煤礦井下作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王國(guó)亮

摘要：煤炭開采行業(yè)是長(zhǎng)期以來的高危行業(yè)，在惡劣的地層下開展煤炭開采面臨著瓦斯、水災(zāi)、爆炸等安全生產(chǎn)事故的威脅。在煤礦惡劣的環(huán)境中，對(duì)安全生產(chǎn)提出了更高的要求，其中對(duì)于作業(yè)人員的保護(hù)應(yīng)排在首位，應(yīng)及時(shí)對(duì)礦井人員進(jìn)行精確定位，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)有效地聯(lián)系、救援等相關(guān)需求。針對(duì)目前現(xiàn)有礦井作業(yè)人員定位系統(tǒng)的缺陷，分析了目前常用的定位技術(shù)方法，總結(jié)出井下作業(yè)人員定位的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了基于SDS-TWR定位技術(shù)的礦井井下作業(yè)人員的高精度定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SDS-TWR定位技術(shù)能夠精確地對(duì)井下作業(yè)人員進(jìn)行定位。

關(guān)鍵詞：煤礦;定位系統(tǒng);人員;高精度

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0247—03

0引言

煤炭資源一直是我國(guó)的主要能源，根據(jù)近期對(duì)能源儲(chǔ)量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出煤炭?jī)?chǔ)量的總占比接近95%。在富煤、少油氣的能源大環(huán)境下，可以推測(cè)得出，在未來很長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，煤炭將繼續(xù)作為我國(guó)能源的主要形式而存在。然而作為我國(guó)主要的能源物資，在大力開發(fā)煤炭資源的同時(shí)，也對(duì)在煤炭開采過程中的安全生產(chǎn)提出了更嚴(yán)格的要求。雖然目前隨著煤炭現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的開啟，各地高科技現(xiàn)代化開采設(shè)備也在不斷地應(yīng)用于煤炭開采過程中，但是真正實(shí)際執(zhí)行決策操作的還是礦井作業(yè)人員，如何保障作業(yè)人員的生命健康安全是煤礦行業(yè)技術(shù)人員所應(yīng)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。煤礦企業(yè)在對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行日常安全監(jiān)管時(shí)，必須及時(shí)掌握人員的位置，了解每個(gè)作業(yè)人員的工作動(dòng)態(tài)以及工作軌跡，便于在發(fā)生緊急情況時(shí)可以采取有效的措施，精確完成救援工作。為了高精度地實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的精確定位，需借助目前先進(jìn)的定位方法，但目前煤礦企業(yè)常用的定位技術(shù)方法均存在一定的缺陷。通過查閱相關(guān)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的情況下，得出了采用SDS-TWR定位技術(shù)設(shè)計(jì)出礦井井下人員定位系統(tǒng)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果得出了該定位系統(tǒng)能夠高精度地完成對(duì)礦井作業(yè)人員的定位，為促進(jìn)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展以及礦井作業(yè)技術(shù)人員定位技術(shù)研究提供了依據(jù)。

1煤礦井下測(cè)距方法

1.1定位特點(diǎn)

定位特點(diǎn)如下：

（1）礦井內(nèi)各個(gè)開采巷道分布廣泛，每一個(gè)分支的長(zhǎng)度都比較長(zhǎng)，某個(gè)巷道的長(zhǎng)度最長(zhǎng)可以達(dá)到10km，對(duì)于礦井內(nèi)作業(yè)人員的定位需覆蓋工作面的每一個(gè)角落，因此相比于在地上進(jìn)行定位具有更高的難度;

（2）礦井內(nèi)的設(shè)備復(fù)雜，具有較多的機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備，例如掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)、支撐設(shè)備等，各類設(shè)備均會(huì)對(duì)定位信號(hào)產(chǎn)生偏差，要求對(duì)作業(yè)人員的信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)非視距傳輸;

（3）信號(hào)在礦井巷道內(nèi)傳播，容易受到巷道的截面形狀、地層屬性、地質(zhì)構(gòu)造、表面粗糙程度等因素的不利影響，會(huì)對(duì)定位信號(hào)的無線傳播造成衰減影響，并且影響的機(jī)理復(fù)雜多變，無法有效通過技術(shù)進(jìn)行根本性控制;

（4）煤礦井下有易燃易爆的氣體，要求礦井內(nèi)的所有電氣設(shè)備均為防爆型設(shè)備;

（5）電磁波在礦井無法進(jìn)行有效傳播，在戶外的GPS等定位設(shè)備無法應(yīng)用于地下的人員定位，因此在技術(shù)的應(yīng)用方面具有局限性;

（6）礦井環(huán)境惡劣，具有煤炭粉塵顆粒濃度大、工作面溫度和濕度較高等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了定位設(shè)備相關(guān)部件選型的范圍。

