位置服務系統(tǒng)在煤礦中的應用

杜志剛

（天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213000）

煤礦井下是一個特殊的作業(yè)空間，井下目標對象位置信息對于安全生產(chǎn)作業(yè)具有極其重要的作用。人員位置跟蹤為考勤管理提供了有效手段，同時可以保障災時救援行動的迅速有效；機車位置跟蹤可以提高運輸調(diào)度管理水平和生產(chǎn)效率；井下生產(chǎn)設備通過本身與移動目標的位置信息可以保障人機安全作業(yè)，設備間相互位置感知是實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)直至實現(xiàn)礦井少人化、無人化智能開采的重要技術基礎。由于井下無法接收到GPS 信號，缺乏統(tǒng)一定位服務基礎設施支撐，因此，建立井下類似GPS 的位置服務系統(tǒng)勢在必行。

1 目前定位系統(tǒng)存在的問題

位置服務系統(tǒng)旨在提供目標對象精準的實時位置信息，是建立在定位基礎上的服務，井下定位系統(tǒng)的定位精度、定位速度、實時性直接決定位置服務系統(tǒng)建設的成敗。目前國內(nèi)在用的定位系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：（1）定位精度不高，定位數(shù)據(jù)實時性不足；（2）單體式定位系統(tǒng)不滿足位置服務系統(tǒng)所要求的開放服務架構；（3）定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫承載能力不能滿足定位數(shù)據(jù)實時響應要求；（4）位置服務系統(tǒng)要求二維或三維定位才能滿足多目標不同場景的應用。

通過研究無線超寬帶定位[1-3]、數(shù)據(jù)優(yōu)化算法[4]、高精度時鐘同步、地磁慣性導航、運動特征約束等關鍵技術方法，以開放服務體系為基礎架構，完成了位置服務系統(tǒng)的開發(fā)，為井下運動目標跟蹤、人機安全作業(yè)、無人駕駛等應用需求提供了高精度實時位置服務。

2 系統(tǒng)組成

位置服務系統(tǒng)主要由位置服務基礎設施、數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊、位置服務管理控制中間件、位置服務接口及數(shù)據(jù)庫組成。其系統(tǒng)架構如圖1。

圖1 位置服務系統(tǒng)架構

位置服務基礎設施主要包括井下傳輸網(wǎng)絡、定位分站和定位標簽卡，用來定位和優(yōu)化目標對象的位置信息；數(shù)據(jù)驅(qū)動模塊通過接入礦井有線環(huán)網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡完成定位數(shù)據(jù)的交換傳輸；位置服務管理控制中間件主要完成定位數(shù)據(jù)的管理、定位設施基礎信息維護等，同時負責管理和維護位置服務數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)存儲采用MySQL+InfluxDB 的混合存儲模式；位置服務接口提供分站位置信息查詢、目標對象實時位置信息查詢、目標軌跡查詢及控制命令接口，同時通過WebAPI 接口為各系統(tǒng)應用提供核心定位數(shù)據(jù)。

3 示范應用

位置服務示范應用主要包括3DGIS 三維系統(tǒng)展示、工作面限員監(jiān)測、人機接近保護等，另外系統(tǒng)還為輔助運輸管控系統(tǒng)、車輛無人駕駛系統(tǒng)提供移動目標精確位置信息，保證系統(tǒng)的安全運行。系統(tǒng)于2021 年1 月在兗礦集團鮑店礦、陜煤曹家灘礦試運行，經(jīng)過大量測試優(yōu)化，系統(tǒng)已穩(wěn)定運行數(shù)月，達到了預期效果。

3.1 3DGIS 三維系統(tǒng)展示

測試現(xiàn)場共安裝98 臺定位分站及接收器，實現(xiàn)了全部采煤工作面和主要行人大巷信號全覆蓋。三維展示軟件效果如圖2。

圖2 三維軟件展示

在軟件中可查看和管理全礦的井下三維地圖，首頁可以顯示帶班領導、區(qū)域重點人數(shù)、實時報警、井下人員柱狀圖和人員下井折線圖等。在三維GIS圖中可以實時展示井下所有人員的位置和走動情況，同步可以展示人員實時位置的列表，可以根據(jù)分站和接收器查詢?nèi)藛T分布列表；軌跡回放，可以回放人員歷史軌跡，根據(jù)人員歷史軌跡的坐標進行軌跡展示。

3.2 工作面限員監(jiān)測

為提高煤礦安全保障能力，減少井下作業(yè)人數(shù)，從源頭減少群死群傷事故風險，根據(jù)國家相關部門規(guī)定，煤礦采掘工作面必須嚴格控制工作面作業(yè)人數(shù)。工作面限員控制系統(tǒng)采集通過位置服務系統(tǒng)提供的人員位置信息，實現(xiàn)限員功能。系統(tǒng)主界面如圖3。

圖3 工作面限員控制系統(tǒng)

在7304 工作面兩個順槽200 m 處各安裝了1套工作面限員設備，設備由1 臺本安型讀卡器（用于接收信號范圍內(nèi)相關人員的定位數(shù)據(jù)信息）、1臺通信信號裝置主機（用于超員預報警信息播報）、限員信息顯示牌（用于顯示工作面實時人員信息）和1 臺隔爆兼本安型多路電源組成。通信信號裝置主機和顯示牌通過RS485 總線與讀卡器連接。

限員控制系統(tǒng)具備用戶自主設定限員區(qū)域的預報警人數(shù)、分時限員等功能，并且限員人數(shù)并不包含臨時性出入的巡檢人員。通過位置服務系統(tǒng)提供的人員實時位置信息，系統(tǒng)可判定當前區(qū)域的人員詳情。當區(qū)域人數(shù)超過設定人數(shù)時，井下信息顯示牌顯示總人數(shù)和人員姓名，同時信號主機播報超員報警，記錄詳細報警信息。

