高河能源井下精準人員定位系統的設計及應用分析

張浩

（潞安化工集團 高河能源有限公司，山西 長治 047100）

1 概 況

礦井人員定位系統作為煤礦井下安全避險“六大系統”之一，已經在礦山獲得普遍應用，在人數統計、區域查詢、考勤管理方面正發揮著越來越重要的作用。隨著煤礦人員定位系統的發展，以及國家、地方對煤礦人員定位系統建設新要求、規范，各廠家也對人員定位技術不斷升級。本文以高河煤礦為研究對象，分析了該礦現有定位系統存在的問題，開展了井下精準人員定位系統的總體設計及關鍵模塊設計研究，通過將該系統進行應用測試，驗證了該系統的可靠性及穩定性，解決了礦井環境下人員、車輛、設備等的精準定位難題，為實現精益化生產、精準化管控、精細化操作奠定了基礎。

2 現有定位系統存在問題分析

高河煤礦當前井下人員定位系統整體存在精度不高、設備較老化、數據傳輸速度較慢等問題，主要現狀分析如下。

（1）按照最新的相關規范，分站至主機之間最大傳輸距離應不小于10 km，但目前高河煤礦使用的太網RS485 總線通訊，不能滿足10 km 通訊要求。

（2）按照相關規范，在電網停電后，備用電源應能保證系統連續監控時間不小于4 h。但目前使用的分站后備電源僅能維持1～2 h，不符合要求。

（3）在用系統的漏卡率、誤碼率較高，存在井下人員軌跡、考勤數據不完整的問題，達不到人員定位系統使用要求以及煤礦井下人員定位管理要求。

（4）按照相關規范，定位系統應與GIS 技術融合；宜與安全監控、應急廣播、供電監控、煤炭產量監控、移動通信、視頻監控、照明控制等系統融合。但現有煤礦在用定位系統未與GIS 技術融合，未與安全監控等系統融合。

3 定位系統總體方案設計

3.1 系統技術指標設計

系統采用UWB 技術，單基站一維定位精度達到20 cm，多基站二維定位精度達到穩定30 cm。系統采用大容量低功耗基站調度技術，基站單臺可滿足200 個終端同時定位，人卡終端續航400 h。

3.2 定位系統總體方案設計

系統的基礎功能分為實時、歷史、交互和信息管理4 個部分。為實現全礦井精確定位，系統在全礦井使用KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站（融合讀卡分站）、UWB 定位標識卡、FDY200 礦用移動式讀卡器、本安型手機等設備。

在主斜井、副立井、回風立井的井口和井底、工作面的兩端和中部等區域分別布置了KJ251(A)-F2 讀卡分站。整個系統采用UWB 定位識別卡，該卡可進行供電，充滿電后使用時間不小于30 d。在工作面順槽口、掘進工作面巷道口各安裝本安型顯示屏1 臺，用于顯示該區域限員、報警信息及中心站下發信息，此次共需安設8 臺本安型顯示屏。

地面中心站包括監控主備機、系統管理軟件、融合服務服務器、數據庫服務器等，通過部署融合軟件平臺實現安全監控、應急廣播等多系統聯動。與傳統的區域定位系統不同的是，此精準定位系統能夠準確監測任意時刻、任意地點的人員、車輛位置，可以實現精確的車輛調度和違章監控，提高礦井的安全管理水平。

井下人員定位系統的主界面如圖1 所示。

圖1 井下人員定位系統的主界面Fig.1 Main interface of underground personnel positioning system

4 系統關鍵分模塊設計

4.1 三率展示功能設計

基于精確的位置數據，系統融合環境監測和工況監測等數據，自動統計匯總各生產、運輸隊組的開機率、正規循環率和工時利用率，實現3 個統計率的數字化展現、統計、匯總、對比。在主界面右側設置了三率展現區，如圖2 所示。

圖2 系統三率展示界面Fig.2 System three-rate display interface

4.2 分站選型

選用KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站，工作電壓12.0～25.0 VDC，工作電流≤1 000 mA，定位分站與標識卡的最大位移速度5 m/s，采用光纖傳輸，最大傳輸距離10 km，防護等級IP65，滿足相關規范的要求。該分站集成常規定位讀卡器、傳輸分站及無線通訊基站的功能，可實現UWB/Zigbee標識卡和信息礦燈的精確定位、雙向通訊，信息礦燈的語音對講信號采集、傳輸，本安型手機的無線通訊，配接讀卡器的數據傳輸及Wifi 信號的覆蓋。

