耿新洋，袁正平，王富林

(南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

鈾礦井下采場屬于典型的受限作業(yè)空間，其空氣環(huán)境中除了與普通金屬礦山基本一致的有毒有害氣體以外，氡及氡子體、含放射性核素的粉塵、氣溶膠等可吸入性物質(zhì)是造成內(nèi)照射的主要原因[1-3]。受限作業(yè)空間中氡及氡子體的濃度、析出規(guī)律以及粉塵的分布特征受到通風(fēng)方式、通風(fēng)風(fēng)量、礦巖掘進(jìn)、礦石爆破等因素的影響，而通風(fēng)降氡是地下鈾礦開采輻射防護(hù)極其主要、有效的方式。但這些因素之間相互影響制約，一是難以實時精準(zhǔn)監(jiān)測氡及氡子體濃度，二是無法適應(yīng)環(huán)境—通風(fēng)協(xié)調(diào)的通風(fēng)降氡需求[4]。

當(dāng)鈾礦采用抽出式通風(fēng)時，隨著風(fēng)量的增大，作業(yè)空間內(nèi)氡的析出量也隨之上升[5]，特別是開采進(jìn)入中后期時，抽出式通風(fēng)會使工作面入風(fēng)氡污染較嚴(yán)重；當(dāng)采用壓入式通風(fēng)時，正壓作用能抑制礦壁中氡的析出，從而降低風(fēng)流中氡的濃度，同時總排風(fēng)口排氡量少，對排風(fēng)井附近的環(huán)境影響也較小[6]。由此，地下開采鈾礦采用基于環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的自動調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以降低氡濃度超標(biāo)對人體的影響，還可以提高通風(fēng)效率、實現(xiàn)按需供風(fēng)，同時遵循變頻調(diào)控規(guī)則，環(huán)境異常時發(fā)出預(yù)警[7]。

本文選用壓入式通風(fēng)方案，基于ARDUINO硬件平臺，設(shè)計1種“人—機—環(huán)”互聯(lián)自適應(yīng)的鈾礦智能通風(fēng)降氡系統(tǒng)。通過監(jiān)測井下受限作業(yè)空間中氡及其子體濃度、鈾礦塵濃度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)，利用云計算平臺將數(shù)據(jù)整合儲存至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器中，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)信息化，遠(yuǎn)程智能控制通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)而影響環(huán)境中各項指標(biāo)，實現(xiàn)人、設(shè)備、環(huán)境三者互聯(lián)。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

圖1為基于ARDUINO的鈾礦環(huán)境監(jiān)測及智能調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其由數(shù)據(jù)感知輸入層、指令信號決策層、云監(jiān)測及控制層3個部分組成。數(shù)據(jù)感知輸入層實現(xiàn)鈾礦井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)監(jiān)測，局部監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號處理后傳入指令信號決策層，指令信號決策層通過ARDUINO主控完成邏輯判斷，將指令傳至通風(fēng)系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，其中主通風(fēng)機根據(jù)系統(tǒng)總風(fēng)量調(diào)節(jié)。輔助通風(fēng)機由相應(yīng)回采工作面、掘進(jìn)工作面、硐室的環(huán)境檢測數(shù)據(jù)控制；圖1中上方為云監(jiān)測及控制層，用于存儲記錄環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、輸出控制指令，實現(xiàn)遠(yuǎn)程動態(tài)可視化監(jiān)測，采用ESP8266-WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和接收云平臺的控制指令，可實現(xiàn)人工干預(yù)通風(fēng)設(shè)備降氡降塵。

圖1 基于ARDUINO的鈾礦環(huán)境監(jiān)測及智能調(diào)控系統(tǒng)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控設(shè)計

