基于三維GIS 的煤礦井下人員精確位置地圖管理系統

洪玉玲

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦井下人員定位系統是專業用于井下移動目標（人員、車輛等）的無線定位、路徑跟蹤和考勤管理的系統[1]。迄今為止，煤礦井下人員定位系統已經發展到了第四代，即基于UWB 技術的精確定位系統，定位精度可達30 cm[2-4]，達到了精確定位的水平，被譽為井下“北斗”系統。2019 年11 月20 號，AQ 6210—2020《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》（征求意見稿）并向各相關企業單位及專家征求意見，提出了煤礦井下人員精確定位系統最大靜態定位誤差不大于30 cm 的要求[5]。該技術條件將替代AQ 6210—2007《煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件》，由“人員管理系統”變更為“人員定位系統”也體現了對井下人員“定位”的更高要求。山東省煤礦安全監察局印發了《山東煤礦人員精確定位系統技術要求（試行）》的通知，規定了“煤礦人員精確定位系統應具備或通過融合系統具備三維展示功能，地面中心站實時展示井下各水平、各采區、各工作面人員、設備的位置信息，采用具有精確三維坐標的GIS 平臺，展示上述精確位置信息”[6]。由此可見，具有精確三維坐標的地圖管理平臺是煤礦人員精確定位系統重要的建設內容。目前，大多數的煤礦井下人員定位系統仍然采用基于二維GIS 的模擬圖，存在井下巷道空間表現不直觀，人員位置不精確等問題，三維GIS 地圖能夠很好的解決這些問題。針對上述需求，依托KJ405T 煤礦井下人員定位系統采集的井下人員相對基準點的方向及距離的監測數據，基于三維GIS 平臺開發了一個煤礦井下人員精確位置地圖管理平臺[7-10]，介紹了三維GIS 平臺的選擇依據，提出了平臺的架構設計及功能模塊設計，并給出系統的應用實例。

1 三維GIS 平臺架構

LongRuan GIS 是龍軟科技集20 年地下空間信息管理服務和研發經驗，推出的一套具有完全自主知識產權的GIS 平臺產品，可以無縫支持二三維一體化的空間數據集成和管理，可以兼容AutoCAD 各版本文件、ArcGIS、MapGIS 等主流數據格式。相較其它三維GIS 平臺，LongRuan GIS 更加專注于煤炭行業的需求，具備完善的符合煤炭行業規范的便準巖性編碼和專業符號庫，提供了煤礦井下巷道三維自動化建模技術，只需要在煤礦采掘工程平面圖的基礎上，繪制出巷道的中心線，并提供關鍵GIS 導向點的高度坐標即可生成井下巷道的三維空間地圖，并自動完成巷道貼圖。二次開發用戶，只需在此基礎上開發具體的業務應用即可，無需關注專業的底層GIS 技術。另外，LongRuan GIS 地圖服務器可以對LongRuan GIS 客戶端編輯的地圖進行自動更新與發布，無需手動操作，可以大大減少用戶的維護工作量，因此，選擇LongRuan GIS 平臺。

系統基于LongRuan GIS 平臺設計，采用B/S 二三維一體化架構，技術架構采用前后端分離技術。前端技術采用Vue JavaScript 框架，后端服務采用.net core 3.0，傳輸數據格式采用Json 格式，消息隊列采用MQTT 協議，數據庫使用SQL Server。平臺在總體設計上引入最新的中臺策略，平臺總體架構如圖1。

圖1 平臺總體架構Fig.1 Platform overall architecture

1）計算后臺。系統通過KJ405T 煤礦井下人員定位系統后臺數據庫獲取設備的三維坐標，通過巷道地圖文件獲取巷道中間線的空間數據。

2）數據中臺。通過數據技術，對數據提供統一標準和口徑。數據中臺把數據統一后，會形成標準數據，再進行存儲，形成數據資產層，進而提供高效服務。數據中臺是基于跨域數據的分析，洞察，訓練產生的數據服務，給前臺系統提供實時決策數據。主要有精準數據服務、空間數據搜索引擎、數據中間件。

3）業務中臺。主要實現業務流程的管控，將地圖服務、位置服務和坐標轉換服務共性的服務抽象出來，創建可復用的流程類，形成通用的服務能力，讓前臺系統更標準，更規范，迭代速度更快。業務中臺讓前臺系統更敏捷，數據中臺讓前臺業務系統更智慧。

