1.引言
自从谷歌公司近年推出了头戴式显示器，可穿戴（电子）设备就引发了相当大的关注。可穿戴设备在短时间内成功地在消费电子市场取得了重要地位，并被认为是解决许多行业需求的新手段。例如，建筑行业已经研究了可穿戴设备在工地上的应用，可对建筑工人进行近距离检测和生理监测，开展健康和安全管理。物流行业已经开始使用名为ProGloves的智能条码扫描手套来简化不需要用手直接操作的工作，一些保险公司也在推广使用可穿戴设备来鼓励职员养成健康的饮食习惯，以提高企业员工的健康水平。此外，医务人员正使用如健身追踪器等可穿戴设备来获取生理、行为和周围环境数据，用于慢性病的诊断、治疗和管理。虽然目前还在进行许多研究，以确定如何使这些设备更好地适应不同的行业，但预计在不久的将来，可穿戴设备技术的应用范围将迅速扩大。
近年来，已有一些可穿戴设备在矿业行业中应用的报道，如支持硬岩矿床的开采过程控制、煤矿的健康和安全管理、工业化矿山的环境质量监测等。例如，一种带有甲烷和一氧化碳气体传感器的智能安全帽被开发出来，当井下煤矿工人周围的有害气体浓度超过一定的限值时，可以发出警报。由于井下煤矿的许多事故都是由瓦斯泄漏引起的，智能安全帽的出现说明了可穿戴技术在煤矿行业健康安全管理中的适应性。然而迄今为止，还没有研究工作来总结可穿戴设备在矿业行业中的应用，以便于人们理解可穿戴设备的应用现状和潜在用途。
本次研究的目的是综述可穿戴技术的发展趋势及其在矿业行业中的应用。本文介绍了可穿戴设备的分类及其所带传感器的特点，报道了目前可穿戴设备在采场的使用案例，并提出了矿工可穿戴安全管理系统等应用。
2.可穿戴设备的分类
可穿戴设备可以根据其功能、外观、与人体的距离等参数进行分类。本次研究根据不同功能特性和能力进行分类，进一步说明其在工业领域的应用，如表1所示。
表1 可穿戴技术的分类
2.1 智能手表
智能手表是一种主要佩戴在手腕上的小型电脑设备，通常具有通信等扩展功能。目前大多数智能手表都基于移动操作系统，佩戴者可通过搭载的屏幕接收新的通知，如信息、来电或日历提醒等。制造商们正不断开发新产品并增加功能，如防水结构、GPS导航系统以及健身或健康追踪功能等。现在的智能手表在增加了可靠、灵敏的惯性传感器后，可以用来捕捉和分析手势，如吸烟等活动。
2.2 智能眼镜
作为另一类可穿戴设备，智能眼镜或智能护目镜可用于光学头戴式显示（OHMD）、抬头显示（HUD）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）和智能隐形眼镜等各种应用。尽管在功能和设计上存在差异，但所有的智能眼镜都可以分为两类：一类是与智能手机配对的，需要在智能手机屏幕上看到图像，另一类是独立设备，需要与信号源设备有线连接。智能眼镜既可以单眼显示也可以双眼显示，取决于信号源提供的信息。
2.3 健身追踪器
健身追踪器又称活动追踪器，通常佩戴在手腕、胸前或耳部，用于监测和追踪户外运动等活动，并测量与健身相关的指标，如跑步的速度和距离、呼气、脉搏和睡眠习惯等。一些研究调查了许多活动追踪器，并测量了它们计步时的准确性和可靠性。结论是，有些追踪器在室内表现良好，能提供有效的结果，而另一些追踪器更适合户外活动。研究人员认为，追踪器可以为用户的健康赋能，采用追踪器可以鼓励超重的儿童多做运动。欧洲和美国的职业足球队都曾使用阿迪达斯公司生产的活动追踪器miCoach来量化球员的体能表现。
