礦井新型人員定位系統(tǒng)的技術(shù)探討

凌志遷 楊百順 吳 強(qiáng) 李 逸 郭 梟 高 俊

四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院

本文分析了現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)在預(yù)防小煤礦私挖濫采方面存在的不足，針對(duì)其射頻模塊有效識(shí)別距離短、系統(tǒng)算法漏洞、無(wú)法解決入井人員不帶射頻卡等問(wèn)題，進(jìn)行了初步探討，提出了較為詳細(xì)的改進(jìn)方案。

引言

四川省攀枝花市西區(qū)肖家灣煤礦“8·29”特別重大瓦斯爆炸事故和瀘縣桃子溝煤礦“5·11”瓦斯爆炸事故的直接原因?yàn)檫`規(guī)違法組織生產(chǎn)的區(qū)域處于無(wú)風(fēng)微風(fēng)狀態(tài)，瓦斯積聚達(dá)到爆炸濃度，因絞車失爆產(chǎn)生的火花或放炮后殘藥燃燒引爆積聚瓦斯。兩個(gè)煤礦均為合法礦井，且安裝了井下人員定位系統(tǒng)，然而，由于系統(tǒng)本身固有的功能缺陷，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)小煤礦私挖濫采行為的有效監(jiān)控，造成了重大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。因此，在現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)其功能進(jìn)一步改進(jìn)，并提出一些思路。

現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)存在的不足

現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)是利用射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)手段，通過(guò)井下的定位分站對(duì)人員信息的采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)人員信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和跟蹤，從而實(shí)時(shí)的掌握井下人員的分布情況。但是該技術(shù)存在著如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：⑴射頻讀卡器、射頻卡有效識(shí)別距離短，定位精度低。射頻讀卡器、射頻卡是人員定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，其有效識(shí)別范圍決定著人員定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，目前現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)的有效識(shí)別距離一般為5～8m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人員定位系統(tǒng)對(duì)井下人員定位精確性的要求。⑵無(wú)法解決入井人員不帶射頻卡的問(wèn)題。小煤礦為了實(shí)現(xiàn)多出煤炭、多出效益，往往在井下違規(guī)設(shè)置多個(gè)作業(yè)點(diǎn)非法組織生產(chǎn)，同時(shí)，為了逃避監(jiān)管監(jiān)察，勢(shì)必要求超出定員的入井人員不帶射頻卡。目前的人員定位系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)入井人員數(shù)量與射頻卡數(shù)量不符的核查與報(bào)警。⑶算法存在漏洞。如圖1 所示，圖中的圓圈代表人員定位系統(tǒng)識(shí)別器的識(shí)別范圍。如果入井人員走出3 或4 的識(shí)別范圍而未進(jìn)入6 或5 的識(shí)別范圍，則人員定位系統(tǒng)就會(huì)默認(rèn)為人員在3 和6之間的巷道內(nèi)或4 和5 之間的巷道內(nèi)，此時(shí)如果人員進(jìn)入到私挖濫采區(qū)域作業(yè)，但人員定位系統(tǒng)上面顯示的人員仍然在主平硐和副平硐的巷道內(nèi)，給私挖濫采留下了作弊的機(jī)會(huì)。

新型礦井人員定位系統(tǒng)的改進(jìn)方案

基于現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)在預(yù)防小煤礦私挖濫采方面的缺陷，現(xiàn)提出以下幾個(gè)新思路，對(duì)現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

研發(fā)新型射頻模塊

射頻模塊主要分為射頻讀卡器、射頻卡、防爆電源和備用電池等四部分。射頻讀卡器主要負(fù)責(zé)對(duì)井下作業(yè)人員身上所佩戴的信息卡進(jìn)行非接觸式信息采集，完成信息編碼，并能與上位機(jī)PC 機(jī)通信；射頻卡主要記錄入井人員的信息，借助于該信息實(shí)現(xiàn)對(duì)入井人員的自動(dòng)辨別，以非接觸的方式與射頻讀卡器完成信息傳輸通信；射頻讀卡器的電源應(yīng)符合防爆標(biāo)準(zhǔn)；備用電源作為后備電力為射頻讀卡器供電，保障系統(tǒng)正常工作。目前的人員定位系統(tǒng)射頻讀卡器與射頻卡的有效識(shí)別距離只有5～8m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足射頻信號(hào)能夠覆蓋井下所有合法區(qū)域的要求，因此，應(yīng)研發(fā)新型射頻模塊，使射頻讀卡器的射頻信號(hào)能夠控制50m 以上的范圍。在井下巷道每隔80～90m 安裝一個(gè)射頻讀卡器，保證所有入井人員在井下的精確位置都能在地面主機(jī)上顯示。同時(shí)，安全監(jiān)管部門在監(jiān)控中心也可隨時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)的小煤礦進(jìn)行監(jiān)察。

將“失蹤”概念引入現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)

