基于三維GIS 的煤礦井下人員精確位置地圖管理系統(tǒng)

洪玉玲

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是專業(yè)用于井下移動目標（人員、車輛等）的無線定位、路徑跟蹤和考勤管理的系統(tǒng)[1]。迄今為止，煤礦井下人員定位系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了第四代，即基于UWB 技術(shù)的精確定位系統(tǒng)，定位精度可達30 cm[2-4]，達到了精確定位的水平，被譽為井下“北斗”系統(tǒng)。2019 年11 月20 號，AQ 6210—2020《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（征求意見稿）并向各相關(guān)企業(yè)單位及專家征求意見，提出了煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)最大靜態(tài)定位誤差不大于30 cm 的要求[5]。該技術(shù)條件將替代AQ 6210—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，由“人員管理系統(tǒng)”變更為“人員定位系統(tǒng)”也體現(xiàn)了對井下人員“定位”的更高要求。山東省煤礦安全監(jiān)察局印發(fā)了《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》的通知，規(guī)定了“煤礦人員精確定位系統(tǒng)應(yīng)具備或通過融合系統(tǒng)具備三維展示功能，地面中心站實時展示井下各水平、各采區(qū)、各工作面人員、設(shè)備的位置信息，采用具有精確三維坐標的GIS 平臺，展示上述精確位置信息”[6]。由此可見，具有精確三維坐標的地圖管理平臺是煤礦人員精確定位系統(tǒng)重要的建設(shè)內(nèi)容。目前，大多數(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)仍然采用基于二維GIS 的模擬圖，存在井下巷道空間表現(xiàn)不直觀，人員位置不精確等問題，三維GIS 地圖能夠很好的解決這些問題。針對上述需求，依托KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)采集的井下人員相對基準點的方向及距離的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于三維GIS 平臺開發(fā)了一個煤礦井下人員精確位置地圖管理平臺[7-10]，介紹了三維GIS 平臺的選擇依據(jù)，提出了平臺的架構(gòu)設(shè)計及功能模塊設(shè)計，并給出系統(tǒng)的應(yīng)用實例。

1 三維GIS 平臺架構(gòu)

LongRuan GIS 是龍軟科技集20 年地下空間信息管理服務(wù)和研發(fā)經(jīng)驗，推出的一套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的GIS 平臺產(chǎn)品，可以無縫支持二三維一體化的空間數(shù)據(jù)集成和管理，可以兼容AutoCAD 各版本文件、ArcGIS、MapGIS 等主流數(shù)據(jù)格式。相較其它三維GIS 平臺，LongRuan GIS 更加專注于煤炭行業(yè)的需求，具備完善的符合煤炭行業(yè)規(guī)范的便準巖性編碼和專業(yè)符號庫，提供了煤礦井下巷道三維自動化建模技術(shù)，只需要在煤礦采掘工程平面圖的基礎(chǔ)上，繪制出巷道的中心線，并提供關(guān)鍵GIS 導(dǎo)向點的高度坐標即可生成井下巷道的三維空間地圖，并自動完成巷道貼圖。二次開發(fā)用戶，只需在此基礎(chǔ)上開發(fā)具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用即可，無需關(guān)注專業(yè)的底層GIS 技術(shù)。另外，LongRuan GIS 地圖服務(wù)器可以對LongRuan GIS 客戶端編輯的地圖進行自動更新與發(fā)布，無需手動操作，可以大大減少用戶的維護工作量，因此，選擇LongRuan GIS 平臺。

系統(tǒng)基于LongRuan GIS 平臺設(shè)計，采用B/S 二三維一體化架構(gòu)，技術(shù)架構(gòu)采用前后端分離技術(shù)。前端技術(shù)采用Vue JavaScript 框架，后端服務(wù)采用.net core 3.0，傳輸數(shù)據(jù)格式采用Json 格式，消息隊列采用MQTT 協(xié)議，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server。平臺在總體設(shè)計上引入最新的中臺策略，平臺總體架構(gòu)如圖1。

圖1 平臺總體架構(gòu)Fig.1 Platform overall architecture

1）計算后臺。系統(tǒng)通過KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫獲取設(shè)備的三維坐標，通過巷道地圖文件獲取巷道中間線的空間數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)中臺。通過數(shù)據(jù)技術(shù)，對數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一標準和口徑。數(shù)據(jù)中臺把數(shù)據(jù)統(tǒng)一后，會形成標準數(shù)據(jù)，再進行存儲，形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)層，進而提供高效服務(wù)。數(shù)據(jù)中臺是基于跨域數(shù)據(jù)的分析，洞察，訓練產(chǎn)生的數(shù)據(jù)服務(wù)，給前臺系統(tǒng)提供實時決策數(shù)據(jù)。主要有精準數(shù)據(jù)服務(wù)、空間數(shù)據(jù)搜索引擎、數(shù)據(jù)中間件。

