煤礦井下作業人員高精度定位系統設計

王國亮

摘要：煤炭開采行業是長期以來的高危行業，在惡劣的地層下開展煤炭開采面臨著瓦斯、水災、爆炸等安全生產事故的威脅。在煤礦惡劣的環境中，對安全生產提出了更高的要求，其中對于作業人員的保護應排在首位，應及時對礦井人員進行精確定位，能夠實現及時有效地聯系、救援等相關需求。針對目前現有礦井作業人員定位系統的缺陷，分析了目前常用的定位技術方法，總結出井下作業人員定位的特點，設計出了基于SDS-TWR定位技術的礦井井下作業人員的高精度定位系統。實驗結果顯示，SDS-TWR定位技術能夠精確地對井下作業人員進行定位。

關鍵詞：煤礦;定位系統;人員;高精度

中圖分類號：TD76 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0247—03

0引言

煤炭資源一直是我國的主要能源，根據近期對能源儲量占比進行統計分析，可以得出煤炭儲量的總占比接近95%。在富煤、少油氣的能源大環境下，可以推測得出，在未來很長的時間段內，煤炭將繼續作為我國能源的主要形式而存在。然而作為我國主要的能源物資，在大力開發煤炭資源的同時，也對在煤炭開采過程中的安全生產提出了更嚴格的要求。雖然目前隨著煤炭現代化發展進程的開啟，各地高科技現代化開采設備也在不斷地應用于煤炭開采過程中，但是真正實際執行決策操作的還是礦井作業人員，如何保障作業人員的生命健康安全是煤礦行業技術人員所應關注的熱點問題。煤礦企業在對作業人員進行日常安全監管時，必須及時掌握人員的位置，了解每個作業人員的工作動態以及工作軌跡，便于在發生緊急情況時可以采取有效的措施，精確完成救援工作。為了高精度地實現對人員的精確定位，需借助目前先進的定位方法，但目前煤礦企業常用的定位技術方法均存在一定的缺陷。通過查閱相關資料，結合現場實際工況的情況下，得出了采用SDS-TWR定位技術設計出礦井井下人員定位系統。在現場實際應用的試驗結果得出了該定位系統能夠高精度地完成對礦井作業人員的定位，為促進煤礦企業安全生產常態化發展以及礦井作業技術人員定位技術研究提供了依據。

1煤礦井下測距方法

1.1定位特點

定位特點如下：

（1）礦井內各個開采巷道分布廣泛，每一個分支的長度都比較長，某個巷道的長度最長可以達到10km，對于礦井內作業人員的定位需覆蓋工作面的每一個角落，因此相比于在地上進行定位具有更高的難度;

（2）礦井內的設備復雜，具有較多的機械設備和電氣設備，例如掘進機、帶式輸送機、支撐設備等，各類設備均會對定位信號產生偏差，要求對作業人員的信號能夠實現非視距傳輸;

（3）信號在礦井巷道內傳播，容易受到巷道的截面形狀、地層屬性、地質構造、表面粗糙程度等因素的不利影響，會對定位信號的無線傳播造成衰減影響，并且影響的機理復雜多變，無法有效通過技術進行根本性控制;

（4）煤礦井下有易燃易爆的氣體，要求礦井內的所有電氣設備均為防爆型設備;

（5）電磁波在礦井無法進行有效傳播，在戶外的GPS等定位設備無法應用于地下的人員定位，因此在技術的應用方面具有局限性;

（6）礦井環境惡劣，具有煤炭粉塵顆粒濃度大、工作面溫度和濕度較高等特點，嚴重制約了定位設備相關部件選型的范圍。

1.2定位方法研究

通過對目前常用的定位技術進行研究，得出了每個技術的短板。AOA定位技術方法主要是用于在無障礙物的環境進行測距，在礦道分布復雜且彎曲的地質形態內無法進行使用。TOA技術方法所受到的巷道環境影響較小，理論上可以應用于井下作業人員的定位，但是要求定位卡與分站進行實時的同步，在技術和成本上要求較高，經濟性不好。然而SDS-TWR技術方法不要求定位卡與分站進行實時的同步，同時可以降低整個系統集成的復雜程度，這種異步測時法在進行礦井人員定位時能夠具有更高的自由度，因此選用SDS-TWR技術方法作為礦井人員測距定位的方法。

