新維煤礦高精度井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

趙冬冬

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 142100）

1 概況

在煤礦開采作業(yè)中，井下人員定位系統(tǒng)是保證開采人員作業(yè)安全的重要手段。隨著國家、地方各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，井下高精度實(shí)時(shí)人員定位系統(tǒng)逐步取代原有的區(qū)域定位系統(tǒng)，建立完善可靠的精確人員管理系統(tǒng)對(duì)于提高礦井現(xiàn)代化管理程度、提高生產(chǎn)效率，加強(qiáng)安全及生產(chǎn)管理，保障礦工生命和國家財(cái)產(chǎn)安全都有非常重大的意義。結(jié)合新維煤礦現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)缺陷，進(jìn)行適合該礦的礦井精準(zhǔn)人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。

2 系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

新維煤礦現(xiàn)有井下KJ251A 型區(qū)域人員定位系統(tǒng)采用RFID 定位技術(shù)，定位精度100 m。目前運(yùn)行基本正常，但系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間較長，且定位技術(shù)落后、精度低，設(shè)備較老化，煤礦人員日常管理難度大，一旦發(fā)生事故搶險(xiǎn)救災(zāi)缺乏可靠信息，安全救護(hù)的效率低。該煤礦的人員定位系統(tǒng)運(yùn)行過程中主要存在如下問題。

（1） 在用系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行多年，在運(yùn)行的過程中雖然進(jìn)行過相應(yīng)設(shè)備的技術(shù)升級(jí)，但均是在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)，設(shè)備采用的核心技術(shù)仍然落后，精度低、抗干擾能力差，且部分設(shè)備的電子元器件由于長時(shí)間使用已老化，設(shè)備故障率高，維護(hù)成本高。

（2） 在用系統(tǒng)定位技術(shù)為RFID，無法實(shí)現(xiàn)精確定位，一旦發(fā)生事故搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)，不能有效定位到井下人員具體位置。

（3） 在用系統(tǒng)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，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） 在用系統(tǒng)配套分站電池由于多年長時(shí)間使用，大部分分站后備電源在交流電停電后已達(dá)不到2 h 供電要求，個(gè)別分站甚至小于1 h。

3 人員定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

依托新維煤礦井下KJ251A 型區(qū)域人員定位系統(tǒng)現(xiàn)有特點(diǎn)，開展高精度人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分為應(yīng)用層、傳輸層和設(shè)備層，定位系統(tǒng)及無線通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 精確人員定位系統(tǒng)及無線通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Precise personnel positioning system and wireless communication system structure

（1） 應(yīng)用層。地面中心站包括監(jiān)控主備機(jī)、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(tái)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播等多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)；通過上傳軟件與集團(tuán)、省局實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)；通過移動(dòng)APP 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端現(xiàn)數(shù)據(jù)、軌跡查詢；通過二、三維GIS 展示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)查詢與顯示、軌跡回放。

（2） 傳輸層。系統(tǒng)既可以全礦井以太網(wǎng)傳輸，局部也可以采用總線傳輸。全礦井以太網(wǎng)傳輸從中心站地面輸出本安型交換機(jī)通過2 芯光纖，與井下本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)逐個(gè)相連，構(gòu)成環(huán)形以太網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，定位和無線通訊一體化讀卡分站通過以太網(wǎng)光口或以太網(wǎng)電口接入環(huán)網(wǎng)平臺(tái)。局部總線傳輸從分站至交換機(jī)采用2 芯通訊電纜，就近接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。定位分站之間通過光纖完成級(jí)聯(lián)，定位分站與讀卡器通過線纜完成級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在巷道內(nèi)移動(dòng)信號(hào)的廣泛覆蓋，便于移動(dòng)終端數(shù)據(jù)收發(fā)。

（3） 設(shè)備層。設(shè)備層包括唯一性檢測裝置、讀卡分站/基站、讀卡器、本安顯示屏/聲光報(bào)警器、標(biāo)識(shí)卡、信息化礦燈、本安型手機(jī)等，實(shí)現(xiàn)出入井人員唯一性檢測與考勤，井下人員實(shí)時(shí)定位、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、單向與雙向通訊、指令接收與發(fā)送、手機(jī)無線通訊等功能。

