煤礦井下無線通信及人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的融合應(yīng)用

崔振杰 楊 晴

（山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700）

2019 年11 月16 日，山東省煤礦安全監(jiān)察局發(fā)文《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》（下稱《技術(shù)要求》），規(guī)定山東省內(nèi)所有煤礦，2020 年3 月底前完成人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)建設(shè)工作，并規(guī)定“系統(tǒng)應(yīng)支持多系統(tǒng)融合，應(yīng)優(yōu)先實現(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)的融合”。

目前省內(nèi)大部分煤礦的人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)均為獨立系統(tǒng)，未能融合聯(lián)動，且人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)仍采用落后的ZigBee 定位技術(shù)、485 有線通信技術(shù)，不僅定位效果差、通信質(zhì)量低，而且成本高昂、維護(hù)復(fù)雜、費時費力[1-3]。為堅決杜絕類似“梁寶寺火災(zāi)事故”等安全事故的發(fā)生，并提高事故應(yīng)急處理能力，彭莊煤礦提前布局，在山東省煤監(jiān)局下文前即開始著手建設(shè)煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)，并規(guī)劃其與井下通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行融合聯(lián)動。

1 融合應(yīng)用系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

1.1 多系統(tǒng)融合

融合應(yīng)用系統(tǒng)運用了行業(yè)領(lǐng)先的UWB 精確定位技術(shù)、WIFI 通信技術(shù)，定位效果好，通信質(zhì)量高，人員精準(zhǔn)定位的靜態(tài)定位精度能夠達(dá)到30 cm。并且融合基站留有數(shù)個功能拓展接口，后期可以把安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)加入其中，實現(xiàn)多系統(tǒng)融合聯(lián)動。通過人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)共用統(tǒng)一基站，實現(xiàn)人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的融合應(yīng)用。

該系統(tǒng)由人員精確定位系統(tǒng)、井下無線通信系統(tǒng)融合應(yīng)用而成，現(xiàn)共有94 個分站，每個分站由融合基站、本安電源、定位天線、無線天線、光纖熔接盒等組成。系統(tǒng)電源引就近電源，網(wǎng)絡(luò)使用井下萬兆環(huán)網(wǎng)?，F(xiàn)選取該系統(tǒng)的一個分站作為展示，如圖1。新建融合應(yīng)用系統(tǒng)的無線通信部分實現(xiàn)了井上下WIFI 信號全覆蓋，配合礦用本安防爆手機(jī)，實現(xiàn)了井下、井上下的實時通信。

圖1 融合應(yīng)用系統(tǒng)分站

1.2 極高精度定位功能

融合應(yīng)用系統(tǒng)除采用現(xiàn)階段最新的UWB 精確定位技術(shù)外，還采用了最前沿的數(shù)字傳輸技術(shù)、GIS 地理識別技術(shù)等前沿技術(shù)，使采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面人員定位精度達(dá)到了1 m，其他重要地點人員定位精度不超過3 m，全面達(dá)到了《技術(shù)要求》規(guī)定。

1.3 超員報警及聯(lián)動實時監(jiān)控功能

融合應(yīng)用系統(tǒng)在各頭面限員管理站安裝超員報警裝置，實現(xiàn)了超員報警，并在調(diào)度室實時顯示各超員報警站信息。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了彭莊煤礦原有的唯一性檢卡及井口LED 顯示設(shè)備的聯(lián)動，可實時動態(tài)顯示井下作業(yè)人員信息，并可根據(jù)區(qū)隊/科室或區(qū)域等顯示井下人員信息，如圖2。

圖2 聯(lián)動監(jiān)測裝置

1.4 施工過程中的硬件整合

項目實施過程中，因系統(tǒng)元件過多、井下條件復(fù)雜，相關(guān)設(shè)備的安裝效果一度達(dá)不到礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。在此情況下，彭莊煤礦調(diào)度室施工人員利用舊電纜槽單獨制作背板70 余塊，成功將兩系統(tǒng)元件整合在一起，整合后的系統(tǒng)干凈整潔，效果良好，達(dá)到了礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2 融合應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要點

2.1 網(wǎng)絡(luò)及傳輸方式

系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，分站至主干網(wǎng)采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)，分站至讀卡器采用無線傳輸方式。

2.2 精準(zhǔn)定位技術(shù)

人員精準(zhǔn)定位技術(shù)采用UWB 定位技術(shù)中的ToF 測距技術(shù)（基于飛行時間測距—Time Of Fligh），如圖3。該技術(shù)是一種適用于煤礦巷道空間的雙向測距技術(shù)，主要利用信號在兩個異步收發(fā)機(jī)(Transceiver)（或被反射面）之間往返的飛行時間來測量節(jié)點間的距離，它具有以下優(yōu)點：

