新型人員精確定位系統(tǒng)及其在唐陽煤礦的應用

王傳林

（山東裕隆礦業(yè)集團有限公司唐陽煤礦，山東 濟寧 272500）

為遏制煤礦井下超定員生產，避免或減少煤礦重特大事故發(fā)生，早期建設的基于RFID的區(qū)域人員定位系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對出入井及井下某一特定區(qū)域人員的數(shù)量統(tǒng)計，能夠大體上確定人員在井下所經(jīng)過的軌跡，不能夠實時統(tǒng)計井下作業(yè)人員的精確位置，不能夠完全滿足井下應急救援和安全生產的需要。

唐陽煤礦作為全國139處沖擊地壓礦井之一，積極探索井下作業(yè)人員的高精度定位，引進了基于以太網(wǎng)傳輸?shù)腒J251A精確人員定位系統(tǒng)，努力構建面向全礦井服務的位置實時服務平臺，為井下目標提供精準的位置和導航服務，為礦井的防災避災和安全生產提供可靠的保障。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由監(jiān)控計算機、系統(tǒng)軟件、井口唯一性檢測裝置、人員定位分站、精確定位讀卡器、人員標識卡、工業(yè)以太網(wǎng)平臺等組成，如圖1所示。

圖1 精確定位系統(tǒng)結構示意圖

1.2 系統(tǒng)設計原理

（1）在井下巷道內布置精確定位讀卡器，使相鄰兩臺讀卡器間距300m，每臺讀卡器具有獨自的位置信息和邏輯信息，這些讀卡器在地面軟件被對應地標注為絕對位置。

（2）讀卡器和標識卡采用TOF時差測距測量方法，周期性計算電磁波在讀卡器和標識卡之間的飛行時間t，可計算出二者之間的距離：

D=ct/2

式中：

c-電磁波傳播速度，c=3×108m/s。

由此讀卡器和標識卡之間的相對距離，測距誤差小于3m。

（3）分站主通訊采用光纖傳輸，分站與讀卡器之間采用3路獨立的RS485傳輸，保證了精確定位數(shù)據(jù)在3s周期內及時傳輸至地面中心站，滿足實時定位需要。

1.3 關鍵技術設計

1.3.1 唯一性檢測

KJ251A-WY2井口唯一性檢測裝置，采用圖像識別技術、短距離識別技術及唯一性檢測算法等技術，提升煤礦企業(yè)出入井人員智能高效管理水平，杜絕煤礦出入井人員不帶卡、帶壞卡、替代卡、多帶卡以及無資格人員入井等類似事件發(fā)生，實現(xiàn)出入井人員數(shù)量的準確統(tǒng)計、身份確認、入井資格驗證，確保緊急情況下能夠快速確定井下人員數(shù)量和身份。唯一性裝置功能邏輯圖如圖2所示。

圖2 唯一性裝置功能邏輯圖

1.3.2 井下精確定位技術

采用微功耗技術、無線射頻功放技術、PCB微帶天線技術和定向天線技術，設計了定位同步機制、多卡防碰撞機制、低功耗運行模式、標識卡優(yōu)化安裝，線選用高性能的平板定向天線，能夠實現(xiàn)單臺精確定位讀卡器在煤礦井下覆蓋范圍不小于600m，且能夠準確判斷標識卡移動方向，在覆蓋范圍內，對井下動態(tài)目標進行實時定位跟蹤,定位精度小于3m。

1.3.3 井下寬帶傳輸分站

井下寬帶傳輸分站含有3個千兆光纖接口、2個RJ45接口、3個RS485接口、1個電源接口。主芯片為LPC1766處理器，其是LPC1700系列ARM（Cortex-M3）微控制器，速度高達120MHz。LPC1700系 列ARM有 高 達512kB Flash、96kB SRAM、12位A/D和10位D/A轉換器以及1個內部RC振蕩器。如圖3所示。

工業(yè)交換機處理器RTL8306E，采用CoOS操作系統(tǒng)，高度可裁剪性，最小系統(tǒng)內核僅974Byte，支持優(yōu)先級搶占和時間片輪轉，支持自適應任務調度算法，

堆棧溢出檢測，信號量、郵箱、隊列、事件標志、互斥等同步通信方式，支持多種編譯器，ICCARM、ARMCC、GCC。

圖3 分站內部邏輯框圖

2 唐陽煤礦現(xiàn)場應用

唐陽煤礦按要求進行設備安裝布置，地面調度中心機房安裝兩臺人員定位主機，形成“一主一備、雙機熱備”模式，調度室安裝人員定位客戶端，實施井下人員實時監(jiān)測，安有UPS不間斷電源，保障可持續(xù)供電。

（1）井口安裝KT251A-WY2入井人員唯一性檢測裝置，負責對入井人員攜帶KJ251A-K3精確定位卡完好性和數(shù)量進行準確判斷。人像比對服務器安裝在地面調度中心機房，通過網(wǎng)線與人員定位主機實現(xiàn)互聯(lián)互通，進行數(shù)據(jù)共享。