2.4 智能服装
虽然智能服装在各个方面与其他类型的可穿戴设备类似，可以监测穿戴者的身体状况，但它们包括的可穿戴物品范围很广，从运动服和消费类运动服（智能衬衫和体型服）到胸带、医疗服、工作服监测服、军用服装和电子纺织品等。智能服装由一系列的物品组成，形式通常是衬衫、袜子、瑜伽裤、鞋子、带有隐蔽摄像头的领结、头盔、帽子等带有各种传感器和功能的帽子。可穿戴智能生物识别设备已经吸引了高尔夫、足球、田径、赛车、篮球、棒球等专业运动领域的领军人物的关注，各球队和运动员已经开始受益于可穿戴设备的应用，在训练时监测球员的身体状况，减少受伤次数，提高球队的成绩。智能服装对于消防员、建筑工地、交通出行等方面都有可能带来巨大的好处。
2.5 可穿戴摄像机
与传统摄像机相比，可穿戴摄像机的人性化设计、移动性和灵活性吸引了消费者的极大兴趣。这些摄像机的魅力在于，它们非常适合制作第一人称的实时视频和照片。目前，可穿戴摄像机主要有两种类型：一种是可以挂在身上或衣服上，甚至可以戴在耳朵上的小型摄像机，另一种是可以安装在帽子或头盔上的大型摄像机。一些研究人员表明，可穿戴摄像机在跌倒检测和生态环境监测方面具有重要应用价值。
2.6 可穿戴医疗设备
可穿戴医疗设备通常由一个或多个生物传感器组成，用于监测各种生理数据，以预防疾病，提供早期诊断，促进治疗和家庭康复。数字医疗可穿戴设备通常与其他可穿戴设备组合在一起，如活动监测器、智能手表、智能服装和贴片等，都是为了利用安装在设备上的非侵入性传感器帮助收集有关病人健康的重要数据。
3.可穿戴设备中使用的传感器的特点
根据不同的应用，可穿戴设备中使用了不同类型的传感器。世界各地的许多制造商都为个人或专业开发人员生产此类传感器。由于传感器是最适合矿业行业的可穿戴设备的重要组成部分，因此本文通过将传感器分为四大类，即环境传感器、生物传感器、位置跟踪传感器和其他传感器，对传感器的特点进行了回顾。
3.1 环境传感器
环境传感器被用于测量、监测和记录环境条件或特性，如气压、相对湿度、光照度、温度、粉尘、水位等。可用于检测光线的光传感器（见图1a）在科学应用和日常消费类产品中广泛存在，如运动光传感器、环境光传感器、室外灯、安全灯、交通灯传感器等。声音传感器或传声器（见图1b）用于确定环境的声音强度。它们有多种形式，包括冷凝器、色带、碳纤维和动圈式麦克风。最常见的一种是动圈式麦克风，它可以测量人类敏感频率下的噪声水平，单位为分贝。
湿度传感器（见图1c）测量空气中的相对湿度，以用于湿度和温度测量。这些传感器有时被称为湿度/露水传感器，可在建筑物的供暖、通风或空调系统中找到。火焰传感器（见图1d）用于检测明火或火灾，比常用的烟雾或热量探测器更灵敏、更准确。烟雾传感器（见图1e）在检测烟雾、酒精和其他有害气体方面具有类似的功能。
图1 环境传感器及其部件
注：（a）光传感器，（b）声音传感器，（c）湿度传感器，（d)）火焰传感器，（e）油烟传感器。
3.2 生物传感器
随着人们对健康监测需求的不断增加，生物传感器的应用范围不断扩大。这些传感器可以让人们随时了解自己的健康状况，并被医护人员用于疾病的早期诊断和预防。例如体温传感器、心率监测传感器、心电图（ECG）、脑电图（EEG）、肌电图（EMG）传感器、血压传感器、血糖水平传感器等。