1.2定位方法研究

通過對(duì)目前常用的定位技術(shù)進(jìn)行研究，得出了每個(gè)技術(shù)的短板。AOA定位技術(shù)方法主要是用于在無障礙物的環(huán)境進(jìn)行測(cè)距，在礦道分布復(fù)雜且彎曲的地質(zhì)形態(tài)內(nèi)無法進(jìn)行使用。TOA技術(shù)方法所受到的巷道環(huán)境影響較小，理論上可以應(yīng)用于井下作業(yè)人員的定位，但是要求定位卡與分站進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步，在技術(shù)和成本上要求較高，經(jīng)濟(jì)性不好。然而SDS-TWR技術(shù)方法不要求定位卡與分站進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步，同時(shí)可以降低整個(gè)系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度，這種異步測(cè)時(shí)法在進(jìn)行礦井人員定位時(shí)能夠具有更高的自由度，因此選用SDS-TWR技術(shù)方法作為礦井人員測(cè)距定位的方法。

2定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1功能要求

煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)的功能要求如下。

（1）人員實(shí)時(shí)精確定位功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精確定位功能，包括掘進(jìn)巷道和采煤工作面等重點(diǎn)區(qū)域。

（2）數(shù)據(jù)處理與報(bào)警功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員定位數(shù)據(jù)處理與報(bào)警功能，如礦井及重點(diǎn)區(qū)域超定員判別與報(bào)警功能、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域判別與報(bào)警、超時(shí)作業(yè)判別與報(bào)警、定位卡唯一性檢測(cè)與報(bào)警、違章乘坐皮帶判別與報(bào)警、與膠輪車和電機(jī)車近距離（不含乘坐）判別與報(bào)警、特種作業(yè)人員巡檢路線與時(shí)間判別與報(bào)警等。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員定位歷史信息查詢和統(tǒng)計(jì)功能。

（4）顯示與打印功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員位置、路徑和有關(guān)信息顯示與打印功能。

（5）信息和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)應(yīng)具有井下人員定位相關(guān)信息管理功能，包括信息添加、修改和更新等功能。

（6）監(jiān)控服務(wù)功能。系統(tǒng)應(yīng)支持現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。

2.2總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)分為井上部分和井下部分，井上部分包括監(jiān)控終端、各數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等;井下部分包括定位卡、定位分站和礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。

2.3定位分站設(shè)計(jì)

高精度定位系統(tǒng)的定位分站設(shè)計(jì)如圖2所示，其中為確保數(shù)據(jù)處理計(jì)算的精確性，應(yīng)選用高性能的處理器，處理器型號(hào)選擇為西門子公司所生產(chǎn)的A13X新型處理器，該類型的處理器功耗較低，適用于工業(yè)環(huán)境。由于高精度定位系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量較大，針對(duì)儲(chǔ)存單元采用型號(hào)為26CC11的存儲(chǔ)單元。

通過設(shè)置定位芯片與天線相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通訊單元的構(gòu)架，通過配置摩托羅拉公司的DD1200芯片，使整個(gè)通訊支持IEEE802.15.4協(xié)議內(nèi)容，為了防止內(nèi)部芯片的相互干擾，采用機(jī)殼外置式的陶瓷天線。

由于礦井內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)于電源設(shè)備的要求較高，能夠有效抵制惡劣的作業(yè)環(huán)境，并提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)。因此采用鋰電池為核心結(jié)合MAX1724芯片的整體設(shè)計(jì)方案，并且能夠通過后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電管理。

3定位系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

通過礦井內(nèi)實(shí)際作業(yè)人員位置與軟件通訊位置所傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從水平方向與豎直方向的數(shù)據(jù)偏差分析得出定位系統(tǒng)是否具有高精度屬性。

水平方向的定位信號(hào)數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。由圖可知，信號(hào)在水平方向不會(huì)隨著礦井巷道長(zhǎng)度延伸的距離而逐漸減弱，并且在礦井內(nèi)的信號(hào)是呈均勻分布，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示誤差偏差率僅為1.16%，遠(yuǎn)小于國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，水平方向的定位信號(hào)數(shù)據(jù)是呈曲線分布，有助于對(duì)礦井人員位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

垂直方向傳輸?shù)亩ㄎ恍盘?hào)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，垂直定位信號(hào)是從45。角的直線輸入，數(shù)值與礦井空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是呈線性關(guān)系。數(shù)據(jù)誤差偏差率為2.19%，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足對(duì)礦井下各個(gè)角度位置作業(yè)人員的定位工作要求。

4結(jié)束語

煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展一直是國(guó)家相關(guān)部門所要求的，其中礦井作業(yè)人員的生命安全應(yīng)放在煤礦企業(yè)進(jìn)行日常作業(yè)生產(chǎn)的首位。在進(jìn)行煤炭開采過程中，應(yīng)隨時(shí)掌握一線作業(yè)人員的位置狀態(tài)，如發(fā)生突發(fā)事故，能夠及時(shí)開展救援并取得信息聯(lián)系。

本文通過實(shí)際工況條件，設(shè)計(jì)出了井下作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用研究得出該定位系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際安全生產(chǎn)工作需要，對(duì)井下作業(yè)人員實(shí)施高精度的定位。高精度定位系統(tǒng)的研制對(duì)于煤礦行業(yè)研發(fā)高科技的礦井作業(yè)人員定位設(shè)備提供了依據(jù)。