一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置及系统

摘要

本发明公开了一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置及系统，包括安全头盔本体、透明防尘镜罩、电源与数据接口、光谱处理单元、RFID阅读器和无线MESH收发器。光谱巡检装置采集光谱与RFID数据信息，采集的数据信息分别同时用于三个子单元模块进行数据共享与处理，装备产热监测单元和瓦斯气体探测单元共同使用所述人员辅助定位单元的定位信息，在操作人员作业时，自动进行工况巡检测，并记录下异常工况的具体物理位置，传送到远程监控系统，并警示其他作业人员，危险时，指引其他作业人员进行安全撤离。其在不增加作业人员携带负载与作业复杂度的基础上，能够有效预防地下智能空间易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等突发状况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种穿戴式光谱巡检装置及系统，特别涉及一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置及系统，属于特种智能装备的状态监测技术领域。

背景技术

目前，随着智能传感与控制技术的深入研究与广泛应用，智能巡检装备已经逐渐成为地下智能空间的主要装备之一，针对当前基于常规视觉的状态监控手段，受限于井下高粉尘、低照度影响，在实际应用中往往无法满足实用性需求，而且针对于传统固定安装位置的监控手段，能够监控的视角较固定，很难满足人机交互需求，难以将系统监测数据及时与现场操作人员进行诊断信息共享，尤其在易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等危险工况时，难以快速警示操作人员并指引操作进行危险避让。另一方面，传统监测方法往往具有固定的安装位置与方位布局，设备维护与保养需派送专业技术人员到现场指定作业面，在深海、井下甚至外太空等特殊智能空间作业时，对维护人员的培养成本昂贵，保养与维护方式等作业流程灵活性也较差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置及系统，其在不增加作业人员携带负载与作业复杂度的基础上，能够有效预防地下智能空间易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等突发状况。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置，包括安全头盔本体、透明防尘镜罩和电源与数据接口，所述透明防尘镜罩可活动的安装在安全头盔本体上，所述安全头盔本体上安装有光谱处理单元、无线MESH收发器和RFID阅读器，所述光谱处理单元固定在透明防尘镜罩上方的安全头盔本体上，无线MESH收发器连接于光谱处理单元上，RFID阅读器安装于安全头盔本体顶部；

所述光谱处理单元包括光谱探测镜头、Mini可控光源和便携式光谱处理模块，光谱处理单元的电源与数据接口安装于安全头盔本体的侧边；

－所述光谱探测镜头用于捕获光谱信息，Mini可控光源内置于光谱探测镜头内；

－所述Mini可控光源用于在低照度环境下的自动光源补偿；所述Mini可控光源与所述光谱探测镜头分别按照行、列对称布置，通过精确控制内部旋转反射镜与感光控制电路，使得同一MEMS FPI光谱感应芯片分时感知不同位置的光谱信息，从而利用单点光谱感应芯片实现多点光谱信息分时感知；

－所述便携式光谱处理模块用于采集与处理分时捕获的多点光谱信息，检测包括易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常以及产生明火在内的工况；

所述无线MESH收发器用于进行本地监测数据结果实时上传至远程监控端，使远程端及时掌握现场操作人员巡检测结果，必要时也可通过无线MESH网络与现场操作人员进行实时语音通信；

所述RFID阅读器用于与智能空间已经建有的RFID定位系统进行数据交换从而实现操作人员作业轨迹监测，同时也用于定位实时所测数据对应的物理位置，在危险工况下，也用来指导操作人员在智能空间内进行危险避让。