圖3 ToF 測距技術(shù)（基于飛行時間測距——Time Of Fligh）原理圖

（1）可以單基站進(jìn)行測距，確定人員位置；

（2）兩個基站即可確定人員行進(jìn)方向，這是Zigbee 等傳統(tǒng)定位技術(shù)所實現(xiàn)不了的。

2.3 技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計

（1）系統(tǒng)容量

系統(tǒng)可接入讀卡器（基站）數(shù)量不小于512 臺，識別卡數(shù)量不小于65 000 張。

（2）系統(tǒng)巡檢周期

系統(tǒng)最大巡檢周期不超過5 s。

（3）定位刷新頻率

標(biāo)識卡的定位刷新頻率可調(diào)。采掘工作面定位刷新頻率滿足人員定位精度要求。

（4）定位精度

系統(tǒng)在理想狀態(tài)下靜態(tài)定位精度可達(dá)30 cm，動態(tài)定位精度不超過3 m。

采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面人員定位精度達(dá)到1 m，其他地點人員定位精度不超過3 m。

（5）無線傳輸距離

分站（基站）、讀卡器與標(biāo)識卡之間無線傳輸距離不小于400 m。

（6）標(biāo)志卡電源

精確定位識別卡采用電池供電，通過識別卡的超低功耗與智能節(jié)電設(shè)計，可以實現(xiàn)正常使用12月以上。

3 融合應(yīng)用系統(tǒng)的運行情況

3.1 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)已成功運用于菏澤煤電公司彭莊煤礦，運行連續(xù)平穩(wěn)，情況良好，達(dá)到了設(shè)計要求。

3.2 實現(xiàn)效果

（1）無線通信部分

實現(xiàn)了井上下WIFI 信號全覆蓋，配合礦用本安防爆手機(jī)，實現(xiàn)了井下、井上下實時通信，提高了井下人員工作效率。

（2）人員精確定位部分

① 實現(xiàn)了對入井人員的精確定位跟蹤（定位精度最高達(dá)30 cm）、報警求助、預(yù)警救援、考勤統(tǒng)計、區(qū)域禁入、歷史數(shù)據(jù)記錄查詢以及唯一性檢測等各項功能，極大增強(qiáng)了該礦的安全管理能力，同時解決了傳統(tǒng)的“找人難、難找人”問題，這對提高該礦的事故應(yīng)急處置能力具有重要意義。

② 創(chuàng)新加入了超員報警功能，解決了頭面限員管理困難問題。

4 融合應(yīng)用系統(tǒng)的效益產(chǎn)出

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）不采用融合系統(tǒng)，單獨施工無線通信系統(tǒng)、人員精確定位系統(tǒng)，按每套200 萬元計算，則合計費用400萬元。采用的融合應(yīng)用系統(tǒng)價格226.9萬元，節(jié)約煤礦安全費用400-226.9=173.1 萬元。

（2）井下無線通信系統(tǒng)與人員精確定位系統(tǒng)融合應(yīng)用后，只需敷設(shè)一路線纜即可運行，在全礦范圍內(nèi)節(jié)省了一路線纜，按電纜、光纜各5 萬m，電纜7 元/m，光纜6 元/m 計算，共節(jié)約材料費用5×7 ＋5×6=65 萬元。

（3）該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、自動化程度高，只需一組人工即可完成檢修維護(hù)工作，這樣就節(jié)約了一組人工（5 人）。按每人每年薪資6 萬元計算，每年可節(jié)約人工費用5×6=30 萬元。

綜上所述，該融合應(yīng)用系統(tǒng)累計效益：173.1+65+30=268.1 萬元。

4.2 安全效益、社會效益、潛在效益

（1）安全效益

該系統(tǒng)完善了該礦安全管理體系，加強(qiáng)了井下作業(yè)人員的安全管理。特別是精度極高的人員精準(zhǔn)定位功能，解決了事故發(fā)生時的“找人難、難找人”問題，提高了應(yīng)對突發(fā)事件時的事故應(yīng)急處置能力，對實現(xiàn)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

（2）社會效益

該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能多樣，后續(xù)拓展能力強(qiáng)，后期可以把安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)加入其中，實現(xiàn)多系統(tǒng)的融合聯(lián)動，保證用戶系統(tǒng)增值，節(jié)省用戶投資，綜合效益明顯。該系統(tǒng)提高了該礦在事故發(fā)生時的救援能力，減少事故附加損失，降低社會負(fù)面影響。

（3）潛在效益

彭莊煤礦井下無線通信及工作面人員精準(zhǔn)定位融合應(yīng)用系統(tǒng)解決了彭莊煤礦缺少井下無線通信系統(tǒng)和人員定位不精、頭面限員管理困難等諸多問題，同時滿足了各崗位負(fù)責(zé)人、瓦檢員、安全檢查人員、流動崗位人員的通信需要，增強(qiáng)調(diào)度指揮能力，提高了工作效率。

該系統(tǒng)可對下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、時間等考勤信息分類統(tǒng)計，減少了出勤不出力現(xiàn)象，增加了工人的勞動效率。

5 結(jié) 論

井下無線通信及人員精準(zhǔn)定位融合應(yīng)用系統(tǒng)在實現(xiàn)高精度、高強(qiáng)度的井下實時定位與通信的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新加入了超員報警功能。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，該系統(tǒng)平穩(wěn)運行，在提高各相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的同時，大幅度削減了經(jīng)濟(jì)與人工成本。該系統(tǒng)支持多系統(tǒng)融合，后續(xù)工程逐漸實現(xiàn)了與安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播等系統(tǒng)的聯(lián)動。