新維煤礦高精度井下人員定位系統設計研究

趙冬冬

（山西鄉寧焦煤集團 毛則渠煤炭有限公司，山西 臨汾 142100）

1 概況

在煤礦開采作業中，井下人員定位系統是保證開采人員作業安全的重要手段。隨著國家、地方各項標準出臺，井下高精度實時人員定位系統逐步取代原有的區域定位系統，建立完善可靠的精確人員管理系統對于提高礦井現代化管理程度、提高生產效率，加強安全及生產管理，保障礦工生命和國家財產安全都有非常重大的意義。結合新維煤礦現有井下人員定位系統缺陷，進行適合該礦的礦井精準人員定位系統的設計及應用研究。

2 系統現狀及存在的問題

新維煤礦現有井下KJ251A 型區域人員定位系統采用RFID 定位技術，定位精度100 m。目前運行基本正常，但系統建設時間較長，且定位技術落后、精度低，設備較老化，煤礦人員日常管理難度大，一旦發生事故搶險救災缺乏可靠信息，安全救護的效率低。該煤礦的人員定位系統運行過程中主要存在如下問題。

（1） 在用系統已連續運行多年，在運行的過程中雖然進行過相應設備的技術升級，但均是在原有設備的基礎上進行維護和改進，設備采用的核心技術仍然落后，精度低、抗干擾能力差，且部分設備的電子元器件由于長時間使用已老化，設備故障率高，維護成本高。

（2） 在用系統定位技術為RFID，無法實現精確定位，一旦發生事故搶險救災時，不能有效定位到井下人員具體位置。

（3） 在用系統漏卡率、誤碼率較高，存在井下人員軌跡、考勤數據不完整，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） 在用系統配套分站電池由于多年長時間使用，大部分分站后備電源在交流電停電后已達不到2 h 供電要求，個別分站甚至小于1 h。

3 人員定位系統總體方案設計

依托新維煤礦井下KJ251A 型區域人員定位系統現有特點，開展高精度人員定位系統設計研究。設計的系統分為應用層、傳輸層和設備層，定位系統及無線通訊系統結構如圖1所示。

圖1 精確人員定位系統及無線通訊系統結構Fig.1 Precise personnel positioning system and wireless communication system structure

（1） 應用層。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；通過上傳軟件與集團、省局實現數據互聯；通過移動APP 實現移動終端現數據、軌跡查詢；通過二、三維GIS 展示平臺實現二、三維數據查詢與顯示、軌跡回放。

（2） 傳輸層。系統既可以全礦井以太網傳輸，局部也可以采用總線傳輸。全礦井以太網傳輸從中心站地面輸出本安型交換機通過2 芯光纖，與井下本安型網絡交換機逐個相連，構成環形以太網絡傳輸平臺，定位和無線通訊一體化讀卡分站通過以太網光口或以太網電口接入環網平臺。局部總線傳輸從分站至交換機采用2 芯通訊電纜，就近接入工業以太網交換機。定位分站之間通過光纖完成級聯，定位分站與讀卡器通過線纜完成級聯，實現在巷道內移動信號的廣泛覆蓋，便于移動終端數據收發。

（3） 設備層。設備層包括唯一性檢測裝置、讀卡分站/基站、讀卡器、本安顯示屏/聲光報警器、標識卡、信息化礦燈、本安型手機等，實現出入井人員唯一性檢測與考勤，井下人員實時定位、數據采集與預處理、單向與雙向通訊、指令接收與發送、手機無線通訊等功能。

4 人員定位系統主要模塊設計

4.1 系統中心站設計

系統中心站為整個人員定位系統中的核心模塊，布置3 臺工控機（型號IPC-610L），2 臺用于人員定位系統終端顯示、數據采集、存儲、查詢、打印、井下測點設置與遠程控制，一主一備互為冗余，另外1 臺用于無線通信。配套軟件主要用于精確定位系統管理，包括上傳軟件1 套用于系統數據上傳，GIS 融合軟件用于系統三維顯示，手機APP軟件1 套用于移動終端數據顯示、查詢。工控機配套正版WIN10 操作系統，用于監控主機，利用礦上現有UPS 后備電源，作為監控主機、服務器后備電源，保證機房交流電斷電后系統正常運行8 h。

