礦山作業(yè)人員井下定位系統(tǒng)

文/林 潔

礦山作業(yè)人員井下定位系統(tǒng)

文/林 潔

編者的話

我國(guó)正在強(qiáng)制推行煤礦、非煤礦山井下避險(xiǎn)系統(tǒng)和避險(xiǎn)設(shè)備的安裝與建立。根據(jù)國(guó)務(wù)院23號(hào)文件，煤礦、非煤礦山要在3年之內(nèi)建立安裝監(jiān)測(cè)監(jiān)控、井下人員定位、緊急避險(xiǎn)、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)等六大礦山井下避險(xiǎn)系統(tǒng)，逾期未安裝的，將面臨相應(yīng)懲處。至此，我國(guó)構(gòu)筑礦山企業(yè)新型安全防護(hù)體系的戰(zhàn)役正式打響。近期，我們對(duì)煤礦井下安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)刊發(fā)系列報(bào)道，本期為大家介紹的是井下人員定位系統(tǒng)。

▲某公司職工在展示“人員定位卡”

煤礦井下是一個(gè)特殊而又惡劣的環(huán)境，無線電信號(hào)傳輸衰耗大、GPS信號(hào)不能覆蓋煤礦井下巷道。目前，我國(guó)煤礦井下作業(yè)人員定位系統(tǒng)主要以現(xiàn)代無線電編碼通訊技術(shù)（RFID）為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代無線電通訊技術(shù)中的信令技術(shù)及無線發(fā)射接收技術(shù)，結(jié)合目前流行的數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理及圖形展示軟件等技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地將井下各個(gè)區(qū)域人員和移動(dòng)設(shè)備情況動(dòng)態(tài)反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員和移動(dòng)設(shè)備的總數(shù)及分布狀況。

跟蹤定位過程全自動(dòng)

礦山作業(yè)人員井下定位及動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)由無線編碼發(fā)射器、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、地面中心軟件系統(tǒng)及服務(wù)器組成。系統(tǒng)人員定位分站的無線收發(fā)數(shù)據(jù)板將低頻加密數(shù)據(jù)載波信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送；人員隨身攜帶標(biāo)識(shí)卡進(jìn)入低頻的發(fā)射天線工作區(qū)域后被激活，同時(shí)將加密的載有目標(biāo)識(shí)別碼的信息經(jīng)卡內(nèi)高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去；接收天線接收到標(biāo)識(shí)卡發(fā)來的載波信號(hào)，經(jīng)分站主板接收處理后，提取出目標(biāo)識(shí)別碼，通過遠(yuǎn)距離通訊線送地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)，完成礦井人員自動(dòng)跟蹤定位管理。

定員管理和應(yīng)急救援兩大應(yīng)用

定員管理：系統(tǒng)可以通過監(jiān)控入井人數(shù)，進(jìn)入采區(qū)、采煤工作面、掘進(jìn)工作面等重點(diǎn)區(qū)域人數(shù)，遏制超定員生產(chǎn)；通過對(duì)進(jìn)入盲巷、采空區(qū)等危險(xiǎn)區(qū)域人員監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤入危險(xiǎn)區(qū)域人員，防止發(fā)生窒息等傷亡事故；通過對(duì)人員出/入時(shí)刻監(jiān)測(cè)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)超時(shí)作業(yè)和未升井人員，以便及時(shí)采取措施，防止發(fā)生意外；通過對(duì)瓦斯檢查員等特種作業(yè)人員巡檢路徑及到達(dá)時(shí)間監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握檢查員等特種作業(yè)人員是否按規(guī)定的時(shí)間和線路巡檢；通過對(duì)帶班干部出/入井及路徑監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握干部下井帶班情況，加強(qiáng)干部下井帶班管理；通過對(duì)入井作業(yè)人員出/入井和路徑監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握入井工作人員是否按規(guī)定出/入井，是否按規(guī)定到達(dá)指定作業(yè)地點(diǎn)等。

應(yīng)急救援：煤礦具有作業(yè)人員在井下流動(dòng)性大、地面人員難以及時(shí)掌握井下人員的分布和作業(yè)進(jìn)展情況以及下井后就無法確切地知道他們所處的位置等特點(diǎn)，礦井萬一發(fā)生透水、火災(zāi)等事故時(shí)，地面工作人員因不能實(shí)時(shí)了解井下情況，搶險(xiǎn)救災(zāi)工作面臨極大困難。特別是在突發(fā)冒頂和人員被埋的緊急情況下，由于人工描述不清或不能及時(shí)精確、自動(dòng)探測(cè)被埋人員的準(zhǔn)確位置，在低效率的管理模式下，往往喪失有效搶救生命的寶貴時(shí)間。如果安裝了定位系統(tǒng)，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，救援人員可以根據(jù)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，及時(shí)掌握事故地點(diǎn)的人員和設(shè)備信息，也可以通過求救人員發(fā)出的呼救信號(hào)，進(jìn)一步確定人員位置及數(shù)量，并且可以通過通訊手段指揮井下工作人員選擇最合理的逃生路線及進(jìn)行自救等，最大限度地減少人員的損失。