心率监测模块（图2a）可用于测量心脏的电活动，用于提取、放大和滤波生物电位信号以产生心率。通常情况下，心脏监测器需要使用生物医学传感器垫和电缆。图2b所示的指夹式心率传感器是一种高性能的光学生物传感器，可测量血液在体内的运动变化。生物传感器常见于医疗电子产品中，用于监测患者的健康状况，在室内使用的医疗电子产品中很常见。
图2 光学生物传感器
注：（a）心电图传感器，（b）指夹式心率传感器。
3.3 定位和位置跟踪传感器
定位和位置跟踪传感器（即GPS、高度计、磁力计、罗盘和加速度计）是可穿戴设备上最常见的传感器类型，如活动追踪器、智能手表，甚至医疗可穿戴设备上的传感器，用于检查病人的身体活动和健康状况。GPS模块（见图3a）是一种用于空间导航的三轴传感器，可以在任何时间和大多数天气条件下确定位置、高度和速度。然而，在矿业行业中，使用GPS（仅在露天矿）模块进行跟踪的例子很少。由于GPS模块所需的信号在室内无法获得，因此被认为不适合用于井下跟踪系统。数字罗盘（见图3c）是一个简单的磁力计，用于确定气候磁场的方向。
磁力计传感器可用于测量特定地点的磁场。由于它可以检测到黑色金属，因此可以用于跟踪金属车辆和人体运动（与加速度计和/或智能手机联合使用时）。另一种常见的惯性传感器是加速度计，它的传感范围较广。它们有单轴、双轴、三轴或六轴的实现方式（见图3b），在跌倒检测和安全管理应用中具有很高的能力。
图3 位置追踪传感器
注：（a）全球定位系统模块，（b）六轴加速度计和罗盘，（c）数字罗盘。
3.4 其他传感器
其他传感器包括市场上的各种检测器和传感器，通常在消费类可穿戴设备上可以找到。可穿戴摄像头和智能眼镜通常与摄像头传感器一起被描述为这些设备的主要部分。通信传感器模块（即蓝牙、射频识别（RFID）、Wi-Fi等）为可穿戴设备提供通信和数据交换功能。这些传感器在矿业行业中被用于跟踪和其他目的。运动传感器、速度传感器、惯性测量单元（IMU）传感器（由加速度计、陀螺仪、磁力计组成的复合单元）、超声波传感器、红外线接收器（IR）传感器（带有光电池的小型微型芯片，用于捕捉红外线）等也被用作可穿戴设备的电子元件。
4.可穿戴设备在矿业行业中的应用
4.1 目前在采矿部门的应用
加拿大的Vandrico Solutions公司正在开发一种类似于Google Glass的头戴式设备，该设备被描述为第一个针对采矿部门的SmartGlass应用。该项目预计将在全球50个矿山中使用，这些矿山目前正在使用Motion Metrics公司研发的Metrics ManagerTM。此次合作使该项目能够提供特殊功能，并提高硬岩采矿作业的效率和安全性。智能眼镜所支持的应用实例包括：控制采矿设备的时间管理，自由访问最常访问的信息，以及生产过程控制和监控，如输送带装载监督等。该应用的核心是通过GPS定位识别，并通过眼镜的通信功能进行信息交换。虽然该项目的硬件尚未确定，但公司重点关注的是Recon Instruments公司的智能眼镜HUD系统。该智能显示器的目的是让每个用户能够与环境进行免提交互，并通知最需要的采矿作业。该设备上的摄像头可以在矿机维护或维修等紧急情况下拍摄图像或视频，并发送给管理人员进行监督或建议。
