一種人員精確定位系統(tǒng)在金屬地下礦山的應(yīng)用

＊孟航 韓宗

（1.河北冀拓應(yīng)急科技有限公司 河北 050000 2.河北匯正工程技術(shù)有限公司 河北 050000）

礦山人員定位系統(tǒng)在礦山安全生產(chǎn)、事故應(yīng)急救援和事故調(diào)查等方面發(fā)揮著重大作用。2010年開始，礦山人員定位系統(tǒng)從國家層面開始強(qiáng)制推行，2011年發(fā)布了建設(shè)規(guī)范[1]，2022年國家礦山安全監(jiān)察局《礦安〔2022〕4號》規(guī)定金屬、非金屬地下礦山在基建過程中應(yīng)當(dāng)同步建立人員定位系統(tǒng)，同年7月《礦安〔2022〕88號》又將未建立人員定位系統(tǒng)或系統(tǒng)不符合規(guī)定列為重大事故隱患。2023年6月河北省實施了人員精確定位建設(shè)規(guī)范[2]。金屬地下礦山建立精確定位系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。

金屬地下礦山目前采用基于RFID、Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等技術(shù)的方式實現(xiàn)人員定位，在適應(yīng)井下環(huán)境、抗干擾能力和傳輸距離等方面顯現(xiàn)出不足，定位精度不能滿足精準(zhǔn)定位要求[3]。小寺溝銅礦原采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行人員定位，定位精度為10m左右，為區(qū)域定位、無Wi-Fi通訊。本次利用UWB無線通信技術(shù)，采用“人員精確定位+區(qū)域定位+Wi-Fi6無線聯(lián)網(wǎng)”的形式建立金屬礦山井下人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了人員定位和Wi-Fi通訊，提高了井上下溝通效率，為金屬地下礦山建立人員精確定位系統(tǒng)提供依據(jù)。

1.UWB精確定位技術(shù)

(1)UWB通信技術(shù)

通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，具有GHz量級的帶寬[4]。此技術(shù)在適應(yīng)井下惡劣環(huán)境、抗干擾能力、傳輸距離、傳輸速率、定位精度等方面展現(xiàn)了很大的優(yōu)勢[5]。

(2)UWB測距定位算法

以UWB無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，采用異步測時測距算法進(jìn)行礦井精確人員定位，采用雙程測距算法進(jìn)行人員區(qū)域定位。

①異步測時測距算法精確定位

兩個基站可通視，定位卡與兩個基站通視。分站A向定位卡M發(fā)送測距信號，定位卡M接收到信號，再發(fā)射信號，中間時間延遲為TM，定位卡M向基站A發(fā)射信號，并被接收。總用時為TAM，基站A的發(fā)送信號和接收信號時間為已知量，TAM為已知量。分站B收到分站A的測距信號后，發(fā)出測距信號，定位卡M收到測距信號后，進(jìn)行測距，過程和基站A相同，得到TBM，信號傳播速度為c，TM為定位卡接收與發(fā)送信號的時間差，流程如圖1所示。

圖1 異步測時算法測距算法原理圖

由基站安裝位置幾何關(guān)系（如圖2）可知：

圖2 定位示意圖

根據(jù)公式（3）和公式（4）可知：

根據(jù)安裝基站的幾何位置和基站的測距可知人員的實際位置。

②雙程測距算法區(qū)域定位

雙程測距算法為異步測時測距算法的第一步，即公式（1）。

兩種定位方法均通過測距實現(xiàn)定位，均消除了要求定位基站之間、定位基站和定位卡之間時鐘嚴(yán)格一致的影響，定位精度實現(xiàn)厘米級[6]。

2.定位技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用

(1)小寺溝銅礦開拓系統(tǒng)

小寺溝銅礦采用斜坡道、平硐聯(lián)合開拓，有675m和615m兩個中段，665m、650m和630m三個分段。斜坡道XPD1直通615m中段，為主運輸斜坡道，負(fù)責(zé)礦巖運輸、材料下放任務(wù)。平硐PD1（675m標(biāo)高）與675m中段直接相連，與其到達(dá)615m中段輔助斜坡道相連作為進(jìn)風(fēng)通道及主要行人安全出口。東風(fēng)井位于礦體東翼端部下盤675m中段，并通過階段回風(fēng)井聯(lián)絡(luò)615m中段。西風(fēng)井位于礦體西翼端部下盤，井底到達(dá)675m中段，與平硐PD1內(nèi)675m中段運輸巷道相連，作為西部回風(fēng)井。采礦方法為無底柱分段崩落法采礦（如圖3）。

