高河能源井下精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用分析

張浩

（潞安化工集團(tuán) 高河能源有限公司，山西 長治 047100）

1 概 況

礦井人員定位系統(tǒng)作為煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一，已經(jīng)在礦山獲得普遍應(yīng)用，在人數(shù)統(tǒng)計、區(qū)域查詢、考勤管理方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著煤礦人員定位系統(tǒng)的發(fā)展，以及國家、地方對煤礦人員定位系統(tǒng)建設(shè)新要求、規(guī)范，各廠家也對人員定位技術(shù)不斷升級。本文以高河煤礦為研究對象，分析了該礦現(xiàn)有定位系統(tǒng)存在的問題，開展了井下精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計及關(guān)鍵模塊設(shè)計研究，通過將該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測試，驗證了該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，解決了礦井環(huán)境下人員、車輛、設(shè)備等的精準(zhǔn)定位難題，為實現(xiàn)精益化生產(chǎn)、精準(zhǔn)化管控、精細(xì)化操作奠定了基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)有定位系統(tǒng)存在問題分析

高河煤礦當(dāng)前井下人員定位系統(tǒng)整體存在精度不高、設(shè)備較老化、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢等問題，主要現(xiàn)狀分析如下。

（1）按照最新的相關(guān)規(guī)范，分站至主機之間最大傳輸距離應(yīng)不小于10 km，但目前高河煤礦使用的太網(wǎng)RS485 總線通訊，不能滿足10 km 通訊要求。

（2）按照相關(guān)規(guī)范，在電網(wǎng)停電后，備用電源應(yīng)能保證系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控時間不小于4 h。但目前使用的分站后備電源僅能維持1～2 h，不符合要求。

（3）在用系統(tǒng)的漏卡率、誤碼率較高，存在井下人員軌跡、考勤數(shù)據(jù)不完整的問題，達(dá)不到人員定位系統(tǒng)使用要求以及煤礦井下人員定位管理要求。

（4）按照相關(guān)規(guī)范，定位系統(tǒng)應(yīng)與GIS 技術(shù)融合；宜與安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播、供電監(jiān)控、煤炭產(chǎn)量監(jiān)控、移動通信、視頻監(jiān)控、照明控制等系統(tǒng)融合。但現(xiàn)有煤礦在用定位系統(tǒng)未與GIS 技術(shù)融合，未與安全監(jiān)控等系統(tǒng)融合。

3 定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計

系統(tǒng)采用UWB 技術(shù)，單基站一維定位精度達(dá)到20 cm，多基站二維定位精度達(dá)到穩(wěn)定30 cm。系統(tǒng)采用大容量低功耗基站調(diào)度技術(shù)，基站單臺可滿足200 個終端同時定位，人卡終端續(xù)航400 h。

3.2 定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能分為實時、歷史、交互和信息管理4 個部分。為實現(xiàn)全礦井精確定位，系統(tǒng)在全礦井使用KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站（融合讀卡分站）、UWB 定位標(biāo)識卡、FDY200 礦用移動式讀卡器、本安型手機等設(shè)備。

在主斜井、副立井、回風(fēng)立井的井口和井底、工作面的兩端和中部等區(qū)域分別布置了KJ251(A)-F2 讀卡分站。整個系統(tǒng)采用UWB 定位識別卡，該卡可進(jìn)行供電，充滿電后使用時間不小于30 d。在工作面順槽口、掘進(jìn)工作面巷道口各安裝本安型顯示屏1 臺，用于顯示該區(qū)域限員、報警信息及中心站下發(fā)信息，此次共需安設(shè)8 臺本安型顯示屏。

地面中心站包括監(jiān)控主備機、系統(tǒng)管理軟件、融合服務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，通過部署融合軟件平臺實現(xiàn)安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播等多系統(tǒng)聯(lián)動。與傳統(tǒng)的區(qū)域定位系統(tǒng)不同的是，此精準(zhǔn)定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測任意時刻、任意地點的人員、車輛位置，可以實現(xiàn)精確的車輛調(diào)度和違章監(jiān)控，提高礦井的安全管理水平。

井下人員定位系統(tǒng)的主界面如圖1 所示。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)的主界面Fig.1 Main interface of underground personnel positioning system

4 系統(tǒng)關(guān)鍵分模塊設(shè)計

4.1 三率展示功能設(shè)計

基于精確的位置數(shù)據(jù)，系統(tǒng)融合環(huán)境監(jiān)測和工況監(jiān)測等數(shù)據(jù)，自動統(tǒng)計匯總各生產(chǎn)、運輸隊組的開機率、正規(guī)循環(huán)率和工時利用率，實現(xiàn)3 個統(tǒng)計率的數(shù)字化展現(xiàn)、統(tǒng)計、匯總、對比。在主界面右側(cè)設(shè)置了三率展現(xiàn)區(qū)，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)三率展示界面Fig.2 System three-rate display interface

4.2 分站選型

選用KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站，工作電壓12.0～25.0 VDC，工作電流≤1 000 mA，定位分站與標(biāo)識卡的最大位移速度5 m/s，采用光纖傳輸，最大傳輸距離10 km，防護(hù)等級IP65，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。該分站集成常規(guī)定位讀卡器、傳輸分站及無線通訊基站的功能，可實現(xiàn)UWB/Zigbee標(biāo)識卡和信息礦燈的精確定位、雙向通訊，信息礦燈的語音對講信號采集、傳輸，本安型手機的無線通訊，配接讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸及Wifi 信號的覆蓋。