德勤可穿戴设备公司（Deloitte Wearables）是另一家专注于采场可穿戴项目的加拿大企业，与其他类似企业不同的是，他们以另一种可穿戴智能安全帽为安全目标。这种新的可穿戴设备很轻，可以安装在矿工安全帽的背面或正面。它包含检测空气中有害气体含量的传感器、辐射传感器、温度和湿度传感器，以及根据矿井类型的不同，还包含其他传感器。该安全帽除了为紧急情况下提供一个由黄灯到红灯的警报系统外，还可以方便管理人员与矿工之间的沟通。与之配套的软件平台将允许管理人员跟踪设备并监控矿工的行动。该项目是与另外两家公司Cortex Design和Vandrico合作开发的。其中，Vandrico团队为矿工建立了软件平台，并为其配备了跟踪系统，而Cortex Design则制作了该项目的硬件系统。Cortex团队访问了位于Sudbury的一个采场，并与矿工们进行了深入的交谈，征求他们对设计该设备的建议，以应对采场的挑战。该追踪系统基于无线电频率识别标签，供管理部门获取矿工的位置信息，以便更好的管理。该设备是完全可充电的，即使戴着手套也能控制。这款智能小工具可以感应到身体的手势来完成任务。
在南非，矿业安全系统企业——Expert Mining Solutions公司正在开发“Life”穿戴设备，该设备集成了传感器和执行器，用于获取设备驾驶员（牵引车、挖掘机、推土机、平地机和水车）的大脑活动数据，并监测英美资源集团冶金煤业公司运营的煤矿的疲劳情况。“Life”设备可以准确测量佩戴者的脑电波，并存储数据进行医学分析。该设备针对矿井操作人员，关注采矿环境中可能存在的风险。它可以检测到大脑中缺乏信号，例如确定是否有困意（该系统使用先进的测量工具测量操作人员的睡眠抵抗力）、饮食或可能导致工人疲劳的医疗状况等。当这一设备投入使用后，有望降低事故发生率，提高车辆驾驶员的意识。“Life”设备的技术是由四所大学研发的，目前已经通过认证，检测疲劳的准确率几乎达到95%。在过去5年里，该设备已经在北开普省Assmang公司运营的采场进行了试验，这是南非矿业行业首次正式使用可穿戴设备。
可吸入硅尘，又称可吸入结晶硅，是采矿过程中在岩石中发现的一种天然物质，是矿工的主要有害污染物。这种细小的粉尘会引起肺部相关的慢性疾病。为了分析采场最危险的区域并制定预防策略，一种名为Helmet-Cam的可穿戴粉尘评估技术已经在两个工业化采场进行了测试。该设备由一个连接在安全帽上的摄像机、矿工腰带或背包上的实时记录数据的可吸入粉尘监控器、视频监控器和一个安全背心（用于固定整个系统）组成。当采集到的视频和粉尘数据上传到软件中时，它会自动分析空气中的可吸入硅尘浓度。
4.2 在矿山安全管理中的应用
迄今为止所描述的方法都是片面的，或者说没有解决矿山行业在安全、通讯、职业健康等方面的复杂需求。因此，本次研究从为矿工提供可穿戴设备提高安全的角度出发，提出了一套矿工可穿戴安全管理系统（图4）。该系统包括多种可穿戴设备的综合利用（图5），目的是提高安全性，提供免提操作，以及帮助监控职业健康。该系统由以下几部分组成：配备传感器的安全背心（图5a）、智能眼镜（图5b，c）、智能安全帽（图5d）和市售的安卓系统智能手表（图5e）。拟议的系统可以通过增加传感器或电子设备来扩展，也可以根据矿工和矿井作业的具体需求，降低系统的复杂性。
图4 集成可穿戴技术的嵌入式可穿戴安全通信系统
安全帽是所有矿井工人在工作班期间必须佩戴的，不管是井下还是露天矿井，都要佩戴。因此，系统的主要部分（数据传输和控制板部分）几乎都设计在安全帽上，其他可穿戴设备通过蓝牙或RFID等无线连接模块与安全帽板连接。由于Arduino是大多数电子项目中广泛使用的硬件和易于使用的开源软件平台，因此在拟建系统中，以Arduino Uno主板为例，控制单片机板。为了让工人在操作时不用担心安全帽上的发光二极管(LED)头灯的开启和关闭，也不用担心根据环境的光照度来改变亮度，可以利用一对光照传感器，将不显示在安全帽上的照明部分（见图4）作为系统的一部分。