4.2 關鍵儀器設備設計

4.2.1 KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置設計

KJ251A-WY3 型針對KJ251A-K3 標識卡要求，滿足精確定位系統。該系統采用先進的圖像識別技術（能同時識別面部污漬、照片、視頻、硬質面具、硅膠面具等防偽攻擊）、短距離識別技術及唯一性檢測算法，通過與人員定位系統融合加強對入井人員管理。KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置如圖2所示，該型裝置人臉識別速度≤0.6 s，單張標識卡完好性判斷速度≤2 s，平均人員通過時間≤4 s，正常情況下，多卡檢測準確率≥98%，閘機通行速度20～60 人/min，人像采集識別距離0.3～0.7 m。通過此檢測裝置可實現入井人員身份精準核對確認，準確判斷是否攜帶標識卡及標識卡的完好性，動態非接觸快速識別判斷出入井人員攜帶標識卡數量，避免一人攜帶多張卡入井；實時準確統計井下作業人員數量。

圖2 KJ251A-WY3 型人員唯一性檢測裝置Fig.2 KJ251A-WY3 personnel uniqueness detection device

4.2.2 KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站

KJ251(A)-F2 礦用本安型讀卡分站，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。工作電壓12.0～25.0VDC，工作電流≤1 000 mA，定位分站與標識卡的最大位移速度不小于5 m/s，采用光纖傳輸，最大傳輸距離10 km，防護等級IP65。

4.2.3 KJ251(A)-K6 型標識卡

KJ251(A)-K6 型標識卡是一種應用于煤礦井下目標的無線識別及通訊的有源射頻標識卡，配合KJ251(A)-F2 讀卡分站、KJ251(A)-D4 讀卡器使用，實現UWB 精確定位。KJ251(A)-K6 型標識卡的工作頻率2.4±0.1 GHz，工作電壓3.5V～4.2 VDC，最大工作電流500 mA，標識卡與定位分站/讀卡器之間的最大無線傳輸距離（視距無遮擋、無同頻干擾） 400 m。該標識卡具有雙向通訊、電池欠壓提示、報警信息指示、緊急呼救等功能，具有電池工作壽命長、外殼密封好等優點，滿足煤礦井下潮濕、粉塵多等環境的應用要求，也滿足腰帶卡、燈繩卡等攜帶需要。

4.3 精準定位系統設計

4.3.1 全局監測分系統設計

全局監測分系統可對當前井下人員的實時位置進行動態監測，通過此功能可了解當前井下總人數、當天入井人數、帶跟班人員情況、特殊工種情況、各區域入井情況以及各部門的總人數，并可實時監控當前井下的異常情況。數據可通過二/三維GIS、報警、圖表等多種方式進行呈現，并可了解各種數據的細節，是人員定位監測的重要功能之一。全局監測分系統顯示界面如圖3所示。

圖3 全局監測分系統顯示界面Fig.3 Global monitoring subsystem display interface

4.3.2 井下人員實時查詢模塊設計

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，并可進一步點擊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。

4.4 礦井GIS 融合界面設計

融合首頁界面以GIS 為基礎顯示各業務系統的實時數據，GIS 圖形支持放大、縮小、平移、鷹眼、分層、快速定位、測距等多種操作，并可以使用鼠標在GIS 圖形上進行交互（如鼠標移入提示、點擊查看細節等），圖形上的點可直接點擊得到相應的細節。GIS 圖形上具有綜合指標顯示、業務系統綜合門戶等顯示，可快速了解查看相關信息系統數據。礦井GIS 融合首頁界面如圖4所示。

圖4 礦井GIS 融合首頁界面Fig.4 Mine GIS fusion home page interface

5 系統應用測試效果分析

為驗證設計的人員定位系統的可靠性及穩定性，結合新維煤礦現有定位系統，將新系統在該礦進行了實際應用測試，測試周期為3 個月。在實際應用過程中，該系統運行正常、系統穩定可靠，能通過GIS 融合首頁將井下的人員數量、區域人員情況、井下人員變化趨勢、井下人員實時分布、部門分布情況等進行實時統計及顯示，了解各項數據的明細，顯示內容較為直觀清晰。系統可自動分析井下人員路徑的巷道，并自動進行軌跡的動畫回放操作，井下人員數據統計如圖5所示。整套系統的智能化程度相對較高，實現了大數據在礦井中的成功應用。據該煤礦人員評價，該系統的成功應用，提高了井下人員的作業安全，更加智能的實現了對人員的作業管理及安排，整體運行成本降低，具有重要的推廣應用價值。

圖5 井下人員數據統計Fig.5 Statistics of underground personnel

6 結語

針對新維煤礦中井下人定位系統存在問題，開展了該礦高精度新型井下人員定位系統的應用設計及研究。通過應用測試，驗證了該系統的可行性，能準確對井下人分布情況、人員作業情況及作業區域等方面進行全面統計及顯示，實現了實時追蹤井下人員位置，并與通訊系統聯動，實現一鍵應急救援，有效保障了井下人員作業安全，提高了新維煤礦智能化程度，具有應用推廣價值。