露天礦山爆破施工現場人員監管系統研究

白 爽，楊 巍，陳偉華，白 宇＊

（成遠礦業開發股份有限公司，遼寧 遼陽 111299）

提高爆破工作人員安全管理能力，保障爆破生產工作安全進行，是礦山工程建設中的首要問題。過去，在進行爆破活動之前，礦山安全管理人員無法實時獲取爆破工作人員身份和位置信息，“喊話式”的人員撤離通知辦法效率低且信息傳達范圍小，使得人員安全的管理工作存在盲目性，易引發重大事故。隨著我國礦山建設規模的不斷發展，傳統的人員安全管理方法已無法滿足需求，礦山爆破工作亟需一種高精度、高效率、大范圍的人員安全管理技術。

近年來，無人機測量定位技術日益成熟，基于無人機的測繪、遙感、攝影測量等技術被廣泛應用于礦山建設工作中。王昆[1]等介紹了無人機遙感技術在礦業領域的應用現狀和發展前景，指出與傳統數據收集方法相比，利用無人機遙感技術結合GPS定位技術進行礦山作業的相關信息采集過程，具有明顯的效率和精度優勢。任艷麗[2]等提出使用測繪無人機，可在各類災害救援中提供多源數據和輔助決策。這也為礦山爆破的設計和管理工作提供了方法。

為解決爆破人員安全管理工作存在的效率低、效果差等問題，建立了爆區工作人員定位管理系統。該系統以LoRa通訊技術和4G通訊網關作為通訊平臺，結合無人機人員定位技術，對爆區工作人員身份信息、行動軌跡等數據的實時動態獲取和共享。該系統的開發與實現，消除了傳統管理方法存在的漏洞和隱患，極大地降低了爆破生產風險，為礦山工程建設的順利開展提供了重要參考。

1 人員活動范圍監測技術

1.1 系統總體結構設計

人員位置實時動態識別系統是機載人員識別技術、GPS定位技術以及多功能信息顯示的人機交互系統。采用無人機搭載人員定位模塊，對爆破工作區域進行持續監測，機載定位模塊感應并識別作業人員佩戴的定位標簽，獲取人員位置信息，并通過4G傳輸模塊將監測傳輸至遠程監管部門，信息顯示端將人員實時位置和運動軌跡等信息在爆破作業區域的特定地圖上顯示。

1.2 人員定位技術原理

在無人機持續巡航并獲取作業人員位置等相關信息的被動式測量技術上，加上定位模塊，感應并識別爆區作業人員定位標簽，位置信息地獲取由GPS定位系統接收衛星信號，并進行實時差分計算，快速獲取位置信息。其包含五個重要模塊，原始數據讀取模塊、基站單點偽距定位模塊、數據預處理模塊、RTK定位解算模塊、結果輸出模塊[1]。

整個系統最重要的模塊為RTK定位解算模塊，通過已知整周模糊度的整數特性并建立雙差觀測方程，再由高斯最小二乘法得到基線向量和整周模糊度向量的浮點解，然后進行整周模糊度搜索[1]，可以得到基線向量的固定解。雙差模型通過衛星間做差，消除了地面接收站間的時鐘差，對比單差方程，雙差方程的未知數明顯減少。

同時觀測n個衛星時，觀測方程個數為n-1，未知數為n-2個，無法進行求解，此時需要觀測多個歷元，m個歷元可構成m（n-1）個觀測方程，觀測開始時，觀測方程個數幾乎與待定未知數個數不相上下。目前利用GPS載波相位定姿需要較長的初始化時間來確定整周模糊度。

2 試驗數據處理及分析

2.1 數據采集

利用RTK（載波相位差分技術）獲取路徑的精確坐標數據，在相同地點分別利用人員卡與手機定位獲取坐標，通過對比計算得出人員卡的定位精度。將RTK、人員卡、手機測得坐標數據繪制成路徑圖像，

如圖1所示，可以看出，RTK測得的數據與人員卡坐標數據相對平緩，且誤差相差較小。而手機定位坐標與兩者相差較遠，且位置變化曲線呈階梯狀，數值波動性較大。因此人員卡定位精度要優于手機精度，而略低于RTK定位精度。

圖1 RTK、人員卡及手機坐標精度對比

2.2 定位精度分析

圖2 晴天陰雨天對定位精度的影響

通過對陰天、晴天等不同天氣8次采樣，每次44個數據點，對同一地點的定位數據進行誤差分析，可以看出，晴天時候定位誤差標準差在最高在3.36以內，平均誤差在左右。陰天時候誤差標準差在4.35，平均誤差2.7m。說明陰雨天氣對定位精度有一定的影響。

圖3 不同時段對定位精度的影響

通過對早上8：00、中午12：00、晚上18：00三個時間段8次采樣，每次采樣30個數據點，對同一地點的定位數據進行誤差分析，可以看出從早到晚誤差標準差在分別為2.9、2.8、2.9，平均誤差均在2.3m左右，說明不同時間按段對于定位精度影響不大。

圖4 不同建筑環境對定位精度影響

通過采集不同地址環境下的定位數據，選取了學校、城市、礦山3種場景進行多次采樣，每次58個數據點，進行對比分析，可以看出，三個地點誤差標準差依次為2.5、3.2、3.0，平均誤差依次為2.24m、2.64m、2.46m，可以推斷出，城市高樓大廈等設施對定位精度有一定影響，整體表現滿足需求。

3 結論

通過定位模塊、數據收集網關以及云數據服務平臺、智能軟件等分別構建出人員監管的硬件和軟件系統搭配方案，通過對不同天氣、不同時間、不同地質環境下的人員監管系統進行測試，計算出其定位精度在2.24m～2.7m，基本滿足精確定位需求，利用人員活動范圍監測技術與爆破警戒預警技術進行結合，形成的爆破施工現場無人機人員監管技術的智能化管理手段，達到先進且智能化的管理水平，實時掌握作業現場動態，可有效避免潛在危險的發生以及為事故后的應急救援工作提供信息化輔助手段，促進礦場的安全生產。