图5 本次研究建议的用于采场的嵌入式可穿戴系统
注：（a）装备传感器的矿山安全背心，（b）矿工佩戴Recon Jet智能眼镜，（c）矿工使用Epson Moverio BT-2200型AR眼镜，（d）装备传感器的安全帽，（e）智能手表。
如果需要安装脑活动传感器，头盔的内侧平边框是最适合安装传感器的位置，因为它与佩戴者的头部永久接触。用于检测温度、湿度、声音、空气质量和烟气的设备应安装在安全帽上，安装在专门的防水罩内。由于矿工需要随时了解传感器的检测结果，因此信息应以数字或文字的形式显示在安全背心上的屏幕或液晶显示器上，并附在安全背心上。也可支持警报系统，在紧急情况下，发出响亮的警报声（紧急通知的结构详见下文），通知矿工有危险。
虽然目前还没有特别针对矿业行业的商用可穿戴服装，但矿工的常规安全背心在使用智能电子元件时，可以形成一种智能服装。所附的环境传感器（声音传感器用于测量环境的噪声水平，灰尘传感器用于检测空气中有害颗粒物的浓度）和生物传感器（体温传感器和脉搏传感器用于监测矿工的基本生理状况），可以实时测量环境状况和穿戴者的健康状况。
这套系统最重要的部分是智能眼镜，由于智能眼镜不需要用手操作，因此可以提高工作效率，增强职工的决策能力。在这套系统中，眼镜在矿区使用须达到以下四个目标：
（1）在屏幕上显示重要通知（通知通过蓝牙手机发送到眼镜）；
（2）通过眼镜对周围状况进行扫描，并提供具体的指导（例如在现场监督和监测传送带操作时）；
（3）将眼镜作为第一人称摄像机，用于拍摄与工作相关的视频和照片（在没有智能眼镜的情况下，可使用适合安装在头盔上的小型可穿戴摄像机来实现同样的目的）；
（4）将屏幕作为定位导航显示屏使用（不适用于地下矿井）。
为了通过智能眼镜实现上述目标，应开发出具有这些功能的专用软件包，以便与手机上的应用程序自由安全地进行数据交换。
该手机软件包是连接系统中所有组件的入口，并将从这些组件中获取的数据进行存储，以便进一步处理和分析。对于拟建系统的移动软件包，选择了谷歌开发的安卓系统，因为该公司也有一款名为Android Wear的智能手表操作系统。这款智能手表在通知和监控方面的功能与智能手机相似。不过，由于这款手表也有一个内部心率传感器，因此拟将该健康指示器作为该系统的另一个特色。
该应用可以显示整个系统的数值，并提供风险事件的通知，供工作人员进行监控和管理。为了评估危险矿井环境下的工程风险程度，促进矿工之间的互动和意识的提高，预警通知分为三个模块：①个人风险通知，②区域内风险通知，③邻近区域的风险通知（见图6）。
图6 班组管理及如何提高矿工的风险意识示意图
其任务包括跟踪设备以确保工作人员不处于危险状态（实时近距离检测）、检查矿区情况（温度、湿度、有害气体、空气中的烟气含量）、提供健康指标信息（心脉、体温、血压），在紧急情况下，提供疏散警报或启动其他事故预防技术。该系统预计将支持各种无线技术，如RFID、蓝牙和Wi-Fi等，将传感器收集的数据传输到管理监控系统。
4.3 其他可能的应用
