淺談選煤廠智能安全頭盔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

引言

選煤廠中洗煤工藝鏈復(fù)雜,安全生產(chǎn)管理與監(jiān)護(hù)難度較大:選煤設(shè)備種類復(fù)雜多樣,并且多為大型機械,設(shè)備運轉(zhuǎn)異常會產(chǎn)生較大的安全隱患。當(dāng)前,選煤廠的現(xiàn)場監(jiān)護(hù)手段是以視頻監(jiān)控為主,但這種傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)方式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)場工作人員的安全監(jiān)護(hù)需求。智能安全頭盔作為當(dāng)前熱門的安全監(jiān)護(hù)技術(shù),在煤礦、電力系統(tǒng)、消防、安保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。將智能安全頭盔引入選煤廠的安全監(jiān)控系統(tǒng),是解決當(dāng)前選煤廠中安全監(jiān)護(hù)問題的有效措施。本文分析了選煤廠安全監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀,介紹了智能安全頭盔的工作原理,對安全頭盔中采用的相關(guān)技術(shù),包括無線通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)和人體健康監(jiān)測技術(shù)等進(jìn)行了分析。

1選煤廠安全監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著機械化與自動化水平的不斷提高,選煤廠中的危險源越發(fā)難以管控,近年來,機械傷害成為選煤廠中最嚴(yán)重的安全隱患之一。因此,選煤廠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究成為企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障。

王芳通過現(xiàn)場安裝的各類傳感器,實現(xiàn)了危險源的實時監(jiān)控,一旦傳感器檢測到異常,報警信息就會傳遞給上位機監(jiān)控系統(tǒng),能夠有效降低現(xiàn)場發(fā)生事故的風(fēng)險。

張紹先介紹了馬頭洗煤廠中無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng),創(chuàng)新性地實現(xiàn)了無線遠(yuǎn)程控制以及實時監(jiān)控的功能。

雷斌等人設(shè)計的基于DCs技術(shù)的選煤廠集控系統(tǒng),完成了對傳統(tǒng)的以PLC為技術(shù)核心的集控系統(tǒng)的替代,并且能夠?qū)崿F(xiàn)選煤廠中視頻與音頻的聯(lián)動,不僅提高了監(jiān)控水平,還提高了選煤廠各系統(tǒng)的通信能力。

張宗華設(shè)計了選煤廠人員智能視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過現(xiàn)有的閉路監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合機器視覺技術(shù),能夠在一定程度上對現(xiàn)場人員進(jìn)行位置跟蹤與安全狀態(tài)判斷。

綜上所述,當(dāng)前選煤廠的監(jiān)控系統(tǒng)是以設(shè)備和工藝等方面為監(jiān)護(hù)重點,對現(xiàn)場作業(yè)人員的監(jiān)護(hù)手段單一且效果并不明顯,人身安全難以得到保障。目前,選煤廠中的安全監(jiān)護(hù)主要存在以下問題:(1）監(jiān)護(hù)手段單一,選煤車間中雖然布設(shè)有攝像頭,但是攝像頭存在監(jiān)控死角,安全監(jiān)護(hù)還存有盲區(qū):(2）通信設(shè)備落后,雖然現(xiàn)場作業(yè)人員配有對講設(shè)備,但由于嘈雜的生產(chǎn)環(huán)境以及對講頻道干擾等因素的影響,很難保證有效的溝通:(3）缺乏對人員的實時監(jiān)護(hù)手段,一旦現(xiàn)場工作人員人身受到傷害,管理人員難以及時獲知并處理。

因此,在當(dāng)前人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下,建立一套科學(xué)先進(jìn)且可行的人員監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是非常有必要的。

2智能安全頭盔

安全帽是保護(hù)現(xiàn)場施工人員頭部安全的重要手段,其通過減緩沖擊力度以及增加抗擊打能力實現(xiàn)頭部防護(hù)功能,作用比較單一,已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需要。