4 人員定位系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)中心站設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中心站為整個(gè)人員定位系統(tǒng)中的核心模塊，布置3 臺(tái)工控機(jī)（型號(hào)IPC-610L），2 臺(tái)用于人員定位系統(tǒng)終端顯示、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢、打印、井下測點(diǎn)設(shè)置與遠(yuǎn)程控制，一主一備互為冗余，另外1 臺(tái)用于無線通信。配套軟件主要用于精確定位系統(tǒng)管理，包括上傳軟件1 套用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳，GIS 融合軟件用于系統(tǒng)三維顯示，手機(jī)APP軟件1 套用于移動(dòng)終端數(shù)據(jù)顯示、查詢。工控機(jī)配套正版WIN10 操作系統(tǒng)，用于監(jiān)控主機(jī)，利用礦上現(xiàn)有UPS 后備電源，作為監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器后備電源，保證機(jī)房交流電斷電后系統(tǒng)正常運(yùn)行8 h。

4.2 關(guān)鍵儀器設(shè)備設(shè)計(jì)

4.2.1 KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置設(shè)計(jì)

KJ251A-WY3 型針對(duì)KJ251A-K3 標(biāo)識(shí)卡要求，滿足精確定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)（能同時(shí)識(shí)別面部污漬、照片、視頻、硬質(zhì)面具、硅膠面具等防偽攻擊）、短距離識(shí)別技術(shù)及唯一性檢測算法，通過與人員定位系統(tǒng)融合加強(qiáng)對(duì)入井人員管理。KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置如圖2所示，該型裝置人臉識(shí)別速度≤0.6 s，單張標(biāo)識(shí)卡完好性判斷速度≤2 s，平均人員通過時(shí)間≤4 s，正常情況下，多卡檢測準(zhǔn)確率≥98%，閘機(jī)通行速度20～60 人/min，人像采集識(shí)別距離0.3～0.7 m。通過此檢測裝置可實(shí)現(xiàn)入井人員身份精準(zhǔn)核對(duì)確認(rèn)，準(zhǔn)確判斷是否攜帶標(biāo)識(shí)卡及標(biāo)識(shí)卡的完好性，動(dòng)態(tài)非接觸快速識(shí)別判斷出入井人員攜帶標(biāo)識(shí)卡數(shù)量，避免一人攜帶多張卡入井；實(shí)時(shí)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)井下作業(yè)人員數(shù)量。

圖2 KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置Fig.2 KJ251A-WY3 personnel uniqueness detection device

4.2.2 KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站

KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站，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(shí)現(xiàn)UWB/Zigbee 標(biāo)識(shí)卡和信息礦燈的精確定位、雙向通訊，信息礦燈的語音對(duì)講信號(hào)采集、傳輸，本安型手機(jī)的無線通訊，配接讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸及Wifi 信號(hào)的覆蓋。工作電壓12.0～25.0VDC，工作電流≤1 000 mA，定位分站與標(biāo)識(shí)卡的最大位移速度不小于5 m/s，采用光纖傳輸，最大傳輸距離10 km，防護(hù)等級(jí)IP65。

4.2.3 KJ251(A)-K6 型標(biāo)識(shí)卡

KJ251(A)-K6 型標(biāo)識(shí)卡是一種應(yīng)用于煤礦井下目標(biāo)的無線識(shí)別及通訊的有源射頻標(biāo)識(shí)卡，配合KJ251(A)-F2 讀卡分站、KJ251(A)-D4 讀卡器使用，實(shí)現(xiàn)UWB 精確定位。KJ251(A)-K6 型標(biāo)識(shí)卡的工作頻率2.4±0.1 GHz，工作電壓3.5V～4.2 VDC，最大工作電流500 mA，標(biāo)識(shí)卡與定位分站/讀卡器之間的最大無線傳輸距離（視距無遮擋、無同頻干擾） 400 m。該標(biāo)識(shí)卡具有雙向通訊、電池欠壓提示、報(bào)警信息指示、緊急呼救等功能，具有電池工作壽命長、外殼密封好等優(yōu)點(diǎn)，滿足煤礦井下潮濕、粉塵多等環(huán)境的應(yīng)用要求，也滿足腰帶卡、燈繩卡等攜帶需要。

