武汉理工大学任高峰：缺氧条件下无轨运输系统“人-机-环”安全保障技术与装备
IntelMining 2025 年 12 月 2 日至 3 日，“安全科技进矿区” 高寒高海拔专场活动在四川成都举办。活动由国家矿山安全监察局主办，多方协同承办协办，以 “科技赋能 固本强基” 为主题，汇聚政企研多方力量。通过技术展示、专家报告、座谈交流等形式，聚焦高寒高海拔矿区安全生产难题，展示适配极端环境的智能装备与技术方案，推动先进技术落地。活动搭建了科技交流合作平台，强化协同创新机制，助力 “科技兴安” 战略在 8 省区落地，为高原矿山安全高质量发展注入新动能，推动行业向安全高效、绿色智能转型。相关报告已由国家矿山安全监察局网站发布，我们将陆续进行分享，促进行业同仁交流学习。
2025 年 12 月 2 日至 3 日，“安全科技进矿区” 高寒高海拔专场活动在四川成都举办。活动由国家矿山安全监察局主办，多方协同承办协办，以 “科技赋能 固本强基” 为主题，汇聚政企研多方力量。通过技术展示、专家报告、座谈交流等形式，聚焦高寒高海拔矿区安全生产难题，展示适配极端环境的智能装备与技术方案，推动先进技术落地。活动搭建了科技交流合作平台，强化协同创新机制，助力 “科技兴安” 战略在 8 省区落地，为高原矿山安全高质量发展注入新动能，推动行业向安全高效、绿色智能转型。相关报告已由国家矿山安全监察局网站发布，我们将陆续进行分享，促进行业同仁交流学习。
高原采矿运输面临哪些难题？ 武汉理工大学 "人 - 机 - 环" 技术来助力
*本文主要根据武汉理工大学任高峰教授《缺氧条件下无轨运输系统“人-机-环”安全保障技术与装备》报告撰稿，并适当改编，具体以原文为准
*本文主要根据武汉理工大学任高峰教授《缺氧条件下无轨运输系统“人-机-环”安全保障技术与装备》报告撰稿，并适当改编，具体以原文为准
在平均海拔 4000 米以上的青藏高原，稀薄的空气不仅考验着人的生存极限，更成为矿产资源开发的 "拦路虎"。作为我国战略矿产的核心储备区，西部高海拔地区已探明稀土矿占全国 95%，铌矿占比超 50%，但低压、缺氧、低温的极端环境，让井下无轨运输面临效率低下、事故频发、污染严重的三重困境。武汉理工大学任高峰教授团队历经多年攻关，构建起缺氧条件下无轨运输系统 "人 - 机 - 环" 一体化安全保障技术体系，为高海拔矿产资源安全高效开发提供了全新解决方案。
01/ 高海拔运输之困 极端环境下的安全与效率博弈
在平均海拔 4000 米以上的青藏高原，稀薄的空气不仅考验着人的生存极限，更成为矿产资源开发的 "拦路虎"。作为我国战略矿产的核心储备区，西部高海拔地区已探明稀土矿占全国 95%，铌矿占比超 50%，但低压、缺氧、低温的极端环境，让井下无轨运输面临效率低下、事故频发、污染严重的三重困境。武汉理工大学任高峰教授团队历经多年攻关，构建起缺氧条件下无轨运输系统 "人 - 机 - 环" 一体化安全保障技术体系，为高海拔矿产资源安全高效开发提供了全新解决方案。
我国西部高原地区占据全国 26.8% 以上的国土面积，其中海拔超 3000 米的区域广泛分布着各类紧缺矿产资源。随着 "一带一路" 倡议的推进，高海拔矿山已成为国家重要的矿产基地，但极端环境带来的挑战超乎想象 —— 每上升 1000 米，大气压力下降 12%，温度降低 6℃，氧含量大幅减少，这种 "两低一寒" 的环境对运输系统构成全方位威胁。
对作业人员而言，缺氧导致高原病频发，工作效率显著下降，心率、血压等生理指标异常，严重影响操作安全性；对运输车辆来说，燃烧不充分造成发动机功率下降、故障率飙升，尾气中 CO、HC、NOx 等污染物排放量较平原地区增加数倍；更严峻的是，运输系统安全事故占比在矿山各类事故中居高不下，仅次于瓦斯、顶板事故，极易引发链式反应的多米诺效应。