4.3 電源選型設計

選用KDY660/15(A)礦用澆封兼本安型直流電源，工作電壓90～900 VAC，工作電流≤0.2 A，電壓波動范圍75%～110%，輸出1 路15 V 本安輸出，防護等級IP54，整機重量≤5 kg。該儀器可應用于具有甲烷氣體混合物及煤塵爆炸危險的煤礦井下，保證井下人員作業安全。

4.4 井下人員實時查詢

可通過部門、職務、工種、卡號/姓名/工號等多種條件組合，針對性地查詢特定條件的人員井下實時數據。查詢結果以列表進行展示，展示數據包括卡號、姓名、部門、職務、工種、入井時間、入井時長、當前所在位置、當前位置所在時長、來源位置、班次、距離等，并可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據。井下人員實時查詢界面如圖3 所示。

圖3 井下人員實時查詢界面Fig.3 Real-time query interface of underground personnel

4.5 系統其他功能設計

根據高河煤礦井下人員作業需求，在井下人員定位系統中也設計了其他功能模塊，主要包括如下內容。

（1）該系統能快速搜索任何人員、車輛的具體精確位置和運動狀態，點擊某一人員或車輛，彈出選擇人員或車輛的詳細信息，包含基本信息和當前狀態信息。人員及車輛詳情展示圖如圖4 所示。

圖4 人員及車輛詳情展示圖Fig.4 Details of personnel and vehicles

（2）能實現車輛在全行程、全時域段的超速行駛、不按規定回車、違反行車不行人等規定的違規記錄，并形成報表。

（3）系統全區域覆蓋，可以實現真正意義上緊急狀態下“一鍵呼叫”或“呼救”、一鍵撤離，能將指令傳達到所選擇的區域內的每一位人員，實現高效精準救援。

（4）通過精準定位系統，實現瓦斯監控系統同關鍵崗位人員的聯動。當采煤工作面瓦斯達到預警值時，系統會向采煤機司機所佩戴的人員卡發出特定頻率的震動信號。采煤機司機收到告警信號后停止采煤作業，并根據預案采取相應措施，保證生產安全。

（5）為了便于人員統計查詢，系統開發了人數曲線、矩形、圓形、多邊形區域內人員查詢功能。通過目標區域的自由繪制統計實現劃定區域內作業人員熟練的精確統計，達到精準管控的目的；通過人數曲線的直觀展示，可精準掌控目標區域內各時段人員流量情況。

5 系統應用效果分析

為了驗證系統可靠性，將設計的精準人員定位系統在高河煤礦進行了實踐應用，并分析應用效果。

該系統安裝運行以來，系統運行穩定良好，對礦井的安全生產管控起到了積極作用。一是系統能夠實現精確的車輛調度和違章監控，杜絕了膠輪車司機超速行駛，司機不按規定會車、行車發生率下降了18%；二是能夠實現在緊急狀態下精準高效救援，提升礦井的安全管理能力；三是能自動統計匯總各生產隊組的開機率、正規循環率（采煤機、掘進機每次割煤情況）和工時利用率（每名員工路途時長和工作面時長情況），實現“三個統計率”在隊組值班室電腦上數字化展現、統計、匯總、對比，為各隊組開展工作對標，提高“三率”提供了真實可靠的依據。

經過對比，公司綜采隊組的正規循環率提高了10%，掘進隊組的正規循環率提高了16.7%，提升了公司的精益化生產、精準化管控、精細化操作“三精”管理水平，提升對比見表1。

表1 三率管理正規循環率提升對比Table 1 Comparison of normal circulation rate improvement in three rate management

6 結 語

隨著信息技術的高速發展，井下人員定位系統在實踐中不斷迭代更新。采用更加先進的定位技術及監控手段，能更好的實現對井下人員的實時定位及安全保障。在分析高河煤礦現有井下人員定位系統存在的問題基礎上，從多個方面開展了井下人員定位系統的設計。通過實際應用可知，該系統運行良好，整體智能化程度高，系統功能全面，井下不合規發生率降低18%，公司綜采隊組的正規循環率提高了10%，掘進隊組的正規循環率提高了16.7%，提升了公司的精益化生產、精準化管控，保證了井下作業人員的生命安全。