一種基于GNSS 技術的尾礦庫巡壩人員定位系統(tǒng)

謝文龍，沈樓燕，李連通，劉教敏，張超，羅嗣海

(1.中國瑞林工程技術股份有限公司,江西南昌 330038；2.江西銅業(yè)集團銀山礦業(yè)有限責任公司，江西德興 334300；3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071；4.南昌大學，江西南昌 330038）

尾礦庫是保障各類礦業(yè)安全生產的核心基礎設施之一， 其運行的穩(wěn)定狀況關系到壩體周邊的生態(tài)安全，包括礦山生產系統(tǒng)、礦山周邊村莊人身安全和財產安全等， 因此其安全是礦山企業(yè)重點關注的方向之一[1]。 目前，尾礦庫的安全管理一方面是利用自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實現， 另一方面是通過巡檢人員進行實地巡查來實現。 近年來，許多科研單位、儀器設備制造商、 生產單位在自動監(jiān)測監(jiān)控領域開展了大量的研究與應用，并已取得了令人矚目的成果[2～4]。但是由于尾礦庫占地面積巨大，且情況復雜，自動監(jiān)視只能作為一種輔助性的安全管理方法， 由巡檢人員定期對安全隱患進行巡檢仍然是更行之有效的保障尾礦庫安全的管理辦法，短期內不能完全被取締。

然而，巡檢工作存在較多不確定的危險因素，諸如突發(fā)的壩體坍塌、山體滑坡、泥石流，以及雨雪天氣能見度極低導致巡檢人員迷路等情況， 尤其是當夜間山區(qū)尾礦巡檢遭遇惡劣天氣時， 巡檢人員的安全難以保障。 為了解決巡壩人員在巡壩期間突發(fā)意外，不能及時救援，造成生命安全的問題，本文提出了一種基于GNSS 技術的尾礦庫巡壩人員定位系統(tǒng)，以期通過對巡檢手段和定位手段的優(yōu)化和更新，更好地保障巡壩人員的生命安全。

1 尾礦庫巡檢管理辦法

1.1 常用巡檢管理手段

常規(guī)的人工巡查管理方式主要有人工簽到、現場抽查和電子巡邏3 種。這些方法各有優(yōu)劣：1）人工簽到的成本最低，但其真實性和可靠性差，容易發(fā)生欺詐行為， 且歷史資料不易存儲， 易發(fā)生遺失和破損。 對歷史資料進行統(tǒng)計分析時，多依賴人工操作，工作效率較低。 2）現場抽查能夠及時掌握巡查人員的工作情況，但由于抽查的次數有限，抽查所得到結果的有效性和真實性不能保證。 3）電子巡邏通?？煞譃楦袘窖卜篮徒佑|式巡防兩種類型。 與人工簽到和現場抽查的方式相比， 電子巡邏做到了半自動化管理，對歷史數據的儲存與管理更為便捷。但需要安裝巡檢點，巡檢信息無法實時查看，且傳統(tǒng)的感應手段錯誤率較高。

綜上分析，傳統(tǒng)巡檢管理手段均不能做到客觀、便捷地了解監(jiān)督檢查的執(zhí)行結果， 保證巡檢工作嚴格按要求、按計劃執(zhí)行到位；也不能以簡單、可靠的方式將巡檢記錄上傳、 儲存， 管理的方式粗放不可靠，后期查詢不便，安全分析效率低。

1.2 常用定位手段

當前常用的定位方式有GPS 定位、 基站定位、混合定位3 種。

1） GPS 定位。 在GPS 全球衛(wèi)星定位技術、GSM/GPRS 無線數據傳輸技術、GIS 地理信息系統(tǒng)和計算機網絡通信與數據處理技術基礎上， 借鑒電子巡邏系統(tǒng)的成功經驗，將巡檢點的點位考核與GPS 軌跡完美結合在一起， 用虛擬坐標巡檢點代替?zhèn)鹘y(tǒng)射頻巡檢點，從而達到實時查詢巡檢人員到達/離開每個巡檢點時間的目的， 使企業(yè)管理人員能清楚地掌握巡檢人員的工作狀況，清晰顯示/回放整條線路的巡檢情況[5]。