本发明尤其适用于地下智能空间瓦斯易爆气体检测与作业装备热量检测的巡检。

所述安全头盔本体用于进行基本机械损伤保护，基本结构可与现有安全头盔一致，防止损伤人员头部受到外部强力撞击等物理伤害；

所述透明防尘镜罩用于进行高粉尘作业或危险状况下辅助保护功能；

所述电源与数据接口一方面用于与背部背包电源接通，另一方面也可用于装置数据存取。

作为优选，所述安全头盔本体顶部还设置有警示LED灯；

作为优选，位于透明防尘镜罩下方的安全头盔本体上设置有警示蜂鸣器。

在本专利中，警示LED灯与警示蜂鸣器主要用于警示操作人员，当RFID定位到操作人员不宜走到的现场、或者是现场发生危险时，通过LED灯光与蜂鸣器等声光协同警示作用，及时提醒操作人员，并通过LED灯光颜色与蜂鸣器声波振动频率及强度，指引操作人员向安全区域撤离。

作为优选，所述光谱探测镜头设置有四个，所述Mini可控光源也相应的设置有四个并内置于光谱探测镜头内，所述光谱探测镜头和所述Mini可控光源对称的双行双列布置。所述光谱探测镜头还可根据使用需要设置若干个，且数量为偶数个。

作为优选，所述光谱处理单元的电路组成包括光谱处理器、定位与通信模块、光谱采集模块、机载功能模块和数据接口；

－所述光谱处理器内置HarmonyOS操作系统，便于系统进行多机协同；

－所述定位与通信模块包括无线Mesh收发模块以及RFID定位模块，用于RFID定位与无线MESH收发；

－所述光谱采集模块包括光谱MEMS FPI芯片、四组光谱镜头以及Mini可控光源，用于对四个不同点位的光谱信息彩信；

－所述机载功能模块包括警示蜂鸣器模块、警示LED灯模块、电源及其接口模块、SD卡存储管理模块；

－所述数据接口用于将处理完成的信息通过Ethernet与远程监控端进行数据通信，或者进行其他存取操作。

本发明在传统作业头盔的结构基础上，新增MEMS光谱探测器、RFID定位以及无线通信模块等功能部件，实现在普通操作人员作业的同时，完成现场作业工况的实时巡检与分析，实时检测易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等危险工况，并根据当前工况危险程序，通过系统附加声光警示与定位功能定位模块，快速警示并指引操作人员在智能空间内进行危险避让。

同时，本发明还公开了一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检系统，其包括

(1)在井下智能空间，特别是综采工作面，每隔若干架液压支架安装一组RFID定位装置与无线MESH收发器，在刮板输送机头与机尾也分别安装一组RFID定位装置与无线MESH收发器，用于光谱巡检装置进行定位与通信；

(2)光谱巡检装置采集光谱与RFID数据信息，采集的数据信息分别同时用于三个子单元模块进行数据共享与处理，即：人员辅助定位单元、装备产热监测单元和瓦斯气体探测单元；

(3)所述装备产热监测单元和瓦斯气体探测单元共同使用所述人员辅助定位单元的定位信息，在操作人员作业时，自动进行工况巡检测，并记录下异常工况的具体物理位置，传送到远程监控系统，并警示其他作业人员，危险时，指引其他作业人员进行安全撤离。

作为优选，所述人员辅助定位单元的工作过程为：

(1)所述人员辅助定位单元首先提取RFID阅读器信息，进行基于RFID的人员离散概要定位；

(2)同时也可根据无线MESH收发器接收到同一人员的信号时延情况进行多普勒差分定位；

(3)最后通过信息融合方法实现人员辅助定位功能。

作为优选，所述瓦斯气体探测单元的工作过程为：

(1)所述瓦斯气体探测单元，将光谱数据源通道提取为红外光谱信息与RGB光谱信息；

(2)再通过构建瓦斯气体相干层析深度模型，利用卷积神经网络进行瓦斯含量分类探测，进而实现瓦斯气体探测功能。

作为优选，所述装备产热监测单元的工作过程为：

所述装备产热监测单元使用光谱带中的红外光谱波段，进而探测不同点的红外信息值，进而判断装备产热情况，再通过设置红外探测点温度阈值判定进行明火判断。

本发明的有益效果：本发明通过井下传统作业头盔的结构进行改良，在安全头盔本体上安装光谱处理单元、无线MESH收发器和RFID阅读器等功能部件，实现了在普通操作人员作业的同时，完成现场作业工况的实时巡检与分析，实时检测易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等危险工况，并根据当前工况危险程序，通过系统附加声光警示与定位功能定位模块，快速警示并指引操作人员在智能空间内进行危险避让。将智能空间内的操作工种与巡检测工种合二为一，减少了人员成本，为实现智能空间内的少人化另辟蹊径，同时也解决了传统监测方法灵活性差、专业维护成本高等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明光谱处理单元硬件电路原理框图；