對(duì)現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，填補(bǔ)其算法漏洞，引入“失蹤”的概念，并做到“失蹤”超時(shí)報(bào)警，即：當(dāng)人員走出某一識(shí)別器的識(shí)別范圍而未進(jìn)入另一識(shí)別器的識(shí)別范圍時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定該人員處于“失蹤”狀態(tài)，并對(duì)失蹤時(shí)間進(jìn)行限定，當(dāng)失蹤時(shí)間超過(guò)限定值時(shí)（如20min），系統(tǒng)將向安全監(jiān)管部門報(bào)警，表明失蹤人員進(jìn)入了私挖濫采區(qū)域進(jìn)行非法作業(yè)，安全監(jiān)管部門接到報(bào)警后，可及時(shí)進(jìn)行查處并上報(bào)上級(jí)主管部門。

圖1 私挖濫采區(qū)域示意圖

增加基于CCD 圖像傳感器的人數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)

基于CCD 圖像傳感器的人數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)的基本原理是將運(yùn)動(dòng)區(qū)域統(tǒng)計(jì)算法和圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，綜合運(yùn)算得出準(zhǔn)確出入井人數(shù)。運(yùn)動(dòng)區(qū)域統(tǒng)計(jì)算法，即在固定相機(jī)里提取出運(yùn)動(dòng)區(qū)域，根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)人們運(yùn)動(dòng)區(qū)域和人的大小相似的時(shí)候，你可以認(rèn)為是一個(gè)人通過(guò)。當(dāng)多個(gè)人距離較近的時(shí)候，采用人體大小的先驗(yàn)知識(shí)，把運(yùn)動(dòng)區(qū)域分成多個(gè)單獨(dú)的區(qū)域，從而估計(jì)這個(gè)數(shù)字。當(dāng)然，視頻流是實(shí)時(shí)連續(xù)的，運(yùn)動(dòng)區(qū)域檢測(cè)和分割需要在每一幀內(nèi)不斷的計(jì)算。此外還要對(duì)幀間的運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行跟蹤，把不同時(shí)間的運(yùn)動(dòng)區(qū)域連接起來(lái)，從而給出正確的人數(shù)和行人運(yùn)動(dòng)方向。圖像特征神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法，即在圖像中采集一些反映人體特點(diǎn)的比較粗糙的特征，如圖像邊緣密度，然后通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和圖像特征之間的非線性關(guān)系，從而得出正確的號(hào)碼。

該系統(tǒng)可采用頂裝方式安裝，固定攝像頭俯視檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)范圍覆蓋全井口。當(dāng)煤礦出入井人員到達(dá)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，固定攝像頭采集圖像信息并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算，得出人員的行走方向、數(shù)量和時(shí)間等參數(shù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

利用Ethereal 對(duì)井下人員定位系統(tǒng)通信協(xié)議和視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻信號(hào)進(jìn)行解析，并將其數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)將井下人員定位系統(tǒng)識(shí)別到的入井人數(shù)同視頻監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別到的入井人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)識(shí)別到的人數(shù)多余人員定位系統(tǒng)識(shí)別到的人數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行“超員”報(bào)警，表明有人員未帶識(shí)別卡或帶壞識(shí)別卡入井，縣級(jí)安全監(jiān)管部門接到報(bào)警后，可及時(shí)對(duì)其進(jìn)行查處，并上報(bào)上級(jí)主管部門，有效遏制煤礦工人躲避監(jiān)控，不帶識(shí)別卡或帶壞識(shí)別卡進(jìn)入私挖濫采區(qū)域非法作業(yè)的行為。

結(jié)語(yǔ)

小煤礦私挖濫采行為較為普遍存在，然而在執(zhí)法檢查過(guò)程中卻很少能發(fā)現(xiàn)煤礦企業(yè)的這種作弊行為，其中固然存在執(zhí)法檢查不力的情況，但大部分則是煤礦企業(yè)在得知檢查信息后，提前對(duì)私挖濫采區(qū)域的巷道進(jìn)行了臨時(shí)密閉，導(dǎo)致檢查時(shí)一無(wú)所獲。

研發(fā)新型人員定位系統(tǒng)可以有效預(yù)防煤礦私挖濫采現(xiàn)象，結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在井口通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)清點(diǎn)的人數(shù)與人員定位系統(tǒng)識(shí)別器識(shí)別到的人數(shù)進(jìn)行對(duì)比，杜絕礦工不帶射頻卡入井現(xiàn)象。如果視頻監(jiān)控系統(tǒng)清點(diǎn)的人數(shù)大于人員定位系統(tǒng)識(shí)別器識(shí)別到的人數(shù)，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)這種技術(shù)手段，使煤礦企業(yè)不敢進(jìn)行私挖濫采，這有利于煤礦企業(yè)進(jìn)行合法開(kāi)采和提升安全管理水平，因此更有利于保護(hù)礦工的生命財(cái)產(chǎn)安全。