高海拔矿山运输不是简单的平原技术迁移，而是要面对人、机、环境三者的复杂耦合问题。传统运输保障方式难以应对极端环境的不确定性，必须构建系统性的安全保障体系。
02/ 环境感知突破 构建高海拔运输的 "智慧眼"
我国西部高原地区占据全国 26.8% 以上的国土面积，其中海拔超 3000 米的区域广泛分布着各类紧缺矿产资源。随着 "一带一路" 倡议的推进，高海拔矿山已成为国家重要的矿产基地，但极端环境带来的挑战超乎想象 —— 每上升 1000 米，大气压力下降 12%，温度降低 6℃，氧含量大幅减少，这种 "两低一寒" 的环境对运输系统构成全方位威胁。
对作业人员而言，缺氧导致高原病频发，工作效率显著下降，心率、血压等生理指标异常，严重影响操作安全性；对运输车辆来说，燃烧不充分造成发动机功率下降、故障率飙升，尾气中 CO、HC、NOx 等污染物排放量较平原地区增加数倍；更严峻的是，运输系统安全事故占比在矿山各类事故中居高不下，仅次于瓦斯、顶板事故，极易引发链式反应的多米诺效应。
高海拔矿山运输不是简单的平原技术迁移，而是要面对人、机、环境三者的复杂耦合问题。传统运输保障方式难以应对极端环境的不确定性，必须构建系统性的安全保障体系。
精准感知是安全保障的前提。针对高海拔地区电子设备易被电气击穿、传感器数据不稳定的问题，团队率先研发出 "高海拔矿山井下运输环境感知系统"，实现了运输环境的全维度智能监测。
该系统硬件部分整合了振弦式、电容式、光纤式等多类型传感器，能够同步采集巷道应力、气体浓度、温度湿度等环境参数，以及车辆运行状态和驾驶员生理数据。软件层面采用 LabVIEW 虚拟仪器技术，通过模块化编程实现多通道数据的稳定采集、转换、存储与回放，解决了不同类型传感器数据格式不统一的难题。
为验证系统可靠性，团队开展了三级递进式测试：在武汉平原地区（海拔约 30m）的室内测试中，系统测量值与标定值的线性拟合度 R² 均达 0.996 以上，数据准确率极高；在武汉理工大学高海拔环境模拟舱内，模拟海拔以 1000m / 次的速率升至 5000m，各海拔节点保持 1 小时测试，系统软硬件配合稳定，传感器有效采集率 100%；最终在华泰龙矿山 4420m 开采水平的现场测试中，该装置成功完成了高海拔井下运输环境数据的智能感知、分析、传输及预警，验证了其在真实工况下的适用性。系统能够实时捕捉氧分压、有害气体浓度等关键参数的细微变化，为后续调控提供精准的数据支撑。
03/ 车辆技术革新 减排提效的双重突破
精准感知是安全保障的前提。针对高海拔地区电子设备易被电气击穿、传感器数据不稳定的问题，团队率先研发出 "高海拔矿山井下运输环境感知系统"，实现了运输环境的全维度智能监测。
该系统硬件部分整合了振弦式、电容式、光纤式等多类型传感器，能够同步采集巷道应力、气体浓度、温度湿度等环境参数，以及车辆运行状态和驾驶员生理数据。软件层面采用 LabVIEW 虚拟仪器技术，通过模块化编程实现多通道数据的稳定采集、转换、存储与回放，解决了不同类型传感器数据格式不统一的难题。
为验证系统可靠性，团队开展了三级递进式测试：在武汉平原地区（海拔约 30m）的室内测试中，系统测量值与标定值的线性拟合度 R² 均达 0.996 以上，数据准确率极高；在武汉理工大学高海拔环境模拟舱内，模拟海拔以 1000m / 次的速率升至 5000m，各海拔节点保持 1 小时测试，系统软硬件配合稳定，传感器有效采集率 100%；最终在华泰龙矿山 4420m 开采水平的现场测试中，该装置成功完成了高海拔井下运输环境数据的智能感知、分析、传输及预警，验证了其在真实工况下的适用性。系统能够实时捕捉氧分压、有害气体浓度等关键参数的细微变化，为后续调控提供精准的数据支撑。