鈾礦井下存在多種環(huán)境參數(shù)復(fù)合的情況，需要主控能夠同時接入多個不同的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且需要輸出多個信號實現(xiàn)控制通風(fēng)設(shè)備及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。本文系統(tǒng)中，硬件主控采用基于AVR單片機的ARDUINO UNO R3開發(fā)板，該開發(fā)板能夠?qū)崿F(xiàn)多輸入、多輸出的功能，將傳感器捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將控制信號輸出至相應(yīng)設(shè)備，進(jìn)而實現(xiàn)環(huán)境調(diào)控功能。因其具有較優(yōu)的開發(fā)性，硬件傳感器可根據(jù)鈾礦井下具體實施情況進(jìn)行改良，主控開發(fā)板內(nèi)置程序可重復(fù)編寫燒錄，為后期升級系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。在程序編寫方面，ARDUINO作為1種具有開放代碼源的電子開發(fā)系統(tǒng)，具有語言封裝性高的優(yōu)勢，其絕大部分功能提供庫函數(shù)，可直接調(diào)用函數(shù)進(jìn)行編程[8]。圖2為ARDUINO UNO R3開發(fā)板引腳說明，共有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，其中3，5，6，9，10，11數(shù)字接口可作為PWM輸出引腳，數(shù)字接口作為數(shù)字輸出引腳分別連接通風(fēng)設(shè)備輸入端口、報警設(shè)備輸入端口。6個模擬輸入引腳依次接入氡及其子體濃度傳感器、風(fēng)速傳感器、粉塵濃度傳感器。USB接口用于燒錄主控程序。

圖2 ARDUINO UNO R3開發(fā)板引腳說明

2.2 通信系統(tǒng)設(shè)計

基于大數(shù)據(jù)、云計算的礦井監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)未來發(fā)展趨勢，根據(jù)“智慧礦山”基本內(nèi)涵與建設(shè)要求，未來礦山安全監(jiān)測將實現(xiàn)信息智能化，數(shù)據(jù)接入云平臺后，建立監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)庫為人工智能提供設(shè)計和數(shù)值分析模型，以產(chǎn)生更高效地降氡降塵的通風(fēng)實施方案。人員能夠遠(yuǎn)程直觀觀測鈾礦井下環(huán)境參數(shù)，手動調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備的工作狀態(tài)，以產(chǎn)生更有效、更靈活的實施方案。通信系統(tǒng)采用ESP8266-01s型號Wi-Fi傳輸模塊與ARDUINO主控之間通信，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)和控制的功能[9]。配置ESP8266-01s聯(lián)網(wǎng)命令，實現(xiàn)自動進(jìn)入透傳模式連接云平臺且掉線重連功能，接線方式為ARDUINO UNO R3的RX接口和TX接口分別與ESP8266-01s的TXD接口與 RXD接口連接，建立傳感器采集數(shù)據(jù)上傳云平臺與云平臺傳輸控制信號的通信。

2.3 環(huán)境參數(shù)采集傳感模塊設(shè)計

本文系統(tǒng)設(shè)計需要對鈾礦井下氡及其子體濃度、風(fēng)速、鈾礦粉塵濃度進(jìn)行監(jiān)測，風(fēng)量可根據(jù)風(fēng)速推算得知。分別選用RHZM—Ⅰ型氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀、JY-YL2葉輪風(fēng)速傳感器、GCD1000型粉塵濃度傳感器。RHZM—Ⅰ型氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)時間快、可連續(xù)測定氡及其子體濃度等特點，監(jiān)測過程中，氡子體在入口濾膜聚集，其可被硅探測器所探測并實時測量，純氡在收集衰變室產(chǎn)生新的子體，其主要部分被靜電高壓作用下聚集在收集衰變室出口處，通過測出口探測器所得的α計數(shù)確定氡濃度[10]，經(jīng)過檢測儀內(nèi)部微處理器將處理后的信號通過串口傳輸；JY-YL2葉輪風(fēng)速傳感器具有測量正反風(fēng)速、精度高等特點，工作環(huán)境溫度在-20 ℃至+80 ℃之間，能夠良好地適應(yīng)井下高溫環(huán)境；GCD1000型粉塵濃度傳感器粉塵濃度測量范圍：0.1～1 000 mg/m3、粉塵設(shè)置范圍：0～1 000 mg/m3。

