高精度人員定位系統(tǒng)在同忻煤礦的應(yīng)用

高 龍

（晉能控股煤業(yè)集團信息化中心，山西 大同 037003）

根據(jù)國家推進智慧礦山建設(shè)的政策要求，在煤礦井下工作地點，要實現(xiàn)對人員位置的實時定位，對人員的誤操作及行動軌跡進行實時跟蹤及異常報警。 當(dāng)前使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)缺少實時高精度定位，無法發(fā)揮定位系統(tǒng)應(yīng)有的作用，難以從根本上消除安全隱患避免事故發(fā)生，且其擴展功能非常有限，唯一性識別與定位系統(tǒng)結(jié)合效果不理想，不符合一級標(biāo)準(zhǔn)化礦井建設(shè)要求。在當(dāng)前系統(tǒng)基礎(chǔ)上，升級建立一套高精度煤礦井下人員定位系統(tǒng)已成為智慧礦山建設(shè)工作的重點之一。 為此，結(jié)合同忻煤礦的特點，開展了該煤礦中高精度井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計研究。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成分析

結(jié)合同忻煤礦井下環(huán)境特點，在滿足《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）、《煤礦井下作業(yè)人員位置監(jiān)測與管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（AQ6210-2007） 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的情況下，開展了礦井中高精度人員定位系統(tǒng)的設(shè)計研究。 所設(shè)計的高精度人員定位系統(tǒng)型號為KJ98（A）型，主要采用三層架構(gòu)設(shè)計，分別為感知層、傳輸層、應(yīng)用層。 主要由地面中心站、系統(tǒng)軟件、雙機熱備軟件、多功能基站、人員定位分站、讀卡器、人員識別卡等組成[1]。另外還在各井口配置有井口人員唯一性檢測裝置。 系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 KJ98-F（C）礦用隔爆兼本安型通訊基站

圖1 煤礦中高精度人員定位系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)功能特點

（1）內(nèi)部技術(shù)采用UWB定位技術(shù)，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及順槽、掘進工作面。

（2）按照1:1 的三維立體礦圖，與真實比例的三維地理信息系統(tǒng)配合，可擴展出大量應(yīng)用，提供多系統(tǒng)融合及聯(lián)動報警接口。

（3）采用了多功能基站，提供以太網(wǎng)絡(luò)光口、電口、CAN、485、433、WIFI等多種國際標(biāo)準(zhǔn)接口，為現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)升級改造及多系統(tǒng)融合提供了充足的空間，降低新建系統(tǒng)的投資成本。 其中，該系統(tǒng)的巡檢周期為4s，被測目標(biāo)最大位移速度≥5 m/s，識別卡與讀卡分站之間的無線傳輸距離≥500 m；工作面精確定位，用雙絞線級聯(lián)。

1.3 傳輸方式

系統(tǒng)主干網(wǎng)傳輸采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式，分站或基站與主干網(wǎng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)；分站（基站）和讀卡器之間采用以太網(wǎng)、RS485 傳輸。

1.4 系統(tǒng)容量

系統(tǒng)接入讀卡器（基站）數(shù)量512 臺，識別卡數(shù)量65 000 個。

另外，通過虹膜或人臉識別技術(shù)和近距離讀卡技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)井口的唯一性識別檢卡功能，杜絕多帶卡、替代卡、無卡入井等情況發(fā)生。

2 關(guān)鍵儀器部件選型

2.1 通訊基站選型

該系統(tǒng)確定的礦用隔爆兼本安型通訊基站為KJ98-F（C）型號，在煤礦綜合信息系統(tǒng)傳輸中除了可接入KJ98-D讀卡器之外，還能接入不同廠家?guī)в袠?biāo)準(zhǔn)通信接口的設(shè)備，可以實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦井下各類數(shù)據(jù)地交換、信息轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸，為多系統(tǒng)井下融合提供傳高速輸通道和平臺[2]。配備了2 路RS485 總線接口和CAN總線接口，自帶電池供電時長＞8 h，最高速率可達1 300 Mbps，基站與WIFI手機的最大無線通信距離：800 m，基站具有對各讀卡器的發(fā)送過來的標(biāo)識卡信息進行接收、處理、存儲、傳輸、電池管理等功能。

2.2 本安型讀卡器選型

讀卡器用于識別煤礦井下的無線標(biāo)識卡，是射頻電子標(biāo)簽的識別設(shè)備，具有優(yōu)先接收標(biāo)識卡緊急求救信息、標(biāo)識卡電池電量監(jiān)視功能；對標(biāo)識卡進行“群呼”和“個體尋呼”等功能；具有接收無線編碼信號的功能，與標(biāo)識卡具有雙向通訊的功能，與數(shù)據(jù)通訊接口通訊的功能，電源指示、上位通訊信號指示功能[3]。 因此，選用KJ98-D型礦用本安型讀卡器，通過UWB無線方式識別KJ98-K（C）系列礦用定位標(biāo)識卡。該儀器的定位精度為30 cm，讀卡器與標(biāo)識卡的最大位移速度應(yīng)≥5 m/s，讀卡器有效接收半徑≥500 m，具有時間標(biāo)記功能。UWB無線通信距離遠：大于400 m。