智能安全頭盔是以人工智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能設(shè)備,不僅兼顧了對頭部的防護(hù)功能,更是在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了人員定位、環(huán)境異常報警、實時通信、區(qū)域預(yù)警和人員身體健康監(jiān)測等功能。智能安全頭盔一般包括中央處理器、各類數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、電源模塊等部分,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。智能安全頭盔通過其數(shù)據(jù)采集模塊對外部環(huán)境信息和人員的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集的數(shù)據(jù)由中央處理器進(jìn)行處理,處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果由通信模塊上傳至上位機監(jiān)控系統(tǒng),經(jīng)分析后得到現(xiàn)場人員的實時信息。

圖1智能安全頭盔結(jié)構(gòu)圖

以煤礦用智能安全頭盔為例。井下的作業(yè)環(huán)境十分復(fù)雜,可能發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)和塌方等危險。為了保障井下作業(yè)人員的人身安全,煤礦用智能安全頭盔須具備實時定位、健康監(jiān)測、環(huán)境異常監(jiān)測、智能處理以及抗干擾等功能特點[l0]。相較于復(fù)雜且危險的井下工作環(huán)境,選煤廠中的危險源相對可控,設(shè)備的機械傷害是最主要的危險因素,因此選煤廠中引入智能安全頭盔在理論和技術(shù)上是完全可行的?；诋?dāng)前選煤廠中安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的監(jiān)控手段單一,通信手段落后,缺乏實時監(jiān)護(hù)手段等問題,選煤廠智能安全頭盔應(yīng)具備人員定位功能、實時語音視頻通信功能和人員身體健康監(jiān)測功能,涉及的技術(shù)主要有無線通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)和人體健康監(jiān)測技術(shù)等。

3相關(guān)技術(shù)研究

3.l無線通信技術(shù)

無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,使得數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)玫搅吮Ｕ?。目前流行的無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)、wi-Fi技術(shù)、超寬帶技術(shù)和蜂窩無線通信技術(shù)等。

藍(lán)牙技術(shù)適用于短距離通信,一般有效通信距離不超過l0-。其優(yōu)點為可方便地接入手機等移動終端,功耗小,抗干擾能力強:缺點為有效傳輸距離較短,傳輸速率相對較低。

wi-Fi技術(shù)的有效工作距離最遠(yuǎn)可達(dá)100-,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10mM/b。其優(yōu)點為可以提供高速傳輸?shù)臒o延遲通信,經(jīng)濟成本較低,適用于商場、企業(yè)、辦公、家庭等多種場所:其缺點為信號傳輸過程中易受干擾。

超寬帶技術(shù)(UltrawideMand,UwB）是通過發(fā)送和接收納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。其優(yōu)點為時間分辨率高,信號傳輸在納秒級完成:能效高,能夠在低功率下傳輸更遠(yuǎn)的距離:抗干擾能力強。缺點是安裝成本較高。

蜂窩移動通信技術(shù)(CellularmoMileCo--unication）采用蜂窩無線組網(wǎng)的方式,使終端與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立無線通信。其優(yōu)點為傳輸距離遠(yuǎn),一般大于1000-:傳輸信號穩(wěn)定:傳輸速率高,5G商用通信峰值速率可達(dá)20GM/b。但是其缺點也十分明顯,即成本比較昂貴。

選煤廠廠房布置緊湊,大型設(shè)備較多,機械運行噪聲較大,有較強的干擾源,因此,從穩(wěn)定性、普適性和經(jīng)濟成本等方面考慮,在選煤廠中使用wi-Fi技術(shù)作為通信手段是比較合適的選擇之一。

3.2室內(nèi)定位技術(shù)