傳感器數(shù)據(jù)采集布局設(shè)計中，風(fēng)速、鈾礦粉塵濃度、氡及其子體濃度傳感器數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點分別設(shè)置在各回采工作面、掘進(jìn)工作面、硐室。監(jiān)測點傳感器將連續(xù)測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后傳入ARDUINO主控中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制局部通風(fēng)系統(tǒng)工作[11]。

2.4 氡及其子體濃度及鈾礦塵超標(biāo)報警設(shè)計

由于氡氣無色無味的物理性質(zhì)，施工作業(yè)人員無法察覺工作環(huán)境的氡及其子體濃度，若濃度超標(biāo)將對人體造成極大危害，濃度報警裝置可根據(jù)氡及其子體連續(xù)監(jiān)測儀監(jiān)測到的濃度數(shù)值通過主控發(fā)送工作指令信號，警示施工人員盡快撤離。鈾礦塵超標(biāo)報警設(shè)計由蜂鳴器和紅色報警燈組成，報警器和紅色報警燈可直接接收ARDUINO主控中輸出的高低電平，將報警器的信號輸入端與ARDUINO主控的數(shù)字輸出引腳8相連，設(shè)置為低電平持續(xù)觸發(fā)，報警器連續(xù)工作，紅色報警燈與ARDUINO主控的數(shù)字輸出引腳12相連，低電平觸發(fā)工作，同時將報警信息上傳至云平臺，并將報警區(qū)域、時間、氡及其子體濃度和鈾礦粉塵濃度隨時間變化趨勢、通風(fēng)系統(tǒng)反饋動作記錄云平臺數(shù)據(jù)庫中，為分析事故原因及預(yù)判事故發(fā)生提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

主通風(fēng)機程序設(shè)定，計算全礦井所需總風(fēng)量且因存在內(nèi)外漏風(fēng)、分風(fēng)不均衡等多種不可準(zhǔn)確估計的因素，在設(shè)定總需風(fēng)量時留有一定富余量，判斷系統(tǒng)總風(fēng)量是否低于總需風(fēng)量，智能改變主通風(fēng)機工作特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)總風(fēng)量。讀取傳感器數(shù)據(jù)輸入值，與ARDUINO主控程序中設(shè)定數(shù)值進(jìn)行邏輯運算，根據(jù)判斷結(jié)果控制主通風(fēng)機的運作。

輔助通風(fēng)機的工作狀態(tài)取決于其工作區(qū)域的風(fēng)速和空氣中鈾礦塵濃度、氡及其子體濃度，根據(jù)程序設(shè)定，判斷工作面的風(fēng)速是否達(dá)到規(guī)定施工值，輸入風(fēng)速值未達(dá)到工作面規(guī)定施工值時，控制輔助通風(fēng)機功率升高滿足工作面風(fēng)速最低限定值，進(jìn)入正常工作模式。傳感器采集的數(shù)據(jù)必然存在一定時延以及誤差，將氡及其子體濃度限定值下限的5%作為預(yù)設(shè)值，根據(jù)現(xiàn)場氡及其子體濃度判斷輔助通風(fēng)機通風(fēng)設(shè)備功率模式及報警模塊響應(yīng)情況。同樣將鈾礦粉塵濃度限定值下限的5%作為預(yù)設(shè)值，根據(jù)現(xiàn)場采集到的鈾礦粉塵濃度，ARDUINO主控控制輔助通風(fēng)機通風(fēng)設(shè)備的功率模式，未出現(xiàn)濃度超標(biāo)等情況，則判斷各區(qū)域風(fēng)速是否超出標(biāo)準(zhǔn)限定的最高風(fēng)速值，若超出將智能調(diào)節(jié)輔助通風(fēng)機，整個系統(tǒng)的測定的總風(fēng)量值將上傳至云平臺，系統(tǒng)總風(fēng)量超出設(shè)定所需總風(fēng)量值時報警，人工控制各輔助通風(fēng)機與主通風(fēng)機的功率模式。