（2）共安裝了14臺KJ251A-F光分站，其中地面副井口1臺，井下安裝了13臺，分別裝在副井底分站、23絞車房、-410泵房、-410一號聯(lián)絡巷、-410五號聯(lián)絡巷、23中車場、二采區(qū)變電所、二采區(qū)南部拓展區(qū)、二采區(qū)南部軌道巷、北翼檢修斜巷、63猴車上平臺、13絞車房、六采區(qū)變電所等地方。分站通過光纖接入井下礦用交換機，保障數(shù)據(jù)實時上傳。

（3）共安裝了60臺礦用本安型精確定位讀卡器，其中，地面副井口2臺，井下各區(qū)域58臺，能夠完成井下40km以上范圍內的無線信號覆蓋。單臺讀卡覆蓋范圍既能夠判斷標識卡移動的方向，還能夠精準地測量標識卡與讀卡器之間的距離，徹底解決以往區(qū)域定位難以解決的準確判斷人員出入井下分支巷道不準確的難題。60臺讀卡器涵蓋了井下所有的巷道、硐室、重點區(qū)域、限制區(qū)域等場所，便于實時統(tǒng)計當前井下區(qū)域人數(shù)及實時分布情況。

（4） KJ251A-K3礦用本安型精確定位卡有兩種固定方式，分別是燈繩卡和腰帶卡。為便于管理，該礦采用融合佩戴的方式，少量人員采用腰帶卡，大量人員采用燈繩卡方式。

3 系統(tǒng)主要先進功能

3.1 井人精準人卡合一與多卡快速就地報警

（1）在地面入井通道口對出入井人員攜帶標識卡完好性能進行檢驗，避免入井人員不攜帶標識卡或攜帶壞卡入井；

（2）能夠在井口對出入井人員攜帶標識卡數(shù)量進行自動全身掃描檢測，發(fā)現(xiàn)多張卡進行就地報警，避免一人攜帶多張卡入井；

（3）在地面井口主動對人員人臉進行采集，判斷是否是本人入井，避免替代標識卡入井；

（4）在入口的液晶顯示器上顯示入井人員實時視頻信息、比對結果、姓名、卡號及標識卡狀態(tài)等信息；

（5）與人員定位系統(tǒng)關聯(lián)，確?？记谛畔蚀_無誤；

（6）人臉信息和標識卡信息比對成功后，能夠輸出道閘控制信號，限制不帶卡人員或帶多卡人員通行；

（7）能夠實時記錄不符合規(guī)范的入井人員信息，便于統(tǒng)計、查詢；

（8）具備專用的唯一性檢測通道裝置，裝置能夠對待檢人員提示“前進”和“等待”；

（9）比對快速準確，平均人員通過時間≤4s，多卡檢測準確率≥98%，入井人像識別通過率≥99%。

3.2 單讀卡器大范圍信號覆蓋

礦用本安型讀卡器無線覆蓋距離可達600m，通過若干讀卡器就可以保證巷道信號全覆蓋。如圖4所示。

圖4 讀卡器覆蓋統(tǒng)計

3.3 實時連續(xù)的周期性定位準確定位

采用獨特的TOA技術，保證調度指揮中心可以隨時知道井下礦工的精確位置，數(shù)據(jù)誤差在5m以內，良好條件下達3m以內。射頻信號在煤礦井下展現(xiàn)了良好的適應性，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定，即使在多卡并發(fā)的情況下，也能夠保障數(shù)據(jù)采集的準確性和連續(xù)性。讀卡器定位連續(xù)性統(tǒng)計見表1。

表1 讀卡器定位連續(xù)性統(tǒng)計

3.4 實時了解人員具體位置

采用光傳輸分站，數(shù)據(jù)傳輸可以達到100MBPS級別，一臺分站可攜帶8臺讀卡器。井下設備采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了秒級傳輸，除非光纖終端外，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積形成延遲取數(shù)情況。

3.5 強大的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

系統(tǒng)具備強大的管理功能，主要由用戶管理、實時定位、精準統(tǒng)計、雙向功能、考勤管理、員工管理、軌跡回放、系統(tǒng)幫助等模塊構成。系統(tǒng)能夠實時對下井人員入井時間、升井時間進行統(tǒng)計，實時對各單位人員下井班數(shù)、班次等情況進行監(jiān)測和分類統(tǒng)計，實時對井下各監(jiān)測區(qū)域工作人員的數(shù)量和分布情況進行分類統(tǒng)計，能夠自動匯總、存儲、自動生成報表和打印以上各信息。數(shù)據(jù)支持實時查詢，隨時查詢單獨人員、班組、區(qū)隊、部門、礦領導下井情況?？记诠芾砜砂窗嘟M、區(qū)隊、部門分級匯總統(tǒng)計、查詢、打印。

4 結語

唐陽煤礦新型精確人員定位系統(tǒng)采用TOF、獨創(chuàng)的唯一性檢測裝置、全身掃描判斷多卡及就地報警、寬帶傳輸分站、低功耗、多卡防碰撞等技術，創(chuàng)造性實現(xiàn)了井下高性價比的無線信號大范圍覆蓋，定位精度為5m以內，更精準、更實時地了解井下人員動態(tài)。該系統(tǒng)功能齊全、技術先進，提高了煤礦出入井人員智能管理水平，促進了煤礦安全生產。