作为武汉理工大学的传统优势学科，车辆工程技术的跨界应用成为本次攻关的亮点。针对高海拔车辆 "功率下降、排放激增" 的核心问题，团队研发了尾气智能处理与发动机增效两大核心装置，实现了减排与提效的双重突破。
在尾气处理方面，团队创新采用 "DOC+DPF+SCR" 组合技术路线：氧化型催化转化器（DOC）以铂、钯等贵金属为催化剂，将尾气中 90% 的可溶性有机物（SOF）、60% 以上的 CO 和 HC 氧化为无害的 CO₂和 H₂O；颗粒捕集器（DPF）采用碳化硅和堇青石陶瓷材料，利用其耐高温、高吸附特性，高效截留尾气颗粒物，分离效率达到国际先进水平；选择性催化还原系统（SCR）则以铂金为催化剂，通过喷入甲胺还原剂，将 NOx 还原为 N₂和 H₂O，彻底解决了传统尿素 - SCR 系统低温结冰、结晶堵塞的行业痛点。
发动机增效装置同样颇具创新性。团队设计的智能增氧模块，通过高分子膜分离制氧机获取富氧空气，结合四个氧浓度分析传感器的实时监测数据，对发动机进气端的氧含量进行智能调控。同时，增效装置控制模块实时监控发动机参数，动态优化空氧比，确保燃料充分燃烧。
实车测试数据印证了技术成效：在华泰龙矿山选用的 7.5m³ 斗容装载车上安装该套装置后，发动机扭矩平均提升 96.5%，功率提升 95.2%，在环境氧浓度低于 15% 时仍能有效提升转矩 35% 左右；尾气排放方面，CO、HC、NOx、PM 的排放量均降至原来的 30% 以下，其中 NOx 转化率达 70%-85%，完全满足国 V 排放标准。现场检测数据显示，安装装置前一氧化碳浓度为 6.50mg/m³，安装后降至 1.71mg/m³；氮氧化物从 35.10mg/m³ 降至 8.89mg/m³；烟尘浓度更是从 13.21mg/m³ 大幅降至 0.03mg/m³，净化效果显著。
04/ 人机协同调控 打造驾驶员的 "健康座舱"
作为武汉理工大学的传统优势学科，车辆工程技术的跨界应用成为本次攻关的亮点。针对高海拔车辆 "功率下降、排放激增" 的核心问题，团队研发了尾气智能处理与发动机增效两大核心装置，实现了减排与提效的双重突破。
在尾气处理方面，团队创新采用 "DOC+DPF+SCR" 组合技术路线：氧化型催化转化器（DOC）以铂、钯等贵金属为催化剂，将尾气中 90% 的可溶性有机物（SOF）、60% 以上的 CO 和 HC 氧化为无害的 CO₂和 H₂O；颗粒捕集器（DPF）采用碳化硅和堇青石陶瓷材料，利用其耐高温、高吸附特性，高效截留尾气颗粒物，分离效率达到国际先进水平；选择性催化还原系统（SCR）则以铂金为催化剂，通过喷入甲胺还原剂，将 NOx 还原为 N₂和 H₂O，彻底解决了传统尿素 - SCR 系统低温结冰、结晶堵塞的行业痛点。
发动机增效装置同样颇具创新性。团队设计的智能增氧模块，通过高分子膜分离制氧机获取富氧空气，结合四个氧浓度分析传感器的实时监测数据，对发动机进气端的氧含量进行智能调控。同时，增效装置控制模块实时监控发动机参数，动态优化空氧比，确保燃料充分燃烧。
实车测试数据印证了技术成效：在华泰龙矿山选用的 7.5m³ 斗容装载车上安装该套装置后，发动机扭矩平均提升 96.5%，功率提升 95.2%，在环境氧浓度低于 15% 时仍能有效提升转矩 35% 左右；尾气排放方面，CO、HC、NOx、PM 的排放量均降至原来的 30% 以下，其中 NOx 转化率达 70%-85%，完全满足国 V 排放标准。现场检测数据显示，安装装置前一氧化碳浓度为 6.50mg/m³，安装后降至 1.71mg/m³；氮氧化物从 35.10mg/m³ 降至 8.89mg/m³；烟尘浓度更是从 13.21mg/m³ 大幅降至 0.03mg/m³，净化效果显著。