4.3 電源選型設(shè)計

選用KDY660/15(A)礦用澆封兼本安型直流電源，工作電壓90～900 VAC，工作電流≤0.2 A，電壓波動范圍75%～110%，輸出1 路15 V 本安輸出，防護(hù)等級IP54，整機重量≤5 kg。該儀器可應(yīng)用于具有甲烷氣體混合物及煤塵爆炸危險的煤礦井下，保證井下人員作業(yè)安全。

4.4 井下人員實時查詢

可通過部門、職務(wù)、工種、卡號/姓名/工號等多種條件組合，針對性地查詢特定條件的人員井下實時數(shù)據(jù)。查詢結(jié)果以列表進(jìn)行展示，展示數(shù)據(jù)包括卡號、姓名、部門、職務(wù)、工種、入井時間、入井時長、當(dāng)前所在位置、當(dāng)前位置所在時長、來源位置、班次、距離等，并可了解該人員的基本信息、本次入井軌跡和近期出勤情況等其它數(shù)據(jù)。井下人員實時查詢界面如圖3 所示。

圖3 井下人員實時查詢界面Fig.3 Real-time query interface of underground personnel

4.5 系統(tǒng)其他功能設(shè)計

根據(jù)高河煤礦井下人員作業(yè)需求，在井下人員定位系統(tǒng)中也設(shè)計了其他功能模塊，主要包括如下內(nèi)容。

（1）該系統(tǒng)能快速搜索任何人員、車輛的具體精確位置和運動狀態(tài)，點擊某一人員或車輛，彈出選擇人員或車輛的詳細(xì)信息，包含基本信息和當(dāng)前狀態(tài)信息。人員及車輛詳情展示圖如圖4 所示。

圖4 人員及車輛詳情展示圖Fig.4 Details of personnel and vehicles

（2）能實現(xiàn)車輛在全行程、全時域段的超速行駛、不按規(guī)定回車、違反行車不行人等規(guī)定的違規(guī)記錄，并形成報表。

（3）系統(tǒng)全區(qū)域覆蓋，可以實現(xiàn)真正意義上緊急狀態(tài)下“一鍵呼叫”或“呼救”、一鍵撤離，能將指令傳達(dá)到所選擇的區(qū)域內(nèi)的每一位人員，實現(xiàn)高效精準(zhǔn)救援。

（4）通過精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，實現(xiàn)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)同關(guān)鍵崗位人員的聯(lián)動。當(dāng)采煤工作面瓦斯達(dá)到預(yù)警值時，系統(tǒng)會向采煤機司機所佩戴的人員卡發(fā)出特定頻率的震動信號。采煤機司機收到告警信號后停止采煤作業(yè)，并根據(jù)預(yù)案采取相應(yīng)措施，保證生產(chǎn)安全。

（5）為了便于人員統(tǒng)計查詢，系統(tǒng)開發(fā)了人數(shù)曲線、矩形、圓形、多邊形區(qū)域內(nèi)人員查詢功能。通過目標(biāo)區(qū)域的自由繪制統(tǒng)計實現(xiàn)劃定區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員熟練的精確統(tǒng)計，達(dá)到精準(zhǔn)管控的目的；通過人數(shù)曲線的直觀展示，可精準(zhǔn)掌控目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各時段人員流量情況。

5 系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為了驗證系統(tǒng)可靠性，將設(shè)計的精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)在高河煤礦進(jìn)行了實踐應(yīng)用，并分析應(yīng)用效果。

該系統(tǒng)安裝運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定良好，對礦井的安全生產(chǎn)管控起到了積極作用。一是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的車輛調(diào)度和違章監(jiān)控，杜絕了膠輪車司機超速行駛，司機不按規(guī)定會車、行車發(fā)生率下降了18%；二是能夠?qū)崿F(xiàn)在緊急狀態(tài)下精準(zhǔn)高效救援，提升礦井的安全管理能力；三是能自動統(tǒng)計匯總各生產(chǎn)隊組的開機率、正規(guī)循環(huán)率（采煤機、掘進(jìn)機每次割煤情況）和工時利用率（每名員工路途時長和工作面時長情況），實現(xiàn)“三個統(tǒng)計率”在隊組值班室電腦上數(shù)字化展現(xiàn)、統(tǒng)計、匯總、對比，為各隊組開展工作對標(biāo)，提高“三率”提供了真實可靠的依據(jù)。

經(jīng)過對比，公司綜采隊組的正規(guī)循環(huán)率提高了10%，掘進(jìn)隊組的正規(guī)循環(huán)率提高了16.7%，提升了公司的精益化生產(chǎn)、精準(zhǔn)化管控、精細(xì)化操作“三精”管理水平，提升對比見表1。

表1 三率管理正規(guī)循環(huán)率提升對比Table 1 Comparison of normal circulation rate improvement in three rate management

6 結(jié) 語

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，井下人員定位系統(tǒng)在實踐中不斷迭代更新。采用更加先進(jìn)的定位技術(shù)及監(jiān)控手段，能更好的實現(xiàn)對井下人員的實時定位及安全保障。在分析高河煤礦現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)存在的問題基礎(chǔ)上，從多個方面開展了井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計。通過實際應(yīng)用可知，該系統(tǒng)運行良好，整體智能化程度高，系統(tǒng)功能全面，井下不合規(guī)發(fā)生率降低18%，公司綜采隊組的正規(guī)循環(huán)率提高了10%，掘進(jìn)隊組的正規(guī)循環(huán)率提高了16.7%，提升了公司的精益化生產(chǎn)、精準(zhǔn)化管控，保證了井下作業(yè)人員的生命安全。