2定位系統設計研究

2.1功能要求

煤礦井下人員精確定位系統的功能要求如下。

（1）人員實時精確定位功能。系統應具有礦井人員位置實時監測與精確定位功能，包括掘進巷道和采煤工作面等重點區域。

（2）數據處理與報警功能。系統應具有礦井人員定位數據處理與報警功能，如礦井及重點區域超定員判別與報警功能、進入危險區域判別與報警、超時作業判別與報警、定位卡唯一性檢測與報警、違章乘坐皮帶判別與報警、與膠輪車和電機車近距離（不含乘坐）判別與報警、特種作業人員巡檢路線與時間判別與報警等。

（3）實時數據存儲與查詢功能。系統應具有礦井人員實時定位數據存儲功能。系統應具有礦井人員定位歷史信息查詢和統計功能。

（4）顯示與打印功能。系統應具有礦井人員位置、路徑和有關信息顯示與打印功能。

（5）信息和數據管理功能。系統應具有井下人員定位相關信息管理功能，包括信息添加、修改和更新等功能。

（6）監控服務功能。系統應支持現場和遠程監控服務。

2.2總體架構設計

設計的煤礦井下人員精確定位系統組成如圖1所示。系統分為井上部分和井下部分，井上部分包括監控終端、各數據服務設備和網絡通信設備等;井下部分包括定位卡、定位分站和礦用網絡交換機等。

2.3定位分站設計

高精度定位系統的定位分站設計如圖2所示，其中為確保數據處理計算的精確性，應選用高性能的處理器，處理器型號選擇為西門子公司所生產的A13X新型處理器，該類型的處理器功耗較低，適用于工業環境。由于高精度定位系統的傳輸數據量較大，針對儲存單元采用型號為26CC11的存儲單元。

通過設置定位芯片與天線相結合，實現通訊單元的構架，通過配置摩托羅拉公司的DD1200芯片，使整個通訊支持IEEE802.15.4協議內容，為了防止內部芯片的相互干擾，采用機殼外置式的陶瓷天線。

由于礦井內作業環境惡劣，對于電源設備的要求較高，能夠有效抵制惡劣的作業環境，并提供穩定的電能供應。因此采用鋰電池為核心結合MAX1724芯片的整體設計方案，并且能夠通過后臺管理系統實現對鋰電池的充電管理。

3定位系統應用效果分析

通過礦井內實際作業人員位置與軟件通訊位置所傳出的數據進行對比分析，從水平方向與豎直方向的數據偏差分析得出定位系統是否具有高精度屬性。

水平方向的定位信號數據曲線如圖3所示。由圖可知，信號在水平方向不會隨著礦井巷道長度延伸的距離而逐漸減弱，并且在礦井內的信號是呈均勻分布，數據結果顯示誤差偏差率僅為1.16%，遠小于國家、行業相關標準。通過對數據進行擬合，水平方向的定位信號數據是呈曲線分布，有助于對礦井人員位置進行預測。

垂直方向傳輸的定位信號數據曲線如圖4所示，垂直定位信號是從45。角的直線輸入，數值與礦井空間結構數據是呈線性關系。數據誤差偏差率為2.19%，符合國家相關標準，能夠滿足對礦井下各個角度位置作業人員的定位工作要求。

4結束語

煤礦企業安全生產常態化發展一直是國家相關部門所要求的，其中礦井作業人員的生命安全應放在煤礦企業進行日常作業生產的首位。在進行煤炭開采過程中，應隨時掌握一線作業人員的位置狀態，如發生突發事故，能夠及時開展救援并取得信息聯系。

本文通過實際工況條件，設計出了井下作業人員高精度定位系統，并通過現場實際應用研究得出該定位系統能夠滿足實際安全生產工作需要，對井下作業人員實施高精度的定位。高精度定位系統的研制對于煤礦行業研發高科技的礦井作業人員定位設備提供了依據。