礦井新型人員定位系統的技術探討

凌志遷 楊百順 吳 強 李 逸 郭 梟 高 俊

四川省安全科學技術研究院

本文分析了現有的人員定位系統在預防小煤礦私挖濫采方面存在的不足，針對其射頻模塊有效識別距離短、系統算法漏洞、無法解決入井人員不帶射頻卡等問題，進行了初步探討，提出了較為詳細的改進方案。

引言

四川省攀枝花市西區(qū)肖家灣煤礦“8·29”特別重大瓦斯爆炸事故和瀘縣桃子溝煤礦“5·11”瓦斯爆炸事故的直接原因為違規(guī)違法組織生產的區(qū)域處于無風微風狀態(tài)，瓦斯積聚達到爆炸濃度，因絞車失爆產生的火花或放炮后殘藥燃燒引爆積聚瓦斯。兩個煤礦均為合法礦井，且安裝了井下人員定位系統，然而，由于系統本身固有的功能缺陷，未能實現對小煤礦私挖濫采行為的有效監(jiān)控，造成了重大的人員傷亡與經濟損失。因此，在現有人員定位系統的基礎上，有必要對其功能進一步改進，并提出一些思路。

現有人員定位系統存在的不足

現有人員定位系統是利用射頻技術、數據庫管理等技術手段，通過井下的定位分站對人員信息的采集，通過計算機對人員信息進行存儲、顯示和跟蹤，從而實時的掌握井下人員的分布情況。但是該技術存在著如下幾個方面的問題：⑴射頻讀卡器、射頻卡有效識別距離短，定位精度低。射頻讀卡器、射頻卡是人員定位系統的關鍵部位，其有效識別范圍決定著人員定位系統的準確性，目前現有人員定位系統的有效識別距離一般為5～8m，遠遠不能滿足人員定位系統對井下人員定位精確性的要求。⑵無法解決入井人員不帶射頻卡的問題。小煤礦為了實現多出煤炭、多出效益，往往在井下違規(guī)設置多個作業(yè)點非法組織生產，同時，為了逃避監(jiān)管監(jiān)察，勢必要求超出定員的入井人員不帶射頻卡。目前的人員定位系統無法實現對入井人員數量與射頻卡數量不符的核查與報警。⑶算法存在漏洞。如圖1 所示，圖中的圓圈代表人員定位系統識別器的識別范圍。如果入井人員走出3 或4 的識別范圍而未進入6 或5 的識別范圍，則人員定位系統就會默認為人員在3 和6之間的巷道內或4 和5 之間的巷道內，此時如果人員進入到私挖濫采區(qū)域作業(yè)，但人員定位系統上面顯示的人員仍然在主平硐和副平硐的巷道內，給私挖濫采留下了作弊的機會。

新型礦井人員定位系統的改進方案

基于現有人員定位系統在預防小煤礦私挖濫采方面的缺陷，現提出以下幾個新思路，對現有人員定位系統進行改進。

研發(fā)新型射頻模塊

射頻模塊主要分為射頻讀卡器、射頻卡、防爆電源和備用電池等四部分。射頻讀卡器主要負責對井下作業(yè)人員身上所佩戴的信息卡進行非接觸式信息采集，完成信息編碼，并能與上位機PC 機通信；射頻卡主要記錄入井人員的信息，借助于該信息實現對入井人員的自動辨別，以非接觸的方式與射頻讀卡器完成信息傳輸通信；射頻讀卡器的電源應符合防爆標準；備用電源作為后備電力為射頻讀卡器供電，保障系統正常工作。目前的人員定位系統射頻讀卡器與射頻卡的有效識別距離只有5～8m，遠遠不能滿足射頻信號能夠覆蓋井下所有合法區(qū)域的要求，因此，應研發(fā)新型射頻模塊，使射頻讀卡器的射頻信號能夠控制50m 以上的范圍。在井下巷道每隔80～90m 安裝一個射頻讀卡器，保證所有入井人員在井下的精確位置都能在地面主機上顯示。同時，安全監(jiān)管部門在監(jiān)控中心也可隨時對區(qū)域內的小煤礦進行監(jiān)察。

