煤礦作業(yè)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用*

申彥芬

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦技術(shù)部，山西 大同 037041)

0 引 言

隨著煤礦資源的大量開(kāi)采，保證作業(yè)人員的生命安全，提高煤礦開(kāi)采效率已成為當(dāng)前重要的關(guān)注焦點(diǎn)。在煤礦中建立一套高精度的人員定位系統(tǒng)，是保證井下作業(yè)人員安全性的重要任務(wù)。當(dāng)前，雖部分企業(yè)在礦井中安裝了人員定位系統(tǒng)，但系統(tǒng)具有定位精度低、功能單一、無(wú)智能化顯示、可擴(kuò)展性較差等問(wèn)題，無(wú)法更好的保證人員的作業(yè)安全，較難從根本上避免安全事故的發(fā)生[1]。為此，在分析人員定位系統(tǒng)建設(shè)必要性基礎(chǔ)上，從總體方案、人員位置管理系統(tǒng)、三維圖像顯示等方面，開(kāi)展了礦井中高精度人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，通過(guò)在同忻煤礦井中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該定位系統(tǒng)的可靠性及智能化，更好的保障了人員的作業(yè)安全，方便了企業(yè)對(duì)作業(yè)人員的系統(tǒng)化管理，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 定位系統(tǒng)應(yīng)用的必要性分析

2019年4月應(yīng)急科信辦發(fā)布的《應(yīng)急管理信息化2019年第一批地方建設(shè)任務(wù)書》中要求：煤礦應(yīng)接入包括工業(yè)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(含瓦斯抽采(放)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù))、井下作業(yè)人員管理數(shù)據(jù)、重大設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、礦壓及沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、供電監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、井下運(yùn)輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等在內(nèi)的數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)。

同忻煤礦的煤層頂?shù)装寮肮處r一般屬半堅(jiān)硬至堅(jiān)硬巖石，工程地質(zhì)條件良好，屬簡(jiǎn)單類型，瓦斯含量總體較低，但局部較高，各煤層煤塵均具有爆炸危險(xiǎn)性，除2號(hào)煤層屬不易自燃外，其余煤層均為易自燃煤層[2]。由于同忻煤礦井下的特殊環(huán)境，一旦無(wú)法對(duì)井下作業(yè)人員作業(yè)位置及身體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大可能受到生命安全的嚴(yán)重威脅。因此實(shí)現(xiàn)井下開(kāi)采人員的精準(zhǔn)定位，已成為當(dāng)前該煤礦中重要的任務(wù)之一。只有設(shè)計(jì)一套高精度的人員定位系統(tǒng)，才能在出現(xiàn)人員事故時(shí)，快速采取相關(guān)措施對(duì)人員進(jìn)行解救，以此保障井下作業(yè)的安全性。

2 高精度人員定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井中人員定位系統(tǒng)的建設(shè)需求，在滿足《煤礦安全規(guī)程》(現(xiàn)行2016版)等相關(guān)規(guī)定前提下，進(jìn)行了礦井中人員定位系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要包括地面中心站、系統(tǒng)軟件、雙機(jī)熱備軟件、多功能基站、人員定位分站、讀卡器、人員識(shí)別卡、礦用隔爆電源等部分，系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)采用UWB定位技術(shù)，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面；按照1:1的三維立體礦圖，與真實(shí)比例的三維地理信息系統(tǒng)配合，可擴(kuò)展出大量應(yīng)用，提供多系統(tǒng)融合及聯(lián)動(dòng)報(bào)警接口[4]。系統(tǒng)整體采用了多功能基站，提供以太網(wǎng)絡(luò)光口、電口、CAN、485、433、WIFI等多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，為現(xiàn)有礦井升級(jí)改造及多系統(tǒng)融合提供了充足的空間。另外，該系統(tǒng)的傳輸方式為：系統(tǒng)主干網(wǎng)傳輸采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式，分站或基站與主干網(wǎng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)；分站(基站)和讀卡器之間采用以太網(wǎng)、RS485傳輸；系統(tǒng)容量：系統(tǒng)接入讀卡器(基站)數(shù)量512臺(tái)，識(shí)別卡數(shù)量65 000個(gè)。另外，通過(guò)虹膜或人臉識(shí)別技術(shù)和近距離讀卡技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井口的唯一性識(shí)別檢卡功能，杜絕多帶卡、替代卡、無(wú)卡入井等情況發(fā)生。

3 定位系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 人員位置管理分系統(tǒng)

