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摘 要：针对当前矿用安全帽功能单一，保障安全性能低的问题，利用协同设计和人性化设计原理，从系统的观点出发将矿灯、瓦斯报警器、RFID人员定位系统与安全帽进行功能整合。组成多功能四位一体的装备，使其具有照明、防护、瓦斯检测、人员定位等多功能于一体的新型矿用安全帽。
关键词：矿用安全帽；创新；多功能；设计
引言
近几年来，从2006 年到2011 年煤矿事故数量正在逐年减少，安全生产形势保持平稳趋势并趋向好转，百万吨死亡率逐年下降。但是即使这样，在2011年我国，全国煤矿依旧发生事故高大1201起、死亡1973人[1]。与我们国家提倡的和谐社会这一主题非常的不协调，矿难不仅给人民群众的生命财产造成了重大损失，而且在国内外产生了不良的影响。
目前我国煤矿行业现状为瓦斯灾害严重，爆炸事故多发。煤矿露天开采比重小，井工开采比重大，地质构造复杂，约半数的煤矿为高瓦斯、“高突”矿井。矿难的发生除了水灾、火灾、瓦斯煤尘、顶板事故等主要原因外，生产条件恶劣、设备落后、各种安全保障措施不到位、以及矿工安全意识淡漠等也是造成矿难的重要因素。
实际上，在矿难中由于水灾、火灾、瓦斯煤尘、顶板事故等伤害立即遇难的人员仅占事故总死亡人数的15%～25%，大约超过75%～85%的遇险矿工的死亡是在矿难发生后关键的“1小时内”内由于溺水、窒息、中毒等原因而无法及时撤离到安全区域造成的丧生[2]。在这最佳营救时间内，矿工主要依靠自救和互救工具来争取生存机会，这就需要相关的矿工个体防护、应急救援设备发挥作用。
以协同设计和人性化的设计视角出发，设计一款多功能矿用安全帽，以便在事故前可以及时发现事故隐患，在事故后个体防护装备将转化为应急救援工具，方便救援工作的开展，保证防护产品能最大限度的发挥作用。设计中对矿工防护工具进行了整合：将矿灯和气体检测仪的功能整合到安全帽上；将RFAD人员定位系统与安全帽相结合，这不仅可以更好的做好煤矿对工作人员的管理，更为重要的是，这将对事故救援工作的开展产生积极的作用。
1 将安全帽与矿灯进行功能整合
传统的安全帽和矿灯二者是可拆卸式一体式产品，矿工可根据自己的意愿和劳动条件的要求将矿灯固定在安全帽上或者手持，由于传统矿灯电源一般采用酸性或碱性溶液作为电池的电解质，因此需要一根长长的“尾巴”，连接电源和矿灯，在工作的时候会带来不便，更重要的是当矿灯在井下发生短路故障时有可能引起瓦斯爆炸事故的发生。矿灯电源也有采用镍氢电池和镍镉电池做电源的，镍氢电池矿灯自放电率比较高，放置l M不用，电能减小30%，尤其是这种电池当过充电时在电池内部产生高温高压，如果不能及时释放将发生爆炸。镍镉电池做电源的矿灯外壳不能受外力挤压，不然电池容易爆炸。锂离子矿灯积率比较大，电池过充电也会爆炸，在使用中电池外壳也不允许受挤压，不然也会爆炸[3]。本设计以高能量密度的聚合物锂离子电池为为电源，用IP芯片作电源控制和管理，用超高亮度白光LED作光源。采用整体式一体化全密封结构，矿灯材料选用防弹玻璃材料，使矿灯能在易燃易爆的高温低温的环境里工作，由于采用了芯片自动保护技术，它从源头上斩断了矿灯引发瓦斯爆炸事故的根源，同时能在水中正常工作[4]。保留了传统矿灯可拆卸实现照明便利的优点，又甩掉了传统矿灯的电缆线，这样佩带者就不会为电缆连接线所困扰（如图1.1）。
我们采用电化学式气体传感器： 它相当一部分的可燃性的、有毒有害氣体都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。
2.1 电化学传感器的构成
将两个反应电极――工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度.气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对目标气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与电气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。
2.2 瓦斯报警器与安全帽的结合
