基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的煤礦監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉梅華，苗可彬

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

近年來，隨著煤炭生產(chǎn)安全日益增長的需要，煤礦井下移動(dòng)智能執(zhí)法成為研究的熱點(diǎn)，但行業(yè)新技術(shù)的推廣和普及較為遲緩，目前現(xiàn)有的井下執(zhí)法設(shè)備和系統(tǒng)的性能指標(biāo)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，執(zhí)法裝備技術(shù)水平落后，功能單一，如執(zhí)法人員需攜帶多種執(zhí)法裝備：環(huán)境參數(shù)檢測儀、相機(jī)、執(zhí)法導(dǎo)航裝備及打印設(shè)備等；執(zhí)法設(shè)備未與煤礦井上安全監(jiān)控平臺(tái)或當(dāng)?shù)匕脖O(jiān)主管部門融合聯(lián)網(wǎng)形成執(zhí)法系統(tǒng)，造成執(zhí)法證據(jù)不透明、執(zhí)法人員執(zhí)法過程無法跟蹤、執(zhí)法效率無法保證以及執(zhí)法過程一旦出現(xiàn)事故無法采取及時(shí)有效的救援措施等，因此建立一套智能化、一體化執(zhí)法系統(tǒng)，提高監(jiān)察執(zhí)法的高效性、客觀性、科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)執(zhí)法勢在必行。

針對以上問題，本文提出一種基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的煤礦執(zhí)法系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)規(guī)范執(zhí)法、自主精準(zhǔn)導(dǎo)航、井下信息同步、執(zhí)法軌跡可追蹤、為煤礦安全管控云平臺(tái)提供可信的執(zhí)法信息[1-3]。

1 執(zhí)法系統(tǒng)組成

基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的煤礦執(zhí)法系統(tǒng)由執(zhí)法終端、安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)與執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)組成，執(zhí)法人員在安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)上制定執(zhí)法計(jì)劃并導(dǎo)入到執(zhí)法終端，執(zhí)法過程采用慣性導(dǎo)航與藍(lán)牙信標(biāo)定位相融合的自主組合式導(dǎo)航，執(zhí)法終端執(zhí)法過程自動(dòng)采集的環(huán)境多參數(shù)數(shù)據(jù)與聲音、圖片和視頻等多種執(zhí)法證據(jù)自動(dòng)上傳至安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)服務(wù)器，數(shù)據(jù)經(jīng)服務(wù)器后臺(tái)處理后共享至執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)，同時(shí)現(xiàn)場生成執(zhí)法文書[4-6]。執(zhí)法系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 執(zhí)法系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 執(zhí)法終端設(shè)計(jì)

執(zhí)法終端[7]采用的是安卓操作系統(tǒng)，主要由執(zhí)法登錄管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、攝像模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、導(dǎo)航系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)無線通信模塊、照明模塊、USB接口組成。執(zhí)法終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 執(zhí)法終端結(jié)構(gòu)圖

其中，執(zhí)法登錄管理模塊基于虹膜識(shí)別技術(shù)[8]與超聲波指紋識(shí)別技術(shù)，兼容多種身份認(rèn)證登錄方式，完成對執(zhí)法人員身份識(shí)別，成功開啟執(zhí)法界面；數(shù)據(jù)采集模塊，采用催化原理和電化學(xué)原理集甲烷、氧氣、二氧化碳、一氧化碳于一體，構(gòu)成檢測單元，采集執(zhí)法點(diǎn)環(huán)境參數(shù)信息；攝像模塊采用低照度數(shù)字式USB攝像頭，照明探頭及終端主機(jī)上各集成1個(gè)USB攝像頭，用于錄入執(zhí)法現(xiàn)場視頻及照片證據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用SD存儲(chǔ)技術(shù)[9]，可按執(zhí)法項(xiàng)目分類實(shí)時(shí)存儲(chǔ)環(huán)境氣體參數(shù)、現(xiàn)場圖像、視頻、語音信息等執(zhí)法證據(jù)；報(bào)警模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，通過視覺聽覺實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)報(bào)警與求救報(bào)警；導(dǎo)航系統(tǒng)模塊硬件上由慣性導(dǎo)航模塊和藍(lán)牙模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)執(zhí)法過程自主精準(zhǔn)導(dǎo)航；數(shù)據(jù)無線通信模塊支持Wi-Fi、Zigbee、3G/4G/5G和DTU通信方式用于向服務(wù)端發(fā)送、接收信號(hào)并與之建立無線連接；照明模塊采用低功耗，LED冷光源照明，照明方式為主燈與輔燈兩種，根據(jù)環(huán)境切換燈的工作方式。