2） 基站定位。 該定位方式依賴于運營商的通信基地。 通常情況下， 需要由3 座基地臺確定一個區(qū)域，然后由接收到的信號的強度來確定具體位置。該方法對通信基地的密度有一定的依賴性， 基站分配越多，位置越準確。 而礦壩區(qū)域基本都處于山區(qū)，涉及到的基站數量通常都非常有限， 這就導致基站發(fā)出的信號在傳播時受到一定的影響， 甚至出現某些區(qū)域無信號的現象。

3）混合定位。 混合定位是一種結合了Wi-Fi 通信和基站定位的定位方式。 Wi-Fi 定位的原理是在連接Wi-Fi 的時候， 運營商會將Wi-Fi 的MAC 地址和實際位置都保存起來，這樣通過這個位置，與附近更多的Wi-Fi 地址和基站相互驗證， 就能得到較為準確的地址。該方法與基站定位類似，依賴于基站與Wi-Fi 的密度，對于多位于山區(qū)的庫壩區(qū)并不適用。

綜上分析可知，只有GPS 定位較適合于庫壩巡檢，但GPS 使用的是雙頻信號，也存在定位不精準的問題，尤其是在涉及存在眾多電波、電力設備的工業(yè)場景下，其理想定位精度僅為10 m。 這種精確度在災難面前不足以保障巡檢人員的生命安全。

2 基于GNSS 技術的巡壩人員定位系統(tǒng)

2.1 GNSS 技術定位原理

GNSS 即全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System）， 它泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GNSS 的定位原理則是根據無線電波的傳播速度恒定、傳輸通路為直線的特性，利用測量無線電波在太空中的傳輸時間， 來確定衛(wèi)星與使用者的接收天線的距離，然后以該衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星與使用者的接收天線的距離作為半徑r 畫球面。 在1 個平面上，2條交叉的線可以決定1 條線；而在1 個空間里，2 條交叉的表面可以決定1 條線，3 條交叉的表面可以決定2 個點[6-7]。 當3 個衛(wèi)星與地面上的衛(wèi)星之間的距離r 都被確定了，那么這3 個球面的兩個交叉點，再通過第4 個衛(wèi)星協助，即可確定使用者的位置。具體計算用聯立方程式見式（1）[8]。

式中，Xk、Yk、Zk表示第k 個衛(wèi)星的坐標；X、Y、Z 表示衛(wèi)星接收裝置的位置；t 表示衛(wèi)星接收到信息的時間；t＇ 表示用戶終端發(fā)射信號的時間；c 表示無線電波的傳播速度。

本次巡壩人員定位系統(tǒng)依托我國自行研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供定位服務。該系統(tǒng)由空間站、用戶裝置、地面控制三大部分共同構成。 其中，空間站部分由衛(wèi)星族群構成， 包括少數靜止軌道衛(wèi)星和多數非靜止軌道衛(wèi)星， 主要用于提供地面跟蹤站點所需獲得的可靠數據； 用戶裝置部分主要是由終端接收機組成，它是地面上接收衛(wèi)星數據的設備；地面控制部分由若干地面站組成，包括主控站、注入站和監(jiān)測站等，用于監(jiān)控和修正空間站部分衛(wèi)星系統(tǒng)數據，并能夠適時地對衛(wèi)星族群進行調節(jié)、配合[9]。

2.2 基于GNSS 技術的人員定位系統(tǒng)工作原理

基于GNSS 技術的巡壩人員定位系統(tǒng)由GNSS基準站、移動定位終端設備、數據存儲及處理云服務器、顯示管理平臺組成。

其主要工作原理為： 高精度衛(wèi)星導航模塊與GNSS 基準站高精度衛(wèi)星導航模塊通過接受差分數據技術實現衛(wèi)星定位， 將定位的經緯度坐標數據經4G 物聯網通信模塊傳輸到數據存儲及處理云服務器， 并與存儲在云服務器中的尾礦庫經緯度坐標地圖進行對比、分析和處理，并最終在顯示管理平臺中形成人員巡壩軌跡路線。系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構