利用电子产品微型化的思想，将安全右侧设计一定体积的半圆突出体用于瓦斯报警器的安装。在右侧突出体表面有红色指示灯和绿色指示灯各一个，并设置用于控制瓦斯报警器启用关闭的开关（如图2.2）。其中当佩戴工作人员所处环境甲烷浓度在安全范围类，则绿色指示灯亮；佩戴工作人员所处环境甲烷浓度不在安全范围类，则红色指示灯亮，并发出蜂鸣声。
图2.2
2.3 电化学传感器优点
反应速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年），体积小，易操作，适用用矿下工作。
3 将安全帽与RFID定位系统进行功能整合
近年来RFID技术逐步走向成熟，并且被广泛地应用到物流、身份识别、交通等领域。在总结RFID技术的经验以及应用地基础上，把RFID技术到应用到煤矿系统中，应用于矿上的安全生产调度管理和矿下安全管理，利用技术可以同时对多个移动的物体和人员进行快速识别和跟踪的特点，以及计算机网络在数据存储、传递、计算、统计等方面的优势，对井下人员、设备进行跟踪定位，这不仅便于煤矿企业进行管理，而且在矿难发生以后可以及时定位，方便救援，这能在一定程度上提高井下工作人员的安全系数。
3.1 RFAD定位系统与安全帽的结合
利用电子产品微型化的思想，结合美学对称的思想将安全帽左侧设计一定体积的半圆突出体用于RFAD射频读卡标签的安装。在左侧突出体表面有红色指示灯和绿色指示灯各一个，并设置用于控制射频读卡标签启用关闭的开关（如图2.2）。其中当佩戴工作人员所戴安全帽信号发出接受正常，则绿色指示灯亮；佩戴工作人员所戴安全帽信号发出接受出现异常，则红色指示灯亮，并发出警示音[5]。 3.2 RFID定位系统基本原理
系统的基本工作流程是阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域是产生电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身编码信息通过标签内置天线发送到阅读器；系统接收天线接受到射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行调节和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令性能更好控制执行机构动作。
3.3 RFAD定位系统的功能
（1）以图形的方式显示井下巷道的开拓方式与基本布局
（2）按站点的位置检测各处的分布、数量、人员身份的各种信息以及动态变化规律。
（3）长期保存和查询实时定位信息与人员的活动路线、时刻及逗留时间等。
（4）可以按图形和表格等不同方式，以工种、单位、编码、姓名、设备名称等不同属性灵活显示和打印。
（5）实时数据库和原始资料库相结合，可随机修改各种资料库，以满足不同企业不同生产现场的不同要求。
（6）具有一个丰富的图形库和实时编辑站点分布的功能，可以随时挂起和激活某一监测站点，以增加系统的可维护性和运行灵活性。
（7）完成人数统计与附加完善的考勤功能，无需单独设立考勤机系统。当工人误入有瓦斯集聚的死巷时可及时报警。
4 结论
由于安全帽的重要作用，以及与人的紧密联系程度被提到一个新的层次，因此设计中以人为本，服务于人的思想贯穿始终。随着国家对安全生产监管力度的不断加强和企业对工商事故预防意识的提高，市场对安全帽品牌和性能要求会越来越高。市场将逐步抛弃低劣安全帽，转向中高档安全帽。总之，提高安全帽的质量，扩展安全帽的性能，开发高档安全帽的市场空间，是安全帽的发展趋势。
参考文献
[1] http：//www.chinanews.com/gn/2012/01-14/3605009.shtml 中国新闻网，2011年中国煤矿故死亡1973人 事故总量大幅下降
[2] 张艳平.矿工个体防护与危险救助工具协同设计研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2010
[3] 赵娜.矿工井下安全监测智能头盔的信号采集技术研究[D].太原：中北大学，2008
[4] 李曦.矿用安全帽灯安全性能分析[J].煤炭技術，2007（7）
[5] 康淑霞.用RFID技术实现煤矿井下人员跟踪定位系统的硬件设计与研究[D].青岛：山东科技大学，2007
