人員精確定位系統(tǒng)在濟(jì)寧三號(hào)煤礦應(yīng)用與研究

陳興明

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧272000）

0 引 言

煤礦開(kāi)采工作主要由井下工人完成，有一定的危險(xiǎn)性，人員安全是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分,而實(shí)時(shí)了解和掌握井下人員的精確位置信息是人員調(diào)度和安全管理的重要內(nèi)容。通過(guò)采用最先進(jìn)的UWB 精確定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下人員的準(zhǔn)確定位,對(duì)提高井下人員的安全管理、減少事故的發(fā)生、加快事故后人員搜救速度等方面具有重要意義。因此,煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

KJ69J 礦用人員管理系統(tǒng)，主要包括地面中心站、三維GIS 一體化融合軟件、傳輸平臺(tái)、礦用本安型讀卡器、礦用隔爆兼本安不間斷電源箱、精確定位識(shí)別卡（含精準(zhǔn)定位和區(qū)域定位模塊）、WIFI 通訊模塊、傳輸光纜、電纜等組成,如圖1。濟(jì)寧三號(hào)煤礦根據(jù)采掘工作面布置情況和主要運(yùn)輸巷道，共計(jì)安裝礦用本安型讀卡器99 臺(tái)、區(qū)域讀卡器68 臺(tái)、礦用隔爆兼本安不間斷電源箱99 臺(tái)、精確定位識(shí)別卡2 878 張、限員管理屏16 塊、報(bào)警箱16 個(gè)等主要設(shè)備。人員精確定位系統(tǒng)具有無(wú)線Wifi 功能，傳輸帶寬優(yōu)于現(xiàn)用無(wú)線通信，能夠滿足通訊需求，同時(shí)擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍將井下主要輔助運(yùn)輸大巷、采掘工作面、變電所、避難硐室等地點(diǎn)全覆蓋，設(shè)備備用電池不低于8h，保證了設(shè)備續(xù)航能力，系統(tǒng)信號(hào)更加穩(wěn)定可靠。支持多系統(tǒng)融合，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)、無(wú)軌膠輪車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的融合數(shù)據(jù)共享、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)。

1.1 區(qū)域定位方式

1）采掘工作面實(shí)現(xiàn)精確定位，目前73 下07 綜采工作面、183 下05 綜放工作面、183 下03 輔順、183 下03 膠順等12 個(gè)采掘工作面全部安裝精確定位讀卡器。

2）井下西部輔運(yùn)巷、北部輔運(yùn)巷、東部輔運(yùn)巷等8 條主要運(yùn)輸巷道全部安裝精確定位讀卡器，實(shí)時(shí)查詢?nèi)藛T活動(dòng)軌跡。

3）其他地點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域定位布置，主要包含避難硐室、變電所、膠帶巷、水倉(cāng)、回風(fēng)巷等。

4）沖擊地壓礦井，根據(jù)評(píng)價(jià)情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的安裝精確定位設(shè)備。

1.2 傳輸方式

利用現(xiàn)有的井下萬(wàn)兆網(wǎng)進(jìn)行主傳輸，分采區(qū)接入環(huán)網(wǎng)，確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。精確定位讀卡器在運(yùn)輸大巷采用光纜傳輸，提高傳輸速率，縮短系統(tǒng)巡檢周期；采掘工作面順槽巷道的讀卡器采用PLC 傳輸模式，使用線纜接入，方便日常設(shè)備維護(hù)。

圖1 人員精確定位系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 地面中心站

地面機(jī)房主機(jī)選用工業(yè)計(jì)算機(jī)2 臺(tái)、采用雙機(jī)熱備，GIS 服務(wù)器1 臺(tái)，調(diào)度室內(nèi)配置打印機(jī)，可以打印有關(guān)報(bào)表和資料。系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份和具備災(zāi)難恢復(fù)功能，能夠備份保存至少1 年歷史資料，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)讀卡器故障。

2.2 傳輸平臺(tái)

礦用人員精確定位系統(tǒng)信息傳輸平臺(tái)可采用環(huán)網(wǎng)傳輸，井下礦用本安型讀卡器通過(guò)光纜或者網(wǎng)線就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，再通過(guò)光纜或者電纜向下傳輸，礦用本安型讀卡器之間通過(guò)光纜、網(wǎng)線或者電纜相連。