當巡壩人員在巡壩期間發(fā)生危險時， 可通過定位終端設備上的SOS 呼救按鈕進行呼救。 定位終端設備上的4G 物聯網通信模塊將呼救信號上傳至顯示管理平臺， 并通知相關人員前往事發(fā)坐標進行救援?；虍斞矇稳藛T在一地點長時間停留，顯示管理平臺會自動認定巡壩人員發(fā)生危險，并通知救援。

2.3 基于GNSS 技術的人員定位系統(tǒng)

本文設計的人員定位系統(tǒng)由三大部分組成分別為移動定位終端設備、GNSS 基準站、云服務器。

1）GNSS 基準站。 GNSS 模塊基準站結構如圖2所示，其包括主控模塊、高精度衛(wèi)星導航模塊和4G物聯網通信模塊，主要用于提供局域信號網。 GNSS基準站設置在穩(wěn)定地點， 內部主控模塊將高精度衛(wèi)星導航模塊接受的衛(wèi)星數據通過4G 物聯網通信模塊發(fā)送至數據存儲及處理云服務器， 作為定位終端設備的基準值數據。

圖2 GNSS 基準站結構

2）移動定位終端設備。 移動定位終端設備模塊由主控模塊、 高精度衛(wèi)星導航模塊、SOS 呼叫模塊、蜂鳴器和4G 物聯網通信模塊組成，如圖3 所示，主要用于提供人員位置和發(fā)送信號。 各模塊的作用說明如下：（1）主控模塊通過4G 物聯網通信模塊接受GNSS 基準站發(fā)出的差分數據，再結合高精度衛(wèi)星導航模塊接受的衛(wèi)星數據解算、輸出高精度定位結果。主控模塊再通過4G 物聯網通信模塊將解算、 輸出高精度定位數據發(fā)送到數據存儲及處理云服務器，與云服務器中已存的尾礦庫坐標地圖進行數據對比、分析、計算，最終在顯示管理平臺上生成人員軌跡路線。 （2）SOS 呼救按鈕與主控模塊相連，當巡壩人員按下SOS 呼救按鈕，主控模塊會驅動蜂鳴器發(fā)出報警， 并通過4G 物聯網通信模塊向云服務器發(fā)送呼救數據， 然后在顯示管理平臺上顯示出人員遇險的位置坐標。 當主控模塊判斷巡壩人員在一地點相近坐標停留時間超過30 min， 主控模塊會驅動蜂鳴器發(fā)出報警， 并通過4G 物聯網通信模塊向云服務器發(fā)送呼救數據， 并在顯示管理平臺上顯示人員遇險位置坐標。

圖3 定位終端設備結構框

3 實驗結果

基于本文構建的巡壩人員定位方法， 課題組在不同位置進行了5 次實驗。在實驗中，以地心為坐標系原點，為了求解簡單，設置庫壩在坐標系的YZ 平面，實驗結果如表1 所示。

表1 巡壩人員位置定位的實驗結果m

從5 次重復實驗的結果可以了解到：該方法定位精度高，誤差范圍控制在2.19～4.14 m，明顯優(yōu)于GPS 系統(tǒng)的定位精度。

4 結論

本文基于我國北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)， 提出了一種新的尾礦庫巡壩人員定位系統(tǒng)。 相比傳統(tǒng)的巡檢人員定位方法，該巡檢方法有以下特色：1）系統(tǒng)采用云服務器，可以記錄巡壩人員軌跡數據，支持軌跡回放，同時兼?zhèn)渲蛋啻蚩üδ堋?）系統(tǒng)具有監(jiān)測巡壩人員路線是否正確的功能， 可以有效保證人員的人身安全。 3）本系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的特點，具有SOS 呼救按鈕，能夠發(fā)出信號，引導救援人員精確定位巡檢人員的位置， 有利于在巡檢人員在遇到危險時，救援人員及時完成營救。4）系統(tǒng)支持電腦PC 端、手機APP 端查看軌跡，方便企業(yè)管理人員隨時隨地查看巡檢人員巡檢進度和人員安全情況。5）GNSS 基準站能夠提供有效且穩(wěn)定的局域信號網，戴在巡檢人員身上的設備可以作為信號源并且準確定位到人員的位置。 該系統(tǒng)的成功研發(fā)不僅幫助企業(yè)更加科學化管理， 也為巡壩人員提供了堅實的安全保障，同時更重要也減少了企業(yè)不可預見的損失。