執(zhí)法人員依據(jù)執(zhí)法對象制定執(zhí)法計(jì)劃，并將其導(dǎo)入執(zhí)法終端，然后開啟執(zhí)法終端，啟動(dòng)慣性導(dǎo)航，預(yù)定執(zhí)法起點(diǎn)，通過Wi-Fi定位導(dǎo)航初始信息，按導(dǎo)航依次向井下規(guī)定執(zhí)法點(diǎn)執(zhí)法；到達(dá)預(yù)定執(zhí)法點(diǎn)，環(huán)境參數(shù)模塊自動(dòng)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，執(zhí)法人員拍攝圖像、視頻進(jìn)行取證(必要時(shí)采集音頻信息)，終端對獲取的信息及證據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)并上傳至井上服務(wù)器，執(zhí)法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及證據(jù)經(jīng)服務(wù)器處理，上傳至安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)，系統(tǒng)產(chǎn)生執(zhí)法文書，同時(shí)安全執(zhí)法平臺(tái)將執(zhí)法證據(jù)及執(zhí)法文書通過云平臺(tái)分享到執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)，用戶通過云平臺(tái)查詢執(zhí)法實(shí)時(shí)情況。

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的導(dǎo)航由慣性導(dǎo)航[10，11]和藍(lán)牙定位組合構(gòu)成的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，基于MEMS[12，13]技術(shù)，由MEMS芯片通過組裝生產(chǎn)的慣性組合(IMU Inertial Measurement Unit)測量物體三軸角速率以及加速度，加速度計(jì)檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)三軸的加速度信號(hào)和角速度信號(hào)，并以此解算出物體的姿態(tài)，然后根據(jù)獲取的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，配合陀螺儀和三軸加速度傳感器測量移動(dòng)的角度和加速度，計(jì)算下一刻的位置，并通過電子地圖顯示，為消除因時(shí)間累積產(chǎn)生的位置誤差，本文采用慣性導(dǎo)航與藍(lán)牙信標(biāo)融合定位，運(yùn)用藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)[14，15]，通過決策層的融合策略，周期性地糾正慣性導(dǎo)航的誤差，同時(shí)為了減少軌跡波動(dòng)，通過改進(jìn)型Kalman快速濾波算法平滑導(dǎo)航系統(tǒng)融合后的軌跡，以提高系統(tǒng)測量的精度和穩(wěn)定性。藍(lán)牙信標(biāo)定位系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙信標(biāo)定位系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙信標(biāo)定位設(shè)計(jì)利用執(zhí)法終端上的藍(lán)牙模塊接收布置在巷道上的藍(lán)牙信標(biāo)AP發(fā)送的位置報(bào)文，執(zhí)法終端將接收的報(bào)文解碼并發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器將接收的信息轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)并發(fā)送至執(zhí)法終端App，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將接收到的位置數(shù)據(jù)與自測的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取執(zhí)法終端的位置信息并顯示于導(dǎo)航地圖上。

藍(lán)牙信標(biāo)AP的布置是藍(lán)牙定位設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的步驟，依據(jù)煤礦井下巷道特性，藍(lán)牙信標(biāo)在井下無遮擋無轉(zhuǎn)角條件下，藍(lán)牙信標(biāo)AP間位置按200～300m間隔部署，在有遮擋或轉(zhuǎn)角情況下100m間距部署：預(yù)先在后臺(tái)服務(wù)器上，在執(zhí)法路徑的地圖上部署藍(lán)牙信標(biāo)AP，給與每一個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)AP唯一標(biāo)識(shí)，依據(jù)生成的報(bào)表在井下部署藍(lán)牙信標(biāo)AP，并進(jìn)行測試，根據(jù)測試效果對藍(lán)牙信標(biāo)AP位置進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)對后臺(tái)服務(wù)器執(zhí)法路徑地圖上的相應(yīng)藍(lán)牙信標(biāo)AP位置進(jìn)行更新。

設(shè)計(jì)中慣性導(dǎo)航與藍(lán)牙信標(biāo)定位的融合目標(biāo)是提供一種井下定位精度更高和魯棒性更好的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/藍(lán)牙信標(biāo)融合導(dǎo)航方法，從而達(dá)到提供一種精準(zhǔn)、過程可跟蹤的煤礦井下執(zhí)法系統(tǒng)，藍(lán)牙與慣性導(dǎo)航融合系統(tǒng)流程如圖4所示。具體過程：

圖4 藍(lán)牙與慣性導(dǎo)航融合系統(tǒng)流程

1)對執(zhí)法終端進(jìn)行預(yù)熱，慣性導(dǎo)航輸入初始位置信息，開啟終端藍(lán)牙接收模塊，慣導(dǎo)各傳感器采集數(shù)據(jù)。