2.3 讀卡器

礦用本安型讀卡器是以微處理器為核心的智能化礦用電子設(shè)備，結(jié)合目前最先進(jìn)的無(wú)線電通信技術(shù)，對(duì)定位標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的無(wú)線編碼信號(hào)進(jìn)行接收處理，可檢測(cè)出井下人員及機(jī)車(chē)等動(dòng)目標(biāo)的位置、編碼等信息，同時(shí)讀卡器具有WIFI 通信功能。

2.4 不間斷電源

礦用隔爆兼本安不間斷電源箱是直流穩(wěn)壓電源，適用于有瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境，為礦用本質(zhì)安全型設(shè)備供電。帶充電保護(hù)功能，防止過(guò)充電、過(guò)放電。它還提供供電狀態(tài)輸出信號(hào)，可監(jiān)視電源的供電情況。

2.5 本安型信息礦燈

礦燈集成人員精確定位模塊，將人員標(biāo)識(shí)卡和礦燈結(jié)合在一起，避免了標(biāo)識(shí)卡更換電池帶來(lái)的維護(hù)工作量，減少了系統(tǒng)維護(hù)成本；減少了因電池缺電而引起的信息漏讀、誤讀現(xiàn)象，提高了人員管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前井下總?cè)藬?shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前井下各區(qū)域、各部門(mén)、各工種、各職務(wù)的井下人數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前某些特殊工種或特殊人員下井情況和所處位置。

3.2 精確查詢功能

查詢?nèi)我恢付ǖ木氯藛T或者某部門(mén)、職務(wù)及工種在當(dāng)前時(shí)刻或者指定時(shí)刻所處位置；查詢?nèi)我恢付ǖ木氯藛T當(dāng)天或者指定日期的活動(dòng)蹤跡；選定某區(qū)域、某分站，可以查詢當(dāng)前時(shí)刻或歷史時(shí)刻處于該位置的人員信息。

3.3 安全報(bào)警功能

雙向呼叫功能、門(mén)禁功能、超時(shí)報(bào)警功能、區(qū)域超員報(bào)警、工作異常報(bào)警、系統(tǒng)應(yīng)具有標(biāo)識(shí)卡未登記報(bào)警功能、系統(tǒng)應(yīng)具有區(qū)域人限入報(bào)警功能。

3.4 統(tǒng)計(jì)考勤功能

可以查詢統(tǒng)計(jì)任一班次及指定時(shí)間段各部門(mén)下井時(shí)間；可單獨(dú)統(tǒng)計(jì)考核某些特殊工種、職務(wù)人員的上下井情況。

3.5 信息聯(lián)網(wǎng)功能

系統(tǒng)軟件可為聯(lián)網(wǎng)上傳提供接口數(shù)據(jù)文本，包括人員信息、區(qū)域信息、當(dāng)前入井人員實(shí)時(shí)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

1）系統(tǒng)容量。系統(tǒng)可接入礦用本安型讀卡器512 臺(tái)；標(biāo)識(shí)卡不小于65 000 個(gè)；讀卡器并發(fā)接收識(shí)別卡數(shù)量不小于200。

2）傳輸方式。系統(tǒng)主干網(wǎng)應(yīng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，分站或基站至主干網(wǎng)之間應(yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)。分站或基站至讀卡器應(yīng)采用有線傳輸或無(wú)線傳輸，宜采用有線與無(wú)線相結(jié)合方式。讀卡器至分站或基站的有線傳輸應(yīng)采用工業(yè)以太網(wǎng)、RS 485、CAN 等，無(wú)線傳輸采用5G、UWB、Lora、Zigbee、WiFi 等。

3）無(wú)線傳輸距離。讀卡器與標(biāo)識(shí)卡之間無(wú)線傳輸距離不小于400m；讀卡器至傳輸接口之間最大傳輸距離應(yīng)不小于10km。

4）定位精度。系統(tǒng)在輔運(yùn)大巷、回風(fēng)巷等環(huán)境較好的區(qū)域定位精度能夠達(dá)到30cm；采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面定位精度≤1m。

