沈飞是国家能源集团神东煤炭公司上湾煤矿的一线工人。过去的一年,他下井之前先把智能手环与矿灯戴好,再与矿用本安型手机连接,以便实时获取心率、血压等监测数据,采集环境参数,进行安全巡检。井下工作间隙,他还会查看自己的运动步数,和工友们讨论今天消耗了多少卡路里。

这是煤矿应用智能安全单兵装备的一个场景。据不完全了解,不仅上湾煤矿,神东锦界煤矿、寸草塔煤矿,陕煤集团黄陵矿业公司二号煤矿,国电建投内蒙古能源公司察哈素煤矿,国家能源平庄煤业公司老公营子煤矿等多个煤矿纷纷投用了这些装备。相关人员表示,这些装备监测实时性和准确率较高,的确减轻了负担,增强安全度。

“单兵作战”呼吁装备智能

“井下减人意味着更多一线职工要适应‘单兵作战’,某些地方可能只有他一个人去。而井下环境比较艰苦,会存在安全风险。”上湾煤矿机电副总工程师高文才告诉采访人员,“这就要求煤矿精准掌握人员在哪个位置、周边气体参数是否超限等情况。”

2022年,上湾煤矿开始投用智能安全单兵装备,包括矿用本安型手环、5G智能信息矿灯,在地面机房布置智能健康与环境安全融合监测预警平台服务器。智能手环、矿灯与手机在井下不间断采集数据,通过平台服务器进行监测分析,为上湾煤矿了解一线职工身体健康、环境安全状态与开展应急救援等提供了便利。

“一线职工劳动强度大,可能出现猝死的情况。手环可实时监控心率、血压等身体数据,一旦超标会报警提醒。”高文才说,“我们为综采队队长、班组长配备了智能矿灯。在独自巡视时,他们可以直接用矿灯拍照录像、打电话,上传给地面调度中心。”

如今,上湾煤矿智能安全单兵装备已进入常态化运行阶段。据统计,单兵装备系统应用以来,监视监测分析率达到98.5,实时分析响应时间小于2秒。心率、血压、血氧等测试指标精准度,与医院大型仪器测试结果基本相当。

“以前,我们巡检要背上氧气、甲烷、一氧化碳检测仪器,还要戴上矿灯和手机。现在,三种气体检测仪器集成到一个矿灯里,只要戴上矿灯就可以去巡检了。平时在井下开车没办法接电话,用手环就方便多了。风险隐患排查、遇到技术难题需要沟通时,可以随时随地进行视频通话。”沈飞说,“平时,我们半年或一年体检一次。但井下工作比较劳累,如果收到血压高等提示后,可以随时去医院针对性地就诊。”

一体化监测并设置预警阈值

为解决煤矿井下人员及环境风险监测分析能力不足、技术装备集成融合及智能化水平低等问题,中国煤炭科工集团煤炭科学技术研究院有限公司等研发出矿井职工智能穿戴及风险分析预警技术及装备。去年10月,中国煤炭科工集团携手华为公司,在第二十届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会发布了矿山行业全系列智能安全单兵装备。

煤炭科学技术研究院有限公司装备分院副总工张立亚表示:“我们针对国内外研究开展广泛调研,攻克了因井下环境恶劣而对监测数据产生干扰等很多难题。比如采集心电信号、呼吸脉搏与体温时,采用抗干扰材料,让监测精确度更高。再比如,井下设备体积较小,对防爆电源功率有限制。为此,我们对振动模块进行特殊处理,采用合路供电分路启动等方法,解决了设计难题,便于矿工携带。”

难题不止这些,还包含井下人员高强度劳作下体征监测易受汗液等影响导致数据不准确,人员健康参数与一氧化碳、甲烷、氧气等环境参数联动分析,多模块集成监测的轻量化、本安化设计等难题。