圖3 小寺溝銅礦井下開拓系統(tǒng)示意圖

(2)主要設(shè)備選擇

人員定位系統(tǒng)應(yīng)取得礦用安全標(biāo)志[7]，煤安設(shè)備可以應(yīng)用于金屬、非金屬礦山。

①定位基站

KJ 686—F礦用定位基站集人員定位和Wi-Fi6信號于一體。識別距離：不小于400m；UWB無線傳輸速率：110kbps，850kbps，6.8Mbps；無線Wi-Fi傳輸速率1.2Gbps。

②標(biāo)識卡

KJ 687—K型礦用標(biāo)識卡采用充電鋰電池供電，具有緊急報警功能。待機(jī)時長為15天。

(3)系統(tǒng)建設(shè)

定位基站采用光纖連接，共建定位基站49個。平硐、斜坡道、輔助斜坡道、615m生產(chǎn)中段主運輸巷、675m中段和生產(chǎn)中段主巷采用進(jìn)行人員精確定位，每隔100～200m布設(shè)一臺定位基站。各主要硐室內(nèi)、東西風(fēng)井口、掘進(jìn)分段采用區(qū)域定位，布設(shè)一臺定位基站，定位基站均具備Wi-Fi6功能。

系統(tǒng)主干網(wǎng)采用千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用各中段+監(jiān)控室的環(huán)網(wǎng)建設(shè)思路，定位基站之間用光纖連接。采用監(jiān)控室、675m中央變電室、615m水泵房配電室安裝在線式UPS（6K）的方式進(jìn)行二級負(fù)荷集中供電。

(4)定位數(shù)據(jù)

基站安裝高度1.5m，定位天線位于巷道頂部3m位置，標(biāo)識卡高度1.1m。區(qū)域定位為測定攜標(biāo)識卡人員距單基站距離，從而確定人員是否在基站附近。精確定位為攜標(biāo)識卡人員距兩基站距離，從而確定在巷道的具體位置。區(qū)域定位測定：單基站測定攜帶標(biāo)識卡人員距基站的靜態(tài)定位數(shù)據(jù)如表1。精確人員測定：兩基站相距114.00m時，測得攜帶標(biāo)識卡人員距兩基站的靜態(tài)定位數(shù)據(jù)如表2。

表1 攜標(biāo)識卡人員距基站靜態(tài)定位數(shù)據(jù)

表2 攜標(biāo)識卡人員距兩基站的靜態(tài)定位數(shù)據(jù)

區(qū)域定位單定位基站采用雙程測距算法進(jìn)行定位，定位精度可達(dá)30cm以內(nèi)。精確定位采用兩臺基站在井巷內(nèi)測定人員位置，其人員攜帶的標(biāo)識卡與兩定位基站天線在一條線上時，數(shù)據(jù)最為精準(zhǔn)。數(shù)據(jù)誤差來源：①天線安裝高度和人員攜帶標(biāo)識卡的高度已知，可通過公式矯正，但攜卡人員身高有一定差別。②巷道寬度對數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。靜態(tài)測距定位精度可到30cm以內(nèi)，在井巷的位置定位精度根據(jù)實測在1m以內(nèi)。

(5)Wi-Fi功能測試

采用華為P40手機(jī)，啟用iperf模式進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。

表3 基站W(wǎng)i-Fi功能測試數(shù)據(jù)

(6)應(yīng)用效果

系統(tǒng)建成后運行了3個月，運行平穩(wěn)，主要中段及運輸巷實現(xiàn)了精確定位及Wi-Fi覆蓋，在井口和非生產(chǎn)中段及重要硐室實現(xiàn)了區(qū)域定位及Wi-Fi覆蓋。

3.結(jié)論

采用UWB無線通信技術(shù)，通過異步測時算法和雙程測距算法進(jìn)行礦井人員精確定位和區(qū)域定位，并采用“人員精確定位+區(qū)域定位+Wi-Fi6無線聯(lián)網(wǎng)”的形式建立金屬礦山井下人員定位系統(tǒng)的方案是可行的。靜態(tài)測距定位精度能達(dá)到30cm以內(nèi)，測定攜卡人員在巷道內(nèi)位置定位精度在1m以內(nèi)，Wi-Fi6帶寬穩(wěn)定。整套系統(tǒng)建設(shè)符合國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范和河北政策要求，整體提升了小寺溝井下定位水平，保障了礦山的安全生產(chǎn)。下一步，小寺溝銅礦將開展裝載和運輸設(shè)備的智能控制與精確定位系統(tǒng)的融合工作，并在此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架基礎(chǔ)上建設(shè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、通訊聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)和應(yīng)急廣播系統(tǒng)等，促進(jìn)小寺溝銅礦數(shù)字化礦山和智慧化礦山的建設(shè)，進(jìn)一步提升礦山生產(chǎn)效率。