將“失蹤”概念引入現有人員定位系統

對現有人員定位系統進行改進，填補其算法漏洞，引入“失蹤”的概念，并做到“失蹤”超時報警，即：當人員走出某一識別器的識別范圍而未進入另一識別器的識別范圍時，系統設定該人員處于“失蹤”狀態(tài)，并對失蹤時間進行限定，當失蹤時間超過限定值時（如20min），系統將向安全監(jiān)管部門報警，表明失蹤人員進入了私挖濫采區(qū)域進行非法作業(yè)，安全監(jiān)管部門接到報警后，可及時進行查處并上報上級主管部門。

圖1 私挖濫采區(qū)域示意圖

增加基于CCD 圖像傳感器的人數統計技術

基于CCD 圖像傳感器的人數統計技術的基本原理是將運動區(qū)域統計算法和圖像特征神經元網絡算法相結合，綜合運算得出準確出入井人數。運動區(qū)域統計算法，即在固定相機里提取出運動區(qū)域，根據這些運動區(qū)域進行統計。當人們運動區(qū)域和人的大小相似的時候，你可以認為是一個人通過。當多個人距離較近的時候，采用人體大小的先驗知識，把運動區(qū)域分成多個單獨的區(qū)域，從而估計這個數字。當然，視頻流是實時連續(xù)的，運動區(qū)域檢測和分割需要在每一幀內不斷的計算。此外還要對幀間的運動區(qū)域進行跟蹤，把不同時間的運動區(qū)域連接起來，從而給出正確的人數和行人運動方向。圖像特征神經元網絡算法，即在圖像中采集一些反映人體特點的比較粗糙的特征，如圖像邊緣密度，然后通過神經網絡的學習和圖像特征之間的非線性關系，從而得出正確的號碼。

該系統可采用頂裝方式安裝，固定攝像頭俯視檢測區(qū)域，檢測范圍覆蓋全井口。當煤礦出入井人員到達檢測區(qū)域時，固定攝像頭采集圖像信息并實時顯示，同時經系統內部計算，得出人員的行走方向、數量和時間等參數。

視頻監(jiān)控系統與人員定位系統數據的關聯

利用Ethereal 對井下人員定位系統通信協議和視頻監(jiān)控系統視頻信號進行解析，并將其數據格式轉化為統一的數據模型，從而實現將井下人員定位系統識別到的入井人數同視頻監(jiān)控系統識別到的入井人數進行實時對比，當視頻監(jiān)控系統識別到的人數多余人員定位系統識別到的人數時，系統將進行“超員”報警，表明有人員未帶識別卡或帶壞識別卡入井，縣級安全監(jiān)管部門接到報警后，可及時對其進行查處，并上報上級主管部門，有效遏制煤礦工人躲避監(jiān)控，不帶識別卡或帶壞識別卡進入私挖濫采區(qū)域非法作業(yè)的行為。

結語

小煤礦私挖濫采行為較為普遍存在，然而在執(zhí)法檢查過程中卻很少能發(fā)現煤礦企業(yè)的這種作弊行為，其中固然存在執(zhí)法檢查不力的情況，但大部分則是煤礦企業(yè)在得知檢查信息后，提前對私挖濫采區(qū)域的巷道進行了臨時密閉，導致檢查時一無所獲。

研發(fā)新型人員定位系統可以有效預防煤礦私挖濫采現象，結合視頻監(jiān)控系統，在井口通過視頻監(jiān)控系統清點的人數與人員定位系統識別器識別到的人數進行對比，杜絕礦工不帶射頻卡入井現象。如果視頻監(jiān)控系統清點的人數大于人員定位系統識別器識別到的人數，則系統進行報警，通過這種技術手段，使煤礦企業(yè)不敢進行私挖濫采，這有利于煤礦企業(yè)進行合法開采和提升安全管理水平，因此更有利于保護礦工的生命財產安全。