关键词：矿用安全帽；创新；多功能；设计
引言
近几年来，从2006 年到2011 年煤矿事故数量正在逐年减少，安全生产形势保持平稳趋势并趋向好转，百万吨死亡率逐年下降。但是即使这样，在2011年我国，全国煤矿依旧发生事故高大1201起、死亡1973人[1]。与我们国家提倡的和谐社会这一主题非常的不协调，矿难不仅给人民群众的生命财产造成了重大损失，而且在国内外产生了不良的影响。
目前我国煤矿行业现状为瓦斯灾害严重，爆炸事故多发。煤矿露天开采比重小，井工开采比重大，地质构造复杂，约半数的煤矿为高瓦斯、“高突”矿井。矿难的发生除了水灾、火灾、瓦斯煤尘、顶板事故等主要原因外，生产条件恶劣、设备落后、各种安全保障措施不到位、以及矿工安全意识淡漠等也是造成矿难的重要因素。
实际上，在矿难中由于水灾、火灾、瓦斯煤尘、顶板事故等伤害立即遇难的人员仅占事故总死亡人数的15%～25%，大约超过75%～85%的遇险矿工的死亡是在矿难发生后关键的“1小时内”内由于溺水、窒息、中毒等原因而无法及时撤离到安全区域造成的丧生[2]。在这最佳营救时间内，矿工主要依靠自救和互救工具来争取生存机会，这就需要相关的矿工个体防护、应急救援设备发挥作用。
以协同设计和人性化的设计视角出发，设计一款多功能矿用安全帽，以便在事故前可以及时发现事故隐患，在事故后个体防护装备将转化为应急救援工具，方便救援工作的开展，保证防护产品能最大限度的发挥作用。设计中对矿工防护工具进行了整合：将矿灯和气体检测仪的功能整合到安全帽上；将RFAD人员定位系统与安全帽相结合，这不仅可以更好的做好煤矿对工作人员的管理，更为重要的是，这将对事故救援工作的开展产生积极的作用。
1 将安全帽与矿灯进行功能整合
传统的安全帽和矿灯二者是可拆卸式一体式产品，矿工可根据自己的意愿和劳动条件的要求将矿灯固定在安全帽上或者手持，由于传统矿灯电源一般采用酸性或碱性溶液作为电池的电解质，因此需要一根长长的“尾巴”，连接电源和矿灯，在工作的时候会带来不便，更重要的是当矿灯在井下发生短路故障时有可能引起瓦斯爆炸事故的发生。矿灯电源也有采用镍氢电池和镍镉电池做电源的，镍氢电池矿灯自放电率比较高，放置l M不用，电能减小30%，尤其是这种电池当过充电时在电池内部产生高温高压，如果不能及时释放将发生爆炸。镍镉电池做电源的矿灯外壳不能受外力挤压，不然电池容易爆炸。锂离子矿灯积率比较大，电池过充电也会爆炸，在使用中电池外壳也不允许受挤压，不然也会爆炸[3]。本设计以高能量密度的聚合物锂离子电池为为电源，用IP芯片作电源控制和管理，用超高亮度白光LED作光源。采用整体式一体化全密封结构，矿灯材料选用防弹玻璃材料，使矿灯能在易燃易爆的高温低温的环境里工作，由于采用了芯片自动保护技术，它从源头上斩断了矿灯引发瓦斯爆炸事故的根源，同时能在水中正常工作[4]。保留了传统矿灯可拆卸实现照明便利的优点，又甩掉了传统矿灯的电缆线，这样佩带者就不会为电缆连接线所困扰（如图1.1）。
我们采用电化学式气体传感器： 它相当一部分的可燃性的、有毒有害氣体都有电化学活性，可以被电化学氧化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。
2.1 电化学传感器的构成
将两个反应电极――工作电极和对电极以及一个参比电极放置在特定电解液中，然后在反应电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，再通过仪器中的电路系统测量气体电解时产生的电流，然后由其中的微处理器计算出气体的浓度.气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对目标气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与电气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。
2.2 瓦斯报警器与安全帽的结合
利用电子产品微型化的思想，将安全右侧设计一定体积的半圆突出体用于瓦斯报警器的安装。在右侧突出体表面有红色指示灯和绿色指示灯各一个，并设置用于控制瓦斯报警器启用关闭的开关（如图2.2）。其中当佩戴工作人员所处环境甲烷浓度在安全范围类，则绿色指示灯亮；佩戴工作人员所处环境甲烷浓度不在安全范围类，则红色指示灯亮，并发出蜂鸣声。