4.3 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 全局監(jiān)測分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全局監(jiān)測分系統(tǒng)可對(duì)當(dāng)前井下人員的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過此功能可了解當(dāng)前井下總?cè)藬?shù)、當(dāng)天入井人數(shù)、帶跟班人員情況、特殊工種情況、各區(qū)域入井情況以及各部門的總?cè)藬?shù)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前井下的異常情況。數(shù)據(jù)可通過二/三維GIS、報(bào)警、圖表等多種方式進(jìn)行呈現(xiàn)，并可了解各種數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，是人員定位監(jiān)測的重要功能之一。全局監(jiān)測分系統(tǒng)顯示界面如圖3所示。

圖3 全局監(jiān)測分系統(tǒng)顯示界面Fig.3 Global monitoring subsystem display interface

4.3.2 井下人員實(shí)時(shí)查詢模塊設(shè)計(jì)

可通過部門、職務(wù)、工種、卡號(hào)/姓名/工號(hào)等多種條件組合，針對(duì)性地查詢特定條件的人員井下實(shí)時(shí)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(hào)、姓名、部門、職務(wù)、工種、入井時(shí)間、入井時(shí)長、當(dāng)前所在位置、當(dāng)前位置所在時(shí)長、來源位置、班次、距離等，并可進(jìn)一步點(diǎn)擊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)。

4.4 礦井GIS 融合界面設(shè)計(jì)

融合首頁界面以GIS 為基礎(chǔ)顯示各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，GIS 圖形支持放大、縮小、平移、鷹眼、分層、快速定位、測距等多種操作，并可以使用鼠標(biāo)在GIS 圖形上進(jìn)行交互（如鼠標(biāo)移入提示、點(diǎn)擊查看細(xì)節(jié)等），圖形上的點(diǎn)可直接點(diǎn)擊得到相應(yīng)的細(xì)節(jié)。GIS 圖形上具有綜合指標(biāo)顯示、業(yè)務(wù)系統(tǒng)綜合門戶等顯示，可快速了解查看相關(guān)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)。礦井GIS 融合首頁界面如圖4所示。

圖4 礦井GIS 融合首頁界面Fig.4 Mine GIS fusion home page interface

5 系統(tǒng)應(yīng)用測試效果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的人員定位系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，結(jié)合新維煤礦現(xiàn)有定位系統(tǒng)，將新系統(tǒng)在該礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測試，測試周期為3 個(gè)月。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該系統(tǒng)運(yùn)行正常、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能通過GIS 融合首頁將井下的人員數(shù)量、區(qū)域人員情況、井下人員變化趨勢、井下人員實(shí)時(shí)分布、部門分布情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及顯示，了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)的明細(xì)，顯示內(nèi)容較為直觀清晰。系統(tǒng)可自動(dòng)分析井下人員路徑的巷道，并自動(dòng)進(jìn)行軌跡的動(dòng)畫回放操作，井下人員數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。整套系統(tǒng)的智能化程度相對(duì)較高，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)在礦井中的成功應(yīng)用。據(jù)該煤礦人員評(píng)價(jià)，該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，提高了井下人員的作業(yè)安全，更加智能的實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的作業(yè)管理及安排，整體運(yùn)行成本降低，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖5 井下人員數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of underground personnel

6 結(jié)語

針對(duì)新維煤礦中井下人定位系統(tǒng)存在問題，開展了該礦高精度新型井下人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)及研究。通過應(yīng)用測試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，能準(zhǔn)確對(duì)井下人分布情況、人員作業(yè)情況及作業(yè)區(qū)域等方面進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)及顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)追蹤井下人員位置，并與通訊系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一鍵應(yīng)急救援，有效保障了井下人員作業(yè)安全，提高了新維煤礦智能化程度，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。