裝備要求

（1）各個(gè)人員出/入井口、采掘工作面等重點(diǎn)區(qū)域出/入口、盲巷等限制區(qū)域應(yīng)設(shè)置分站，并能滿足監(jiān)測(cè)攜卡人員出/入井、出/入采掘工作面等重點(diǎn)區(qū)域、出/入盲巷等限制區(qū)域的要求。基于RFID的煤礦井下人員位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，宜設(shè)置2臺(tái)以上分站或天線，以便判別攜卡人員的運(yùn)動(dòng)方向。

（2）巷道分支處應(yīng)設(shè)置分站，并能滿足監(jiān)測(cè)攜卡人員出/入方向的要求。巷道分支的各個(gè)巷道應(yīng)設(shè)置分站或天線，以便判別攜卡人員的運(yùn)動(dòng)方向。

（3）下井人員應(yīng)攜帶識(shí)別卡并嚴(yán)禁擅自拆開。

（4）工作不正常的識(shí)別卡嚴(yán)禁使用。準(zhǔn)備性能完好的識(shí)別卡總數(shù)，至少比經(jīng)常下井人員的總數(shù)多10%。

（5）礦調(diào)度室應(yīng)設(shè)置顯示設(shè)備，顯示井下人員位置等。

（6）各個(gè)人員出/入井口應(yīng)設(shè)置檢測(cè)識(shí)別卡工作是否正常和唯一性檢測(cè)的裝置，并提示攜卡人員本人及有關(guān)人員。識(shí)別卡工作正常和唯一性檢測(cè)可以采用機(jī)器與人工配合的方法，也可采用虹膜、人臉等自動(dòng)檢測(cè)方法。

行業(yè)發(fā)展面臨的幾個(gè)問題

（1）從煤礦人員定位發(fā)展情況看，開發(fā)低功耗、高效率的標(biāo)識(shí)卡技術(shù)是當(dāng)前人員定位系統(tǒng)發(fā)展中需要解決的一個(gè)問題 。

（2）提高系統(tǒng)在高速、大流量下識(shí)別的準(zhǔn)確性是人員定位系統(tǒng)的重點(diǎn)突破點(diǎn)。

（3）由于井下無線電傳播信道的復(fù)雜性和非線性，急需發(fā)展精確定位技術(shù)。同時(shí)，由于人員定位系統(tǒng)信息傳輸數(shù)據(jù)較低影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，提高傳輸速度迫在眉睫。

（4）標(biāo)識(shí)卡、讀卡器價(jià)格昂貴。

（5）不便于系統(tǒng)維護(hù)、不便于升級(jí)改造。

你知道嗎？

美國(guó)科學(xué)家研制出雷達(dá)鞋可在GPS信號(hào)盲區(qū)定位

在礦難救援的過程中，最難的是被困礦工的定位。在智利圣何塞礦難救援的過程中，找到被困礦工的位置居然花了17天時(shí)間。為什么給礦工定位這么難？這是因?yàn)槌Ｓ玫腉PS定位系統(tǒng)對(duì)地下設(shè)備難以起作用。最近，美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種雷達(dá)鞋，可以快速準(zhǔn)確地定位被困礦工的位置。

對(duì)于地面、海面和空中的交通工具來說，GPS是很好的導(dǎo)航系統(tǒng)。但是，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)難以抵達(dá)地面之下較深的地方，因此礦井中被稱為GPS的信號(hào)盲區(qū)。以往，對(duì)GPS信號(hào)盲區(qū)的定位方法是使用一種復(fù)雜的慣性測(cè)量單元（IMU）來與GPS衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)系，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。但是這種測(cè)量方法誤差會(huì)很大，而且隨著失去聯(lián)系的時(shí)間增加，誤差會(huì)逐步加大。

如何解決這個(gè)誤差問題？美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)和卡耐基·梅隆大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在礦工的鞋子上安裝一個(gè)小型雷達(dá)可以解決這個(gè)難題。這個(gè)長(zhǎng)條薄片狀的小型雷達(dá)安裝在鞋跟和前部鞋底連接的凹槽部位，可以連續(xù)幾十個(gè)小時(shí)不斷地發(fā)射信號(hào)到地面，并傳遞給IMU。IMU再把信號(hào)傳遞給GPS衛(wèi)星，GPS指揮中心的人根據(jù)所傳輸?shù)男盘?hào)就可以知道被困礦工的確切位置，誤差在幾米的范圍內(nèi)，這樣就可以爭(zhēng)取到寶貴的營(yíng)救時(shí)間。

這種微型雷達(dá)除了可用于救援被困礦工外，還適用于那些隧道挖掘工、洞穴和深海探險(xiǎn)者。如果他們?cè)诘叵禄蚝Ｖ胁恍冶焕В仍藛T可以利用雷達(dá)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行定位和營(yíng)救。對(duì)于地震多發(fā)地區(qū)，人們家里也可以備一雙雷達(dá)鞋子，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生來不及逃離險(xiǎn)境的時(shí)候，如果能夠有時(shí)間換上這雙雷達(dá)鞋子，可以為救援人員確定被困者位置提供準(zhǔn)確信息。

責(zé)任編輯孫澤群