3）業(yè)務(wù)中臺。主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的管控，將地圖服務(wù)、位置服務(wù)和坐標轉(zhuǎn)換服務(wù)共性的服務(wù)抽象出來，創(chuàng)建可復(fù)用的流程類，形成通用的服務(wù)能力，讓前臺系統(tǒng)更標準，更規(guī)范，迭代速度更快。業(yè)務(wù)中臺讓前臺系統(tǒng)更敏捷，數(shù)據(jù)中臺讓前臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)更智慧。

4）業(yè)務(wù)前臺。主要分為兩部分應(yīng)用，業(yè)務(wù)應(yīng)用（地圖漫游、精確定位、區(qū)域展示、基站展示、區(qū)域集合查詢、軌跡回放、聲光報警和地圖工具）和個性應(yīng)用（個性推薦、個性定制）。

2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（征求意見稿）及《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》等相關(guān)標準關(guān)于人員定位系統(tǒng)地圖管理平臺的要求，結(jié)合KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)的精確定位功能，設(shè)計了地圖平臺的主要功能模塊，包括位置服務(wù)引擎、地圖編輯客戶端、地圖服務(wù)、地圖監(jiān)測4 個功能模塊。

1）位置服務(wù)引擎。位置服務(wù)引擎的主要功能是將KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)采集的井下人員相對方向及距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維坐標。KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)的精確定位采用UWB 定位技術(shù)，系統(tǒng)獲得的人員位置為人相對定位天線的方向及距離，且方向僅有前后兩個方向，無角度信息，由于人所在的井下巷道為狹窄的近似線型的結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)默認人沿著巷道的中線運動。KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)采集到相對距離數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過UDP 數(shù)據(jù)包實時發(fā)送給位置服務(wù)引擎，位置服務(wù)引擎通過讀取LongRuan GIS 井下采掘工程地圖文件的巷道中心線三維坐標數(shù)據(jù)和定位天線的三維坐標將相對位置數(shù)據(jù)通過三維空間坐標系下的位置計算算法計算出井下人員的三維坐標，并將坐標信息通過MQTT 消息隊列實時發(fā)送給地圖服務(wù)用于地圖管理平臺人員位置實時監(jiān)測，同時存儲到KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫的實時表及精確位置歷史數(shù)據(jù)表，用于KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)的人員精確位置數(shù)據(jù)實時展示及歸檔。

2）地圖編輯客戶端。地圖編輯客戶端是一個類似AutoCAD 的地圖繪制工具，主要功能是基于井下巷道三維坐標數(shù)據(jù)，對井下巷道進行編輯，生成巷道地圖，亦可以直接讀取煤礦已有的AutoCAD 格式的采掘工程平面圖。為了實現(xiàn)巷道的三維自動化建模，地圖繪制人員需要應(yīng)用該工具手動繪制巷道的中間線。

3）地圖服務(wù)。地圖服務(wù)的主要功能是將地圖編輯客戶端編輯后, 具有巷道中心線三維空間坐標與定位系統(tǒng)井下基站、天線、交換機等設(shè)備的三維坐標信息的礦圖發(fā)布，向前端瀏覽器提供地圖在線瀏覽功能。地圖及設(shè)備坐標修改后，前端瀏覽器通過地圖服務(wù)能夠進行自動更新。

4）地圖監(jiān)測。地圖監(jiān)測的主要功能是基于井下巷道空間地圖對系統(tǒng)井下基站、交換機、天線等設(shè)備的設(shè)備名稱、相對位置、精確位置信息進行展示，并實時展示設(shè)備的運行狀態(tài)、井下人員的精確位置及姓名、下井人員總數(shù)及人員、重點區(qū)域人員總數(shù)及人員、超時報警人員總數(shù)及人員，超員報警人員總數(shù)及人員、限制區(qū)域報警人員總數(shù)及人員、超層越界人員總數(shù)及人員，臨近老孔去人員總數(shù)及人員，臨近煤與瓦斯突出危險區(qū)人員總數(shù)及人員、臨近沖擊地壓危險區(qū)人員總數(shù)及人員特種作業(yè)人員工作異常報警總數(shù)及人員等，并提供人員歷史軌跡回放功能。地圖監(jiān)測采用B/S 二三維一體化架構(gòu)，默認以二維模式運行，用戶可任意切換二維或三維運行模式，也可根據(jù)用戶的需要選擇發(fā)布二維或三維版本。

3 結(jié) 語

設(shè)計了一個基于三維GIS 的煤礦井下人員精確位置地圖管理系統(tǒng)，重點研究了平臺的總體架構(gòu)及功能模塊。實際應(yīng)用表明：系統(tǒng)可以二維或三維模式運行，可以實時獲取KJ405T 煤礦井下人員定位系統(tǒng)精確定位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在二維或三維地圖模式下展示井下空間、設(shè)備及人員位置、人員行走軌跡、區(qū)域及人員報警信息等，達到了對井下人員精確位置信息實時、精確、直觀展示的目標，系統(tǒng)地圖更新方便，減少了用戶的維護工作量。但是，由于目前煤礦井下人員定位系統(tǒng)采集的精確定位數(shù)據(jù)的方向只有前后兩個方向，沒有方位角，因此井下人員的行走軌跡只能默認位于巷道的中間線，這與實際情況有一定差異。