人員位置管理系統(tǒng)是整個(gè)定位系統(tǒng)中的核心分系統(tǒng)，主要利用GIS技術(shù)匯總煤礦井下CAD圖及井下巷道信息，可以任意360°自由旋轉(zhuǎn)、圖面放大、縮小的三維3D電子地圖，能直觀地反應(yīng)出礦井整體和各個(gè)不同工作層面的立體結(jié)構(gòu)圖、并顯示出井下巷道的坡度、深度、實(shí)際長(zhǎng)度等各種重要管理信息[5]。其中，GIS全景動(dòng)態(tài)視圖作為顯示平臺(tái)，用GIS地圖將礦山以三維立體界面顯示，能夠?qū)崟r(shí)顯示井下各水平、各采區(qū)、各工作面人員、設(shè)備的精確位置信息，及3D GIS與2D GIS的一體化。同時(shí)，該子系統(tǒng)提供了多系統(tǒng)融合及聯(lián)動(dòng)報(bào)警接口，GIS系統(tǒng)應(yīng)提供與監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音廣播系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)的融合聯(lián)動(dòng)接口。KJ98(A)精確人員位置管理分系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 KJ98(A)精確人員位置管理分系統(tǒng)示意圖

3.2 三維圖形顯示模塊設(shè)計(jì)

人員定位三維圖形用于顯示人員井下分布和設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)具備二維和三維圖形展現(xiàn)功能。地面中心站實(shí)時(shí)展示井下各水平、各采區(qū)、各工作面人員、設(shè)備等的位置信息，采用具有精確三維坐標(biāo)GIS平臺(tái)，展現(xiàn)上述精確位置信息。二維、三維地圖要有可維護(hù)性，能夠自行導(dǎo)入CAD或其他常用格式的地圖數(shù)據(jù)。地圖導(dǎo)入后，系統(tǒng)能夠繼承原有位置及坐標(biāo)。三維圖形顯示如圖2所示。

3.3 自診斷模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)中分站、傳輸接口等設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警并記錄故障時(shí)間和故障設(shè)備，以供查詢及打印。設(shè)備運(yùn)行異常報(bào)警：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到設(shè)備運(yùn)行異常狀態(tài)時(shí)能夠主動(dòng)觸發(fā)地面中心站和WEB界面聲光報(bào)警裝置。當(dāng)系統(tǒng)中心站雙機(jī)熱備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出報(bào)警，中心站應(yīng)在5 min內(nèi)自動(dòng)切換到備機(jī)運(yùn)行；并診斷各通訊模塊運(yùn)行狀況。同時(shí)，能夠顯示讀卡器、分站或基站工作狀態(tài)、供電狀態(tài)及通訊狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)分站、基站、電源、讀卡器、標(biāo)識(shí)卡異常時(shí)，系統(tǒng)能夠在中心站和WEB上發(fā)出聲光報(bào)警提示并在設(shè)備欄顯示不同顏色告警。

圖2 三維圖形顯示圖

3.4 分站電源和識(shí)別卡管理模塊設(shè)計(jì)

此功能模塊主要是對(duì)關(guān)鍵設(shè)備如分站、電源和識(shí)別卡等進(jìn)行管理，當(dāng)識(shí)別卡電量過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)提前告警，通知相關(guān)人員及時(shí)更換電池,在系統(tǒng)軟件和井口顯示系統(tǒng)中均能查詢；當(dāng)分站故障時(shí)，系統(tǒng)將給出告警，方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決；系統(tǒng)具備智能電源管理功能。當(dāng)分站交流電出現(xiàn)中斷時(shí)，系統(tǒng)告警區(qū)域會(huì)出現(xiàn)設(shè)備交流電中斷告警，便于維護(hù)人員及時(shí)處理。系統(tǒng)管理模塊的顯示界面如圖3所示。

圖3 管理模塊的顯示界面

4 人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

根據(jù)所建立的高精度人員定位系統(tǒng)，將該系統(tǒng)在同忻煤礦中進(jìn)行了將近4個(gè)月的測(cè)試。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能正確的將人員作業(yè)位置、個(gè)人信息、作業(yè)時(shí)間、行駛路徑等信息通過(guò)定位系統(tǒng)、三維顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，圖4為作業(yè)人員誤入報(bào)警界面圖。在未經(jīng)允許的作業(yè)人員將禁止進(jìn)入作業(yè)區(qū)，在顯示界面中將發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。同時(shí)，該人員定位系統(tǒng)能與整個(gè)煤礦監(jiān)控中心進(jìn)行集中控制，有效完善了智能化礦山的建立。經(jīng)過(guò)與原有結(jié)構(gòu)相比，該系統(tǒng)具有更高的定位精度，監(jiān)控范圍更廣，人員發(fā)生的安全事故率整體下降60%，管理部分對(duì)人員的集中管理性也更加系統(tǒng)方便，整套系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用推廣價(jià)值。

圖4 作業(yè)人員誤入報(bào)警界面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)智能化礦山建立發(fā)展目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井中人員定位系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)，成為當(dāng)前重要的改進(jìn)方向。為此，開(kāi)展了礦井中人員定位系統(tǒng)的總體方案、關(guān)鍵子系統(tǒng)等方面的設(shè)計(jì)研究，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，得出：該定位系統(tǒng)精度更高，穩(wěn)定性更好，智能化程度更高，人員的安全事故率整體降低60%以上，企業(yè)管理更加方便，大大提高了礦井的作業(yè)效率及人員作業(yè)安全性，在各大煤礦中具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。