图3为本发明的应用实例图；

图中：1.安全头盔本体，2.透明防尘镜罩，3.电源与数据接口，4.光谱处理单元，41.光谱探测镜头，42.Mini可控光源，43.便携式光谱处理模块，5.无线MESH收发器，6.RFID阅读器，7.警示LED灯，8.警示蜂鸣器，100.光谱处理器，101.定位与通信模块，102.光谱采集模块，103.机载功能模块，104.数据接口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

如图1所示，本发明公开了一种面向复杂智能空间的穿戴式光谱巡检装置，包括安全头盔本体1、透明防尘镜罩2和电源与数据接口3，所述透明防尘镜罩2可活动的安装在安全头盔本体1上，所述安全头盔本体1上安装有光谱处理单元4、无线MESH收发器5和RFID阅读器6，所述光谱处理单元4固定在透明防尘镜罩2上方的安全头盔本体1上，无线MESH收发器5连接于光谱处理单元4上，RFID阅读器6安装于安全头盔本体1顶部；

所述光谱处理单元4包括光谱探测镜头41、Mini可控光源42和便携式光谱处理模块43，光谱处理单元的电源与数据接口3安装于安全头盔本体1的侧边；

－所述光谱探测镜头41用于捕获光谱信息，Mini可控光源42内置于光谱探测镜头内；

－所述Mini可控光源42用于在低照度环境下的自动光源补偿；所述Mini可控光源与所述光谱探测镜头分别按照行、列对称布置，通过精确控制内部旋转反射镜与感光控制电路，使得同一MEMS FPI光谱感应芯片分时感知不同位置的光谱信息，从而利用单点光谱感应芯片实现多点光谱信息分时感知；

－所述便携式光谱处理模块43用于采集与处理分时捕获的多点光谱信息，检测包括易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常以及产生明火在内的工况；

所述无线MESH收发器5用于进行本地监测数据结果实时上传至远程监控端，使远程端及时掌握现场操作人员巡检测结果，必要时也可通过无线MESH网络与现场操作人员进行实时语音通信；

所述RFID阅读器6用于与智能空间已经建有的RFID定位系统进行数据交换从而实现操作人员作业轨迹监测，同时也用于定位实时所测数据对应的物理位置，在危险工况下，也用来指导操作人员在智能空间内进行危险避让。

本发明尤其适用于地下智能空间瓦斯易爆气体检测与作业装备热量检测的巡检。

所述安全头盔本体1用于进行基本机械损伤保护，基本结构可与现有安全头盔一致，防止损伤人员头部受到外部强力撞击等物理伤害；

所述透明防尘镜罩2用于进行高粉尘作业或危险状况下辅助保护功能；

所述电源与数据接口3一方面用于与背部背包电源接通，另一方面也可用于装置数据存取。

所述安全头盔本体1顶部还设置有警示LED灯7；

位于透明防尘镜罩2下方的安全头盔本体1上设置有警示蜂鸣器8。

在本专利中，警示LED灯7与警示蜂鸣器8主要用于警示操作人员，当RFID定位到操作人员不宜走到的现场、或者是现场发生危险时，通过LED灯光与蜂鸣器等声光协同警示作用，及时提醒操作人员，并通过LED灯光颜色与蜂鸣器声波振动频率及强度，指引操作人员向安全区域撤离。

