接口，方便更换。

（9）横向支架：连接主机和显示设备，提供显示设备的上下高度调整和水平角度调整（-10°～+10°）功能。

（10）显示镜片：高透光性反射镜片，把图像反射到用户眼睛中。镜片角度可以调节，镜片也可更换。

（11）显示组件：显示主机发送过来的数据，主要部件是OLED 显示屏和透镜。

（12）摄像头：提供视频拍摄、视频直播功能。

2.2 矿用智能设备硬件结构

主机中的芯片选用了较为成熟的MT6580 平台，MT6580 是联发科推出的一款高度集成的系统级芯片（SoC），集成了四核的ARM®Cortex-A7、3D图形的OpenGL|ES 2.0、8 M 摄像头和1080 p 高清视频解码器。

MT6580 还包括多标准视频加速器和高级音频子系统，以提供流媒体音频和视频等先进的多媒体应用程序和服务；许多解码器和编码器，如H.264和MPEG-4；音频支持包括FR、HR、EFR、AMR FR 和AMR HR 语音编码器，复音铃声和先进的音频功能，如回声消除，无手免提电话操作和噪音消除。

3 智能管理平台软件设计

矿用智能设备的功能实现不仅需要自身运行相关程序，还需要部署智能管理平台为其提供数据和服务。智能管理平台软件是智能设备的支撑平台，平台为智能设备提供数据接口，供智能设备查看环境监测数据和设备监测数据，同时可以通过平台管理智能设备，查看智能设备发送的定位和视频数据。

管理平台软件架构如图2，分为数据集成、数据存储、数据交换平台、管理平台UI 和智能设备接口五部分。

图2 智能管理平台软件架构

（1）数据集成

集成原有监测系统中的数据，包括环境监测系统、矿压监测系统、机电监测系统、通风监测系统和排水监测系统。这些监测数据是智能设备显示周围环境数据的数据源。由于各监测系统数据接口不同，需要解决异构数据的集成问题。

（2）数据存储

包含基本信息数据库和视频存储。其中基本信息数据库除存储智能设备的信息还存储井下设备的标记信息和井下设备的基本信息、设备维护信息、设备的操作手册、维修手册等。智能设备在检测到井下的标记设备时，能够查询设备的这些信息。视频存储保存智能设备推送的视频，采用文件方式保存。

（3）数据交换平台

数据交换平台是信息交换平台，以统一的接口规范实现数据自动提取、数据转换、数据发送、数据校验、数据审核等信息和数据的传输及共享，提高信息资源的利用率。

SIP 服务用于语音通讯，提供用户管理、用户注册、呼叫控制和处理、语音数据转发等功能。智能设备的语音通讯功能需要在SIP 服务中注册，拨号时由SIP 服务进行呼叫控制和处理。

流媒体服务器用于对智能设备推送的视频流进行管理，提供视频的存储、转发功能。

（4）管理平台UI

管理平台的用户操作界面，在平台中可以管理智能设备，查看实时位置和历史轨迹，与智能终端直接通话，向智能设备发送通知、提醒、告警等文本或语音消息、查看终端推送的实时视频，查看历史视频。

（5）智能设备接口

为智能设备提供数据交换接口，智能设备调用相应的数据接口获取数据，如定时调用接口获取时时环境数据，通过消息接口接收管理平台发送的消息。

4 结 语

本文针对煤矿中井下人员智能设备缺乏的问题，设计了矿用井下人员智能化平台，并分别从矿用智能设备和智能化管理平台两方面进行了详细描述。矿用井下人员智能化平台使井下人员加入到矿山物联网中，为井下人员提供了安全保障，同时为生产调度和防灾救援提供了技术保障。