高海拔环境对人体的影响是制约运输安全的关键因素。团队通过实验发现，氧分压、温度、湿度三大环境因素与驾驶员血氧饱和度、心率、血压等生理指标存在显著相关性。为建立量化关系，团队在高海拔环境模拟舱开展了针对性实验。
实验选取 10 名 25-35 岁的健康中青年受试者（8 男 2 女），分别进行氧分压、温度、湿度单因素影响实验和三因素正交实验。通过持续监测受试者在不同环境条件下的生理数据，建立了各生理指标与环境因素的数学模型，其中血氧饱和度与温度的拟合公式 R² 达 0.9848，与氧分压的拟合公式 R² 达 0.9892，为精准调控提供了科学依据。
基于这些模型，团队研发了驾驶室健康环境自适应调控系统。该系统通过人体生理健康检测手环、氧气传感器、湿度传感器等硬件设备，实时采集驾驶员生理数据和驾驶室内环境参数，经 MATLAB 模型计算后，自动启动车载空调、高分子膜分离制氧机、高速离心雾化加湿机等设备，将驾驶室内的氧分压、温度、湿度调控至适宜范围。软件层面采用 LabVIEW 状态机编写采集程序，实现了空闲、设备开启、数据采集、设备关闭等多事件的自动化运行。
"这套系统让驾驶室成为一个独立的健康空间。" 任高峰教授表示，无论外部环境如何恶劣，系统都能通过动态调控确保驾驶员生理指标维持在正常范围，从根本上解决了高海拔作业人员因缺氧、低温导致的反应迟钝、操作失误等问题。
05/ 智能管控升级 构建 "云 - 边 - 端" 一体化平台
高海拔环境对人体的影响是制约运输安全的关键因素。团队通过实验发现，氧分压、温度、湿度三大环境因素与驾驶员血氧饱和度、心率、血压等生理指标存在显著相关性。为建立量化关系，团队在高海拔环境模拟舱开展了针对性实验。
实验选取 10 名 25-35 岁的健康中青年受试者（8 男 2 女），分别进行氧分压、温度、湿度单因素影响实验和三因素正交实验。通过持续监测受试者在不同环境条件下的生理数据，建立了各生理指标与环境因素的数学模型，其中血氧饱和度与温度的拟合公式 R² 达 0.9848，与氧分压的拟合公式 R² 达 0.9892，为精准调控提供了科学依据。
基于这些模型，团队研发了驾驶室健康环境自适应调控系统。该系统通过人体生理健康检测手环、氧气传感器、湿度传感器等硬件设备，实时采集驾驶员生理数据和驾驶室内环境参数，经 MATLAB 模型计算后，自动启动车载空调、高分子膜分离制氧机、高速离心雾化加湿机等设备，将驾驶室内的氧分压、温度、湿度调控至适宜范围。软件层面采用 LabVIEW 状态机编写采集程序，实现了空闲、设备开启、数据采集、设备关闭等多事件的自动化运行。
"这套系统让驾驶室成为一个独立的健康空间。" 任高峰教授表示，无论外部环境如何恶劣，系统都能通过动态调控确保驾驶员生理指标维持在正常范围，从根本上解决了高海拔作业人员因缺氧、低温导致的反应迟钝、操作失误等问题。
在环境感知、车辆革新、人机调控三大技术成果的基础上，团队构建了高海拔地区无轨运输车辆安全高效运行管控系统，实现了 "人 - 机 - 环" 数据的深度融合与智能管控。
该系统基于云平台技术和大数据支撑，采用 "数据采集 - 逻辑运算 - 图形渲染 - 应用展示" 的架构设计，通过 5G 网络和物联网技术，将井下运输环境参数、车辆运行信息、驾驶员生理数据实时传输至管控平台。平台整合了人体健康监控、车辆状态监测、红绿灯预警、智能调度、环境智能调节等多个功能模块，支持 PC 端、移动端、混合现实设备等多终端访问。