“我们给出的是‘一揽子’解决方案,可以实现5G数据传输、环境气体参数检测、人员体征监测、音视频通话、UWB定位、拍照摄录、照明等一体化功能。”张立亚说。

如今,在满足井下I类防爆本安电气参数前提下,这套装备启动电流降低38,数量减少85,设备重量减少60,成果经中国煤炭工业协会鉴定,属于国际领先水平。

“智能矿灯实时监测井下环境气体参数,比如一氧化碳、甲烷、氧气等。结合人员健康体征数据、位置信息等,通过深度学习算法进行分析,将形成蓝色、黄色、橙色、红色四个等级的预警级别。矿区可分别采取风险提示、定点告警、强制休息、区域通知撤离等响应措施。”研发人员王东表示。

打开电脑上的智能健康监测终端,采访人员看到,职工姓名、编号、所属部门、在线状态、数据上传时间、疲劳状态判定、风险等级与对应措施一一分布在矿工健康参数列表中。煤矿可根据实际情况,设置职工与环境健康预警阈值,判定是否属危险状态,进而采取针对性措施。这些实时数据不断积累,形成某一时间段的趋势曲线,帮助矿区掌握现状及制定对策。

此外,装备还可在井下信号中断时继续发挥作用。“我们在井下快速布置5G无线中继设备,即插即用,可在通信中断的条件下实现联络。假如出现断电的情况,数据无法上传,5G无线中继设备可以发挥常规情况下5G基站的一些功能,一级一级地把数据传回到地面。这相当于打通了应急救援情况下的传输通道。”王东解释。

跨界合作创新技术形态

“煤科院出技术方案,华为提供技术支持,煤矿出试验场地,三家共同努力才能让技术与装备落地。”高文才说。

“以往的智能化主要聚焦于矿山大型装备,但最终是需要围绕矿工提升智能化能力的。单兵装备就是要补齐‘人’在智能化建设中这个短板。”华为公司矿山行业智能安全单兵装备负责人肖宇彪表示。

通过与煤科院合作,华为公司提供出一些标准化产品,如针对矿山行业研发的鸿蒙操作系统。如今,在神东煤炭公司所属煤矿里,井下液压支架安装上这一操作系统,不仅让设备之间有了“通用语言”,而且有利于矿工简易化操作。

肖宇彪认为,不同于其他行业,煤矿井下设备的主要需求为本安改造、专网定制、矿鸿多设备协同等,安全可靠是第一位的。比如,改造后的手机完成KA和MA认证,支持矿鸿系统多设备协同。

“矿用本安手机还支持新一代无线短距通信技术——星闪功能,超低时延让通信更高效。卫星通信功能还支持矿产资源勘察、露天矿生产、野外作业等场景。”肖宇彪表示。

华为公司与煤科院、煤矿的跨界合作模式,融合了不同领域的先进技术。

“在跨界合作中,最重要的是需求导向和技术创新。”煤炭科学技术研究院有限公司装备分院院长孟庆勇表示。“一方面要准确摸清煤矿在不同场景和性能指标、日常应用等各环节的需求,作为研发导入;另一方面要融合不同领域的前沿技术成果,解决各类疑难杂症。”

上湾煤矿智能安全单兵装备团队表示,未来将在两方面继续拓展研发:一是继续开展矿用健康监测设备的功能拓展,融合UWB定位、音视频、拍照摄录和eSIM卡,实现现有两类设备集成合一;二是进一步利用矿工健康体征数据,实现基于AI智能化描绘煤矿工人职业健康“画像”,进行提前判断与预警。

“我们希望能实现视频巡检与远程指导。比如井下出现故障时,传统做法是把专业人员接到井下去处理,视频巡检实现的话就可以在地面上集合处理。再比如我们戴上智能眼镜,就可以让远在北京、上海的专家远程指导、处理故障。”高文才表示。

“建议矿灯继续完善一下。它集成功能多,体积还稍微有点大。建议在矿灯上再集成闪光器的功能。假如掘进面周边有大型移动设备,我们就可以把闪光灯打开,实现不间断闪光报警。”沈飞表示。

采访人员了解到,除智能手环、智能手机和智 能矿灯外,很多矿区还应用了一些其他的智能穿戴装备。如陕煤集团曹家滩矿业公司应用机械外骨骼,帮助矿工轻松搬移重物;华为公司发布矿用骨传导耳机,可在井下嘈杂环境中助力工人畅通交流;此外,无人机用于智能巡检,仿生机器人奔赴危险环境作业……改变正悄然发生。