3.3 人機接近保護

人機接近保護裝置主要應用于采煤工作面液壓支架、轉(zhuǎn)載機、破碎機等大型移動設備中，設備通過感知自身（安裝接收器）與附近人員標識卡的距離信息實現(xiàn)急?；蜷]鎖保障人員安全。

以液壓支架人機接近保護為例，支架頂板上安裝本安讀卡器，工作人員攜帶標簽卡在支架下行走，讀卡器與電液控制器相連并上報定位數(shù)據(jù)，電液控制器根據(jù)定位數(shù)據(jù)進行危險區(qū)域判斷并進行支架運動控制。其安裝如圖4。

圖4 安裝位置示意圖

保護裝置工作過程中，定位卡動態(tài)監(jiān)測周圍接收器，并與距離較近的UWB 接收器進行測距定位。讀卡器將測距結果上報給電液控制器，電液控制器根據(jù)測距結果判斷人員離本架的距離。當人員接近正在移架的液壓支架時，液壓支架閉鎖以保障人員安全。轉(zhuǎn)載機保護裝置是在轉(zhuǎn)載機入料口安裝UWB 接收器，防止轉(zhuǎn)載機運行過程中人員進入破碎機造成人身傷害。在轉(zhuǎn)載機入料口附近的危險區(qū)域內(nèi)安裝幾臺UWB 接收器，定位周期根據(jù)標識卡與接收器的距離動態(tài)調(diào)整。當標識卡與接收器遠離時定位頻率自動下降，靠近時定位頻率自動提升。人員離入料口的危險距離、預警距離以及標簽定位周期與距離的關系等參數(shù)都可以靈活配置。

試驗表明：保護裝置定位精度達0.3 m，標簽卡定位周期動態(tài)調(diào)整范圍0.2～0.5 s，定位頻次最優(yōu)達每秒5 次，最差條件下閉鎖響應的時間優(yōu)于0.6 s。

3.4 智能輔助運輸

位置服務系統(tǒng)提供的定位數(shù)據(jù)為智能輔運系統(tǒng)實現(xiàn)車輛實時位置可視化管理、車速控制、車內(nèi)人員信息查詢、車輛超員超速管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)現(xiàn)場巷道條件安裝了定位接收器實現(xiàn)行車巷信號全覆蓋，膠輪車內(nèi)安裝讀卡器接收乘車人員標識卡信息，接收器接收到標識卡信息同步傳輸至位置服務系統(tǒng)主機。其效果如圖5。

圖5 輔運系統(tǒng)效果圖

3.5 無人駕駛

無人駕駛是實現(xiàn)智慧礦山建設的一次創(chuàng)新實踐，針對井下復雜工礦環(huán)境實現(xiàn)井下無軌膠輪車自動駕駛。試驗車輛以線控底盤測試車為膠輪車原型，模擬無軌膠輪車線控系統(tǒng)和傳感器布局，研制自動駕駛域控制器、車載傳感器等一系列裝置，選取路線為井下中央變電所到井口，總長度4300 m 左右，包含兩個彎道，最大坡度7°，路線中共有21 個讀卡器實現(xiàn)信號全覆蓋。其布置如圖6。

圖6 無人駕駛讀卡器布置圖

實際測試時，安全員坐在主駕駛全程不做任何操作，僅以意外狀況下人工介入為目的。首先，運行車輛的實時定位數(shù)據(jù)可以有效保證車輛會車安全，如在交叉路口，車輛以系統(tǒng)提供的實時位置數(shù)據(jù)為參考，同時感知其他車輛或裝備的相互位置，綜合裁決車輛下一步操作，避免車輛碰撞；其次，無人駕駛車輛依賴井下位置服務系統(tǒng)提供定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自身精準定位，結合車輛安裝的激光雷達、毫米波雷達等主動式定位裝置和井下高精地圖實現(xiàn)導航和無人駕駛。試驗結果顯示：測試車輛完成整段路程自動駕駛，實現(xiàn)了車速自動控制、爬坡、避障、繞彎等操作，最終抵達目的地，達到預期效果。

3.6 多系統(tǒng)融合

位置服務系統(tǒng)同時涵蓋支持多系統(tǒng)融合，目前已與安全監(jiān)控、語音廣播、無線通訊等系統(tǒng)融合聯(lián)動。當采掘工作面出現(xiàn)氣體超限、人員超限或是其他緊急情況時，系統(tǒng)自動啟動聯(lián)動模式，區(qū)域作業(yè)人員的標識卡出現(xiàn)蜂鳴警示，警示燈會根據(jù)實際情況以不同方式閃爍，并聯(lián)動相關區(qū)域語音廣播發(fā)出報警。系統(tǒng)還具有雙向呼叫功能，作業(yè)人員可向地面監(jiān)控主機發(fā)送求救信號。定位標識卡可在2～5 s內(nèi)正確報警，經(jīng)過隨機多輪多地點測試，聯(lián)動狀態(tài)穩(wěn)定，效果良好，廣播和定位標識卡反應及時，滿足相關聯(lián)動要求。

4 結語

位置服務系統(tǒng)涵蓋了人員定位系統(tǒng)的核心需求，包括人、車、傳感器和各類裝備的實時位置監(jiān)測管理，為礦井搶險救災提供可靠的位置信息，有效提高救災效率，降低事故的人員傷亡率。系統(tǒng)為煤礦智慧礦山建設、人機安全協(xié)同作業(yè)、機器人巡檢、無人駕駛等領域提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。