選煤廠生產(chǎn)車間一般為多層建筑,難以接收到衛(wèi)星信號,因此衛(wèi)星定位在生產(chǎn)車間中的定位精度較差,而室內(nèi)定位技術(shù)能夠獲取用戶在建筑中的準(zhǔn)確位置信息。近年來,室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展迅猛,出現(xiàn)了多種定位技術(shù)方法,分為基于信標(biāo)設(shè)備的定位方法、基于wi-Fi信號的定位方法、基于傳感器的定位方法和基于圖像識別技術(shù)的定位方法。

信標(biāo)設(shè)備就是定位所需要的硬件設(shè)施,一般需要在室內(nèi)的固定位置預(yù)先布設(shè)特定的接收裝置,稱為"信號接收端":定位終端通過周期性的廣播向四周發(fā)送信號,當(dāng)不同的接收端接收到終端發(fā)送的信號后,通過定位算法計算就可以得到終端的位置信息。具有代表性的特性設(shè)備定位技術(shù)包括紅外技術(shù)、UwB技術(shù)、超聲波技術(shù)和RFID技術(shù)等?；赨wB技術(shù)的定位方法是目前室內(nèi)定位中比較精確的技術(shù)之一,在實驗場景下可達(dá)到厘米級別的精度,并且通過分層布設(shè)接收端,可以實現(xiàn)在多層建筑內(nèi)的定位服務(wù)。信標(biāo)定位方法需要提前布設(shè)特定硬件,適用場景較為單一,主要應(yīng)用于煤礦礦井或電力設(shè)施等領(lǐng)域。

基于wi-Fi的定位技術(shù)就是通過手機、智能手表等終端連接到wi-Fi,通過測定終端接收到的無線信號的能量衰減或空間差異性,就可以得到位置信息。但wi-Fi信號在傳輸過程中易受干擾,因此很難在復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用。

基于移動傳感器的定位方法主要是通過加速度傳感器、重力傳感器和陀螺儀等,結(jié)合智能設(shè)備,推算出移動目標(biāo)的行動軌跡、行為與路線,并且需要配合事先測繪好的地圖,主要應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備。

基于圖像識別技術(shù)的定位方法就是通過獲取用戶周邊的環(huán)境圖片信息,將環(huán)境圖片信息與圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,如果兩者的特征數(shù)據(jù)匹配,則通過數(shù)據(jù)庫中的圖像信息可以得到位置信息。由于需要大量的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐,需要投入大量的人力和物力,目前該技術(shù)還未得到廣泛的應(yīng)用。

通過對比幾種定位技術(shù)的優(yōu)缺點,結(jié)合選煤廠多層廠房建筑、復(fù)雜的平面布局和多干擾源的特點,認(rèn)為基于UwB技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)能夠適用于選煤廠的生產(chǎn)環(huán)境。

3.3人體健康監(jiān)測技術(shù)

隨著可穿戴技術(shù)與生物傳感器技術(shù)的發(fā)展,人體的運動以及生理參數(shù)可以通過生物傳感器進(jìn)行采集。一般生物傳感器采集的數(shù)據(jù)主要包括體外數(shù)據(jù)與體征數(shù)據(jù)。體外數(shù)據(jù)采集主要是通過運動傳感器或者加速度傳感器獲取人體的運動情況:體征數(shù)據(jù)主要包括心率、體溫、血壓、血糖等,通過生物傳感器測取體征數(shù)據(jù)可以獲取人體的健康狀態(tài)。健康監(jiān)測系統(tǒng)一般包括監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等,能夠為人體提供全天候的健康監(jiān)測服務(wù)。

4結(jié)語

本文分析了當(dāng)前選煤廠中安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,認(rèn)為當(dāng)前選煤廠中的安全監(jiān)控系統(tǒng)并不完善。為了解決安全監(jiān)控中存在的問題,參考煤礦用智能安全頭盔,確定了選煤廠智能安全頭盔應(yīng)具備的功能,并且分析了該技術(shù)的可行性。分析認(rèn)為,智能安全頭盔是保障選煤廠現(xiàn)場工作人員人身安全的有效手段,其應(yīng)用前景廣闊,具有非常重要的研究意義。