图2.2
2.3 电化学传感器优点
反应速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年），体积小，易操作，适用用矿下工作。
3 将安全帽与RFID定位系统进行功能整合
近年来RFID技术逐步走向成熟，并且被广泛地应用到物流、身份识别、交通等领域。在总结RFID技术的经验以及应用地基础上，把RFID技术到应用到煤矿系统中，应用于矿上的安全生产调度管理和矿下安全管理，利用技术可以同时对多个移动的物体和人员进行快速识别和跟踪的特点，以及计算机网络在数据存储、传递、计算、统计等方面的优势，对井下人员、设备进行跟踪定位，这不仅便于煤矿企业进行管理，而且在矿难发生以后可以及时定位，方便救援，这能在一定程度上提高井下工作人员的安全系数。
3.1 RFAD定位系统与安全帽的结合
利用电子产品微型化的思想，结合美学对称的思想将安全帽左侧设计一定体积的半圆突出体用于RFAD射频读卡标签的安装。在左侧突出体表面有红色指示灯和绿色指示灯各一个，并设置用于控制射频读卡标签启用关闭的开关（如图2.2）。其中当佩戴工作人员所戴安全帽信号发出接受正常，则绿色指示灯亮；佩戴工作人员所戴安全帽信号发出接受出现异常，则红色指示灯亮，并发出警示音[5]。 3.2 RFID定位系统基本原理
系统的基本工作流程是阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域是产生电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身编码信息通过标签内置天线发送到阅读器；系统接收天线接受到射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行调节和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该标签合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令性能更好控制执行机构动作。
3.3 RFAD定位系统的功能
（1）以图形的方式显示井下巷道的开拓方式与基本布局
（2）按站点的位置检测各处的分布、数量、人员身份的各种信息以及动态变化规律。
（3）长期保存和查询实时定位信息与人员的活动路线、时刻及逗留时间等。
（4）可以按图形和表格等不同方式，以工种、单位、编码、姓名、设备名称等不同属性灵活显示和打印。
（5）实时数据库和原始资料库相结合，可随机修改各种资料库，以满足不同企业不同生产现场的不同要求。
（6）具有一个丰富的图形库和实时编辑站点分布的功能，可以随时挂起和激活某一监测站点，以增加系统的可维护性和运行灵活性。
（7）完成人数统计与附加完善的考勤功能，无需单独设立考勤机系统。当工人误入有瓦斯集聚的死巷时可及时报警。
4 结论
由于安全帽的重要作用，以及与人的紧密联系程度被提到一个新的层次，因此设计中以人为本，服务于人的思想贯穿始终。随着国家对安全生产监管力度的不断加强和企业对工商事故预防意识的提高，市场对安全帽品牌和性能要求会越来越高。市场将逐步抛弃低劣安全帽，转向中高档安全帽。总之，提高安全帽的质量，扩展安全帽的性能，开发高档安全帽的市场空间，是安全帽的发展趋势。
参考文献
[1] http：//www.chinanews.com/gn/2012/01-14/3605009.shtml 中国新闻网，2011年中国煤矿故死亡1973人 事故总量大幅下降
[2] 张艳平.矿工个体防护与危险救助工具协同设计研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2010
[3] 赵娜.矿工井下安全监测智能头盔的信号采集技术研究[D].太原：中北大学，2008
[4] 李曦.矿用安全帽灯安全性能分析[J].煤炭技術，2007（7）
[5] 康淑霞.用RFID技术实现煤矿井下人员跟踪定位系统的硬件设计与研究[D].青岛：山东科技大学，2007