表2列出了带传感器的可穿戴设备在采矿领域的其他可能应用。在采场的多任务环境中，操作人员和管理人员可以利用智能手表作为通知提醒工具或通信小工具，更有效地完成工作任务，或直接从手表上报告重要问题。通过专门为矿区开发的软件包，智能手表还可以作为终端，显示物流导航信息。在矿山中，如果采矿设备需要维修，通常需要很长时间，并停止部分采矿作业，这时可以通过智能眼镜指挥现场工人进行相关作业。矿工只需按照显示屏上的指示进行操作即可。眼镜小工具可以用来连续监控输送带的运行情况，控制任务完成情况，甚至可以用于现场监督。
在矿区，根据矿山作业的特点，可穿戴摄像机可应用于多种用途。在地下矿井中，可用于粉尘监测、供应链管理和安全监测。在露天矿山中，摄像头在大多数情况下是现场监管和过程控制的有用工具。目前市场上几乎还没有一款智能服装产品可以用于采矿部门。然而，在矿工的安全背心上安装一些生物传感器进行健康检查，在安全头盔上安装辐射和气体传感器，以及带有独特的近距离探测功能的腰带，可以使矿工的工作环境更健康，以提供更安全的工作环境，从而提高矿工的工作满意度。
由于大多数活动追踪器都配有步数计和加速度计，因此可用于针对矿工遇到紧急情况的跌倒检测系统中。此外，健身追踪器中的生物传感器很适合测量工作人员的日常健康状况，可以防止职业病的发生。目前，可穿戴医疗设备大多用于记录人们的活动和运动计划，测量核心生物医学数据。不过，有的支持性工具扩大了可能的测量范围。例如，利用可穿戴医疗设备对矿工进行远程监测，有助于疾病的早期诊断和及时治疗。
表2 可穿戴设备和传感器在矿业中的可能应用
5.结论
在这项研究中，对可穿戴设备技术及其在矿业行业的潜在应用进行了审查。研究报告还提出了矿工的可穿戴安全管理系统及其在矿业行业的其他可能应用。目前正在采取一些举措，将可穿戴技术引入矿业行业。这些先进设备在其他部门的成功应用表明，这些设备可以用来提供实际的解决方案。
在全球各地的矿山中，由于缺乏通讯和安全问题，经常会造成矿工终身受伤甚至死亡。由于使用了模糊的技术，而且其中的采矿条件难以预测，因此很难对实际的采矿环境进行分析。然而，以可穿戴设备的形式部署先进的技术，可以帮助定期监控采矿过程，创造一个更健康、更安全的工作场所，提高人员的专业性。如果可穿戴技术能够成功解决矿区安全、职业健康和通信等方面的挑战，那么传统的“危险矿山”概念就有可能演变为以高效、高产为特征的现代化安全“创新工作场所”。因此，可穿戴设备应进一步在矿业行业中应用。
在提出可穿戴设备技术应用于采矿作业时，需要考虑一些条件：一是由于电子设备通常含有多种金属和化学物质，如铍、镉、金属铬、铅等，存在接触风险，对使用者的健康造成严重危害，二是各国政府对采矿中使用电子设备的具体法规和规定。由于环境中含有易燃材料，大多数国家对煤矿井下使用电子产品都有严格的规定。根据加拿大《井下采矿职业健康安全法》，在没有爆炸危险的区域内，如果在矿区首次使用前十二个月经工程师认证，可安装便携式防爆电气设备（设备的设计应不与150℃以下的煤尘接触），且只能由受过培训的人员使用。在美国，根据劳工部矿山安全与健康管理局（MSHA）制定的规则，一些电子设备在矿区使用是在特定测试后进行的。在博茨瓦纳的《矿山、采石场、工程和机械条例》中，对地下采场使用信号设备也有类似的限制。虽然对地下矿井使用电子设备有一些限制，但全球矿业行业仍然认为，可穿戴设备在效率和管理方面的技术进步可以使其受益。
来源：地址云
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