4）業務前臺。主要分為兩部分應用，業務應用（地圖漫游、精確定位、區域展示、基站展示、區域集合查詢、軌跡回放、聲光報警和地圖工具）和個性應用（個性推薦、個性定制）。

2 系統功能模塊

根據《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》（征求意見稿）及《山東煤礦人員精確定位系統技術要求（試行）》等相關標準關于人員定位系統地圖管理平臺的要求，結合KJ405T 煤礦井下人員定位系統的精確定位功能，設計了地圖平臺的主要功能模塊，包括位置服務引擎、地圖編輯客戶端、地圖服務、地圖監測4 個功能模塊。

1）位置服務引擎。位置服務引擎的主要功能是將KJ405T 煤礦井下人員定位系統采集的井下人員相對方向及距離數據轉換為三維坐標。KJ405T 煤礦井下人員定位系統的精確定位采用UWB 定位技術，系統獲得的人員位置為人相對定位天線的方向及距離，且方向僅有前后兩個方向，無角度信息，由于人所在的井下巷道為狹窄的近似線型的結構，因此系統默認人沿著巷道的中線運動。KJ405T 煤礦井下人員定位系統采集到相對距離數據后，將數據通過UDP 數據包實時發送給位置服務引擎，位置服務引擎通過讀取LongRuan GIS 井下采掘工程地圖文件的巷道中心線三維坐標數據和定位天線的三維坐標將相對位置數據通過三維空間坐標系下的位置計算算法計算出井下人員的三維坐標，并將坐標信息通過MQTT 消息隊列實時發送給地圖服務用于地圖管理平臺人員位置實時監測，同時存儲到KJ405T 煤礦井下人員定位系統后臺數據庫的實時表及精確位置歷史數據表，用于KJ405T 煤礦井下人員定位系統的人員精確位置數據實時展示及歸檔。

2）地圖編輯客戶端。地圖編輯客戶端是一個類似AutoCAD 的地圖繪制工具，主要功能是基于井下巷道三維坐標數據，對井下巷道進行編輯，生成巷道地圖，亦可以直接讀取煤礦已有的AutoCAD 格式的采掘工程平面圖。為了實現巷道的三維自動化建模，地圖繪制人員需要應用該工具手動繪制巷道的中間線。

3）地圖服務。地圖服務的主要功能是將地圖編輯客戶端編輯后, 具有巷道中心線三維空間坐標與定位系統井下基站、天線、交換機等設備的三維坐標信息的礦圖發布，向前端瀏覽器提供地圖在線瀏覽功能。地圖及設備坐標修改后，前端瀏覽器通過地圖服務能夠進行自動更新。

4）地圖監測。地圖監測的主要功能是基于井下巷道空間地圖對系統井下基站、交換機、天線等設備的設備名稱、相對位置、精確位置信息進行展示，并實時展示設備的運行狀態、井下人員的精確位置及姓名、下井人員總數及人員、重點區域人員總數及人員、超時報警人員總數及人員，超員報警人員總數及人員、限制區域報警人員總數及人員、超層越界人員總數及人員，臨近老孔去人員總數及人員，臨近煤與瓦斯突出危險區人員總數及人員、臨近沖擊地壓危險區人員總數及人員特種作業人員工作異常報警總數及人員等，并提供人員歷史軌跡回放功能。地圖監測采用B/S 二三維一體化架構，默認以二維模式運行，用戶可任意切換二維或三維運行模式，也可根據用戶的需要選擇發布二維或三維版本。

3 結 語

設計了一個基于三維GIS 的煤礦井下人員精確位置地圖管理系統，重點研究了平臺的總體架構及功能模塊。實際應用表明：系統可以二維或三維模式運行，可以實時獲取KJ405T 煤礦井下人員定位系統精確定位的監測數據，實現了在二維或三維地圖模式下展示井下空間、設備及人員位置、人員行走軌跡、區域及人員報警信息等，達到了對井下人員精確位置信息實時、精確、直觀展示的目標，系統地圖更新方便，減少了用戶的維護工作量。但是，由于目前煤礦井下人員定位系統采集的精確定位數據的方向只有前后兩個方向，沒有方位角，因此井下人員的行走軌跡只能默認位于巷道的中間線，這與實際情況有一定差異。