2.3 標(biāo)識卡匹配選型

KJ98-K（C）標(biāo)識卡采用高精度定位技術(shù)，主要用于對煤礦井下人員進行監(jiān)測和定位。 標(biāo)識卡與讀卡器具有雙向通信通訊功能，可向井上發(fā)出求救報警信號或接收撤離信號。 標(biāo)識卡具有緊急呼救按鈕，具備一鍵求救功能，運動傳感檢測，可檢測靜止、運動狀態(tài)，標(biāo)識卡具有振動提示功能。求救時報警燈閃爍、低電時報警燈閃爍、撤離時振動同時提示。 可充電識別卡通訊距離遠，靈敏度高，功耗低，識別卡單次充電連續(xù)工作時間40 天，定位精度0.3 m。 可充電識別卡具有“防塵、防水、防撞擊”的特性，能夠適應(yīng)惡劣的井下環(huán)境，識別卡具有三防功能，防護等級應(yīng)達到IP65。

3 定位系統(tǒng)各項功能

3.1 識別多個同時進入識別區(qū)域的識別卡

KJ98-D礦用本安型讀卡器通過無線方式識別KJ98-K（C）系列礦用定位標(biāo)識卡，將獲得信息通過以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器。 讀卡器具有電源指示、上位通訊信號指示功能，信號中斷后的數(shù)據(jù)存儲和續(xù)傳功能。具有時間標(biāo)記功能。讀卡器與標(biāo)識卡并發(fā)識別數(shù)量≥80。 通過此識別卡能實現(xiàn)多個人員同時進入識別區(qū)域的識別顯示，如圖2 所示。

圖2 識別卡識別后顯示

3.2 人員進入禁入?yún)^(qū)及工作超時告警

在井下一些重要硐室、 危險場合配備讀卡器和引導(dǎo)發(fā)布設(shè)備，實時通報強行進入人員信息，可有效地阻止人員違章進入，并將違章人員記錄在案。 當(dāng)人員在井下停留超出規(guī)定時間時，系統(tǒng)將發(fā)出告警并記錄。 人員下井時間超過規(guī)定的時間或在限制區(qū)域超過規(guī)定時間，系統(tǒng)會自動觸發(fā)地面中心站和WEB 界面聲光報警裝置并提供相關(guān)人員的名單等信息，并將超時人員信息記錄在案。 由此，實現(xiàn)人員進入禁入?yún)^(qū)及工作超市的告警功能。

3.3 唯一性檢測裝置

該系統(tǒng)能夠無縫兼容礦井現(xiàn)有唯一性檢測裝置（如無法兼容則需要新建），兼容或新建后的性能不低于原唯一性檢測裝置的性能。 通過唯一性檢測裝置的時間小于3s，誤識率≤0.5%，拒識率≤1%。 人員通過虹膜機或人臉識別機進行生物識別，識別后通過定位打卡聯(lián)合信息決定翼閘開閉。 對于一人多卡，沒有虹膜信息的入井人員信息將被系統(tǒng)區(qū)別統(tǒng)計。 井口唯一性識別檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井口唯一性識別檢測裝置結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果分析

將新設(shè)計的高精度人員定位系統(tǒng)集成在同忻煤礦中的礦山綜合管理系統(tǒng)中，對此系統(tǒng)進行實際應(yīng)用效果驗證，測試周期約3 個月。 在測試過程中，高精度人員定位系統(tǒng)能通過所設(shè)計的標(biāo)識卡、通訊基站等配置，將井下人員的作業(yè)位置、作業(yè)區(qū)域、行駛路徑等信息通過顯示界面進行實時顯示，當(dāng)人員未經(jīng)允許進入禁區(qū)時，此系統(tǒng)將通過顯示界面將人員狀態(tài)及所屬部門等相關(guān)信息及時發(fā)出相應(yīng)的報警提示，人員身上的隨身跟蹤器也將發(fā)出相應(yīng)的報警提示。 人員進入禁區(qū)報警顯示界面如圖4 所示。

圖4 人員進入禁區(qū)報警顯示界面

5 結(jié)語

通過將新設(shè)計的高精度人員定位系統(tǒng)在同忻煤礦進行應(yīng)用測試，得出：該系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定可靠，能實時地對井下人員作業(yè)情況及位置進行精準(zhǔn)定位，并顯示界面全方位顯示，針對人員出現(xiàn)的異常情況也能及時發(fā)出相應(yīng)的報警顯示及提示，整個礦井中人員定位的智能化程度相對較大，顯著提高了礦井井下人員定位系統(tǒng)的性能。