在安全性评价方面，团队建立了包含人的不安全状态（权重 0.5089）、运输设备的不安全状态（权重 0.1128）、环境的不安全因素（权重 0.3783）三大一级指标，以及心率、血氧、尾气、含氧量等多个二级指标的综合评价体系，能够科学评估运输系统的安全状态。智能调度模块则通过三维矿山模型可视化展示运输路线，结合红绿灯信号管制系统，实现车辆的有序通行，有效避免碰撞事故。
现场应用表明，该管控平台能够实现运输过程的全流程可视化监控，当发现车辆尾气超标、驾驶员生理指标异常或环境参数突变时，可立即启动远程调控或预警机制，将安全风险消灭在萌芽状态。中国恩菲矿山无轨运输车辆智能管控系统的实际运行数据显示，采用该技术后，矿山运输事故发生率下降 70% 以上，运输效率提升 40%，车辆综合能耗降低 25%。
06/ 技术赋能战略 助力西部矿产资源安全开发
在环境感知、车辆革新、人机调控三大技术成果的基础上，团队构建了高海拔地区无轨运输车辆安全高效运行管控系统，实现了 "人 - 机 - 环" 数据的深度融合与智能管控。
该系统基于云平台技术和大数据支撑，采用 "数据采集 - 逻辑运算 - 图形渲染 - 应用展示" 的架构设计，通过 5G 网络和物联网技术，将井下运输环境参数、车辆运行信息、驾驶员生理数据实时传输至管控平台。平台整合了人体健康监控、车辆状态监测、红绿灯预警、智能调度、环境智能调节等多个功能模块，支持 PC 端、移动端、混合现实设备等多终端访问。
在安全性评价方面，团队建立了包含人的不安全状态（权重 0.5089）、运输设备的不安全状态（权重 0.1128）、环境的不安全因素（权重 0.3783）三大一级指标，以及心率、血氧、尾气、含氧量等多个二级指标的综合评价体系，能够科学评估运输系统的安全状态。智能调度模块则通过三维矿山模型可视化展示运输路线，结合红绿灯信号管制系统，实现车辆的有序通行，有效避免碰撞事故。
现场应用表明，该管控平台能够实现运输过程的全流程可视化监控，当发现车辆尾气超标、驾驶员生理指标异常或环境参数突变时，可立即启动远程调控或预警机制，将安全风险消灭在萌芽状态。中国恩菲矿山无轨运输车辆智能管控系统的实际运行数据显示，采用该技术后，矿山运输事故发生率下降 70% 以上，运输效率提升 40%，车辆综合能耗降低 25%。
高海拔地区矿产资源的安全高效开发，不仅关系到西部大开发战略的深入推进，更对保障国家关键矿产供应链安全具有重要意义。任高峰教授团队研发的 "人 - 机 - 环" 一体化安全保障技术，通过多学科交叉融合，系统性解决了高海拔无轨运输的核心难题，其技术成果已在华泰龙矿山等企业成功应用，产生了显著的经济社会效益。
从技术创新来看，该体系实现了三大突破：一是构建了适应高海拔极端环境的多源信息智能感知技术，解决了低温低压下传感器稳定工作的行业痛点；二是研发了兼具减排与提效功能的车辆一体化装置，突破了传统技术难以兼顾环保与性能的瓶颈；三是建立了基于人体生理响应的人机协同调控机制，实现了从 "被动防护" 到 "主动适应" 的转变。
高海拔地区矿产资源的安全高效开发，不仅关系到西部大开发战略的深入推进，更对保障国家关键矿产供应链安全具有重要意义。任高峰教授团队研发的 "人 - 机 - 环" 一体化安全保障技术，通过多学科交叉融合，系统性解决了高海拔无轨运输的核心难题，其技术成果已在华泰龙矿山等企业成功应用，产生了显著的经济社会效益。
从技术创新来看，该体系实现了三大突破：一是构建了适应高海拔极端环境的多源信息智能感知技术，解决了低温低压下传感器稳定工作的行业痛点；二是研发了兼具减排与提效功能的车辆一体化装置，突破了传统技术难以兼顾环保与性能的瓶颈；三是建立了基于人体生理响应的人机协同调控机制，实现了从 "被动防护" 到 "主动适应" 的转变。