5）系統(tǒng)巡檢周期。系統(tǒng)巡檢周期≤4s。

6）漏讀率。漏讀率≤10-4。

7）傳輸誤碼率。傳輸誤碼率：≤10-8。

8）標(biāo)識(shí)卡電池工作時(shí)間。標(biāo)識(shí)卡采用可充電電池，充電后可連續(xù)工作30 天以上，可充電電池壽命不低于12 個(gè)月，符合AQ6210-2007 標(biāo)準(zhǔn)。

9）存儲(chǔ)時(shí)間。礦用本安型讀卡器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間不小于2h，通訊故障時(shí)，每臺(tái)礦用本安型讀卡器可存儲(chǔ)至少6 000 條人員過(guò)站的信息，待通訊恢復(fù)時(shí)再將數(shù)據(jù)上傳。

5 多系統(tǒng)融合

5.1 設(shè)備級(jí)融合

人員定位系統(tǒng)讀卡器可接入礦方在用的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合分站，實(shí)現(xiàn)共用信道數(shù)據(jù)傳輸，不僅節(jié)省線路和設(shè)備投資，也實(shí)現(xiàn)井下設(shè)備級(jí)相融合的需求。

人員定位系統(tǒng)讀卡器可選配置WIFI 模塊、PLC遠(yuǎn)距離以太網(wǎng)模塊。無(wú)線通信模塊與精確定位功能模塊共用天線，實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)的緊耦合集成。

5.2 系統(tǒng)級(jí)融合

該系統(tǒng)同時(shí)支持多系統(tǒng)融合，目前已與濟(jì)寧三號(hào)煤礦現(xiàn)有的安全監(jiān)控、語(yǔ)音廣播等系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)。當(dāng)采掘工作面出現(xiàn)氣體超限及其他緊急情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)模式，作業(yè)人員的標(biāo)示卡警示燈會(huì)根據(jù)實(shí)際情況以不同方式閃爍，并由應(yīng)急廣播發(fā)出報(bào)警。

6 防沖限員管理

山東省安監(jiān)局要求省內(nèi)可能遭受沖擊地壓影響煤礦必須在采煤工作面及掘進(jìn)工作面區(qū)域建設(shè)高精度定位系統(tǒng)，在工作面順槽前方300m 處或掘進(jìn)頭200m 處建設(shè)限員工作站，工作面限員站兩順槽各安裝精確定位讀卡器，工作面內(nèi)安裝兩臺(tái)讀卡器，實(shí)現(xiàn)限員區(qū)域信號(hào)全覆蓋，工作站支持文字顯示工作面內(nèi)人員信息，并能夠?qū)ぷ髅鎯?nèi)工作人員進(jìn)行限員管理，如超員必須語(yǔ)音報(bào)警。

在采煤工作面前方300m 安裝1 套限員設(shè)備，該設(shè)備由精確定位分站、通信廣播裝置、本安顯示牌等設(shè)備組成，用以統(tǒng)計(jì)工作面內(nèi)的總?cè)藬?shù)。

7 系統(tǒng)應(yīng)用效果

濟(jì)寧三號(hào)煤礦精確定位系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到靜態(tài)定位精度能達(dá)到30cm，在采掘工作面、評(píng)價(jià)為中等及以上沖擊危險(xiǎn)的巷道實(shí)現(xiàn)精確定位+無(wú)線WiFi 信號(hào)全覆蓋，采煤面及順槽、掘進(jìn)面等環(huán)境復(fù)雜場(chǎng)所定位精度達(dá)到1m 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了采掘工作面限員管理、定位考勤、人員統(tǒng)計(jì)、人員精確定位查詢、多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)等，增強(qiáng)了礦井管理水平，提升了減災(zāi)抗災(zāi)能力，提高了安全生產(chǎn)效率。

8 結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，濟(jì)寧三號(hào)煤礦人員精確定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主要運(yùn)輸巷道、采掘工作面人員的精確定位，擴(kuò)展了井下無(wú)線Wifi 覆蓋范圍，提高了井下通信穩(wěn)定。下一步將繼續(xù)完善系統(tǒng)GIS 展現(xiàn)功能，將安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播、調(diào)度通信、工業(yè)視頻、供電、排水、通風(fēng)、壓風(fēng)、車(chē)輛管理等統(tǒng)一展示，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)深度分析、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等功能，為礦井有效調(diào)度、應(yīng)急指揮、科學(xué)施救提供數(shù)據(jù)依據(jù)。