所述光谱探测镜头41设置有四个，所述Mini可控光源42也相应的设置有四个并内置于光谱探测镜头内，所述光谱探测镜头和所述Mini可控光源对称的双行双列布置。所述光谱探测镜头还可根据使用需要设置若干个，且数量为偶数个。

如图2所示，所述光谱处理单元4的电路组成包括光谱处理器100、定位与通信模块101、光谱采集模块102、机载功能模块和数据接口103；

－所述光谱处理器100内置HarmonyOS操作系统，便于系统进行多机协同；

－所述定位与通信模块101包括无线Mesh收发模块以及RFID定位模块，用于RFID定位与无线MESH收发；

－所述光谱采集模块102包括光谱MEMS FPI芯片、四组光谱镜头以及Mini可控光源，用于对四个不同点位的光谱信息彩信；

－所述机载功能模块103包括警示蜂鸣器模块、警示LED灯模块、电源及其接口模块、SD卡存储管理模块；

－所述数据接口104用于将处理完成的信息通过Ethernet与远程监控端进行数据通信，或者进行其他存取操作。

本发明在传统作业头盔的结构基础上，新增MEMS光谱探测器、RFID定位以及无线通信模块等功能部件，实现在普通操作人员作业的同时，完成现场作业工况的实时巡检与分析，实时检测易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等危险工况，并根据当前工况危险程序，通过系统附加声光警示与定位功能定位模块，快速警示并指引操作人员在智能空间内进行危险避让。

实施例二

如图3所示，为本发明穿戴式光谱巡检装置及系统在煤矿井下智能空间的具体应用，其包括：

(1)在井下智能空间，特别是综采工作面，每隔若干架液压支架安装一组RFID定位装置与无线MESH收发器，在刮板输送机头与机尾也分别安装一组RFID定位装置与无线MESH收发器，用于光谱巡检装置进行定位与通信；

(2)光谱巡检装置采集光谱与RFID数据信息，采集的数据信息分别同时用于三个子单元模块进行数据共享与处理，即：人员辅助定位单元、装备产热监测单元和瓦斯气体探测单元；

(3)所述装备产热监测单元和瓦斯气体探测单元共同使用所述人员辅助定位单元的定位信息，在操作人员作业时，自动进行工况巡检测，并记录下异常工况的具体物理位置，传送到远程监控系统，并警示其他作业人员，危险时，指引其他作业人员进行安全撤离。

所述人员辅助定位单元的工作过程为：

(1)所述人员辅助定位单元首先提取RFID阅读器信息，进行基于RFID的人员离散概要定位；

(2)同时也可根据无线MESH收发器接收到同一人员的信号时延情况进行多普勒差分定位；

(3)最后通过信息融合方法实现人员辅助定位功能。

所述瓦斯气体探测单元的工作过程为：

(1)所述瓦斯气体探测单元，将光谱数据源通道提取为红外光谱信息与RGB光谱信息；

(2)再通过构建瓦斯气体相干层析深度模型，利用卷积神经网络进行瓦斯含量分类探测，进而实现瓦斯气体探测功能。

所述装备产热监测单元的工作过程为：

所述装备产热监测单元使用光谱带中的红外光谱波段，进而探测不同点的红外信息值，进而判断装备产热情况，再通过设置红外探测点温度阈值判定进行明火判断。

本发明通过井下传统作业头盔的结构进行改良，在安全头盔本体上安装光谱处理单元、无线MESH收发器和RFID阅读器等功能部件，实现了在普通操作人员作业的同时，完成现场作业工况的实时巡检与分析，实时检测易燃易爆气体溢出、作业装备产热异常甚至产生明火等危险工况，并根据当前工况危险程序，通过系统附加声光警示与定位功能定位模块，快速警示并指引操作人员在智能空间内进行危险避让。将智能空间内的操作工种与巡检测工种合二为一，减少了人员成本，为实现智能空间内的少人化另辟蹊径，同时也解决了传统监测方法灵活性差、专业维护成本高等问题。

所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。