主、輔通風(fēng)機流程如圖3所示。

圖3 主、輔通風(fēng)機流程

4 網(wǎng)絡(luò)云平臺搭建

云平臺構(gòu)架如圖4所示。

圖4 云平臺構(gòu)架

傳統(tǒng)的礦井下有線傳輸數(shù)據(jù)的通信方式存在一定弊端，例如：當(dāng)線纜某一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點斷開時，造成數(shù)據(jù)上傳不及時，引發(fā)安全問題。礦井下線纜部署困難，且耗費成本高。所以本文選用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，可有效解決線纜布局延展性差等弊端，方便后期根據(jù)不同情況建立新的檢測端口[12]。網(wǎng)絡(luò)搭建由ESP8266-WiFi模塊、ARDUINO主控模塊、網(wǎng)絡(luò)云平臺3部分組成，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖5所示。云平臺創(chuàng)建相應(yīng)傳感器的產(chǎn)品和控制通風(fēng)及報警設(shè)備，環(huán)境參數(shù)將通過配置完畢的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接通信接入云平臺的設(shè)備，以報文形式發(fā)送，實現(xiàn)PC端和手機應(yīng)用端實時監(jiān)測環(huán)境中各項指標(biāo)、遠(yuǎn)程控制通風(fēng)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各風(fēng)機工作的功能。同時在云平臺應(yīng)用管理界面進(jìn)行編輯和設(shè)計，使各項指標(biāo)易于分辨及觀測[13-16]。

圖5 ESP8266-WiFi模塊工作流程

配置完畢的ESP8266-WiFi模塊初始化后，自動接入云平臺服務(wù)器設(shè)備，數(shù)據(jù)感知輸入層中各傳感器進(jìn)入初始化，獲取環(huán)境信息送至ARDUINO主控，通過ESP8266-WiFi模塊將環(huán)境信息上傳至云平臺服務(wù)器設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)平臺實時監(jiān)測環(huán)境的變化。

5 展望

從大數(shù)據(jù)、云計算的未來發(fā)展趨勢看，未來礦山安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)將會從傳感技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等方面的發(fā)展得到快速升級。本文系統(tǒng)設(shè)計具有靈活性和開發(fā)性，后期可同步最新傳感器，能夠替換更加完善的傳感器，接入ARDUINO主控的硬件設(shè)施可根據(jù)不同的鈾礦山應(yīng)用場景進(jìn)行設(shè)備更換，同時云平臺將收集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及通風(fēng)系統(tǒng)機制同步反饋至數(shù)據(jù)庫，建立深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模型庫，結(jié)合最優(yōu)算法多環(huán)節(jié)、多層次進(jìn)行迭代優(yōu)化，預(yù)測出最佳通風(fēng)模式，并能夠提前告知預(yù)警信息，搭建集通風(fēng)模式和預(yù)警最優(yōu)的反饋機制。未來礦山將集開采、冶煉、安全防護(hù)、尾礦充填建立起完整的數(shù)據(jù)調(diào)控中心，以云計算為基礎(chǔ)實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)控、相互協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)共享、自動化與數(shù)據(jù)分析相融合的現(xiàn)代化數(shù)字礦山。

6 結(jié)論

1)本文提出基于“人-機-環(huán)”互聯(lián)自適應(yīng)的鈾礦智能通風(fēng)降氡方案，架構(gòu)基于Arduino的氡氣監(jiān)測及智能調(diào)控系統(tǒng)。

2)基于Arduino開發(fā)板和ESP8266-WiFi模塊等核心硬件，系統(tǒng)搭建出數(shù)據(jù)感知輸入、指令信號決策、云監(jiān)測及控制3個層次。

3)基于智能控制與物聯(lián)感知的融合技術(shù)，系統(tǒng)可實現(xiàn)通風(fēng)設(shè)備自適應(yīng)調(diào)控響應(yīng)，同時實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能通風(fēng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。