2)根據(jù)慣性導(dǎo)航傳感器采集的終端姿態(tài)、速度和位置信息建立捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航狀態(tài)方程并建立量測方程，計(jì)算出定位結(jié)果L1；終端將接收到的藍(lán)牙報(bào)文解碼并發(fā)送至系統(tǒng)服務(wù)器，經(jīng)運(yùn)算，服務(wù)器將位置信息(定位結(jié)果)L2發(fā)送至執(zhí)法終端APP。

3)以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量的定位結(jié)果L1與藍(lán)牙信標(biāo)系統(tǒng)測得的定位結(jié)果L2為觀測量，采用決策層融合策略，建立捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/藍(lán)牙信標(biāo)融合導(dǎo)航系統(tǒng)，獲取定位結(jié)果。

4)利用改進(jìn)型Kalman快速濾波算法減少捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/藍(lán)牙信標(biāo)融合導(dǎo)航系統(tǒng)定位軌跡的波動(dòng)，提升定位精度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)校正和自主軌跡推算的融合導(dǎo)航定位，執(zhí)法終端APP上顯示整個(gè)執(zhí)法運(yùn)動(dòng)軌跡，相應(yīng)的信息同步在系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)地圖上顯示。

2.3 安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)設(shè)計(jì)

安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)采用C/S架構(gòu)和實(shí)時(shí)分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)法數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與安全管理，具體可分為數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、執(zhí)法計(jì)劃/文書管理與系統(tǒng)管理。安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)功能模塊如圖5所示。

圖5 安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)功能模塊

數(shù)據(jù)查詢單元可實(shí)現(xiàn)對歷史執(zhí)法案件信息、執(zhí)法過程采集的環(huán)境參數(shù)、音視頻、文本信息、執(zhí)法文書、相關(guān)執(zhí)法對象企業(yè)信息等進(jìn)行調(diào)取查看；實(shí)時(shí)在線監(jiān)測單元可在線監(jiān)測執(zhí)法人員執(zhí)法位置與路徑、執(zhí)法點(diǎn)獲取的執(zhí)法數(shù)據(jù)與現(xiàn)場音視頻證據(jù)以及報(bào)警信息；執(zhí)法計(jì)劃/文書管理單元根據(jù)不同執(zhí)法對象提供執(zhí)法計(jì)劃與執(zhí)法文書的參考模板，對執(zhí)法文書編號(hào)進(jìn)行管理，執(zhí)法人員可在本單元編輯執(zhí)法計(jì)劃并導(dǎo)出；系統(tǒng)管理單元可使超級管理員對執(zhí)法平臺(tái)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，主要實(shí)現(xiàn)對平臺(tái)用戶、權(quán)限、安全、共享、運(yùn)行等內(nèi)容的管理。

2.4 執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)設(shè)計(jì)

執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)基于執(zhí)法終端、安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)的信息共享基礎(chǔ)上主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)管執(zhí)法的知識(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、安全控制服務(wù)、系統(tǒng)展現(xiàn)服務(wù)等功能，具體分為監(jiān)督管理、專家管理、知識(shí)庫與安全管理。執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)功能模塊如圖6所示。

圖6 執(zhí)法監(jiān)管云平臺(tái)功能模塊

監(jiān)督管理模塊主要對執(zhí)法進(jìn)行監(jiān)督、各類隱患跟蹤、監(jiān)管舉報(bào)投訴以及對執(zhí)法過程中發(fā)現(xiàn)的違規(guī)違法案件全程跟蹤處置措施及效果；專家管理模塊用于接收注冊的專家的資料信息，并將專家的資料信息進(jìn)行聚類處理，在此基礎(chǔ)上形成多個(gè)專家交流學(xué)習(xí)的交互端，同時(shí)為了充分利用專家資源開放平臺(tái)解答執(zhí)法咨詢；知識(shí)庫模塊提供目前行業(yè)內(nèi)有效的行業(yè)政策法規(guī)以供參考查詢、提供礦用設(shè)備煤安認(rèn)證信息查詢窗口、提供不同檢查目的、檢查對象和檢查形式的安監(jiān)執(zhí)法對應(yīng)的自由量裁基準(zhǔn)表以供查詢；安全管理模塊主要對系統(tǒng)日常運(yùn)行進(jìn)行設(shè)置維護(hù)、管理員對用戶及其權(quán)限進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)測試與效果

基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的煤礦監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)在煤礦進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)執(zhí)法計(jì)劃，攜帶執(zhí)法終端，在井下不同執(zhí)法場所如大巷、變電所、工作面等不同區(qū)域執(zhí)法，執(zhí)法過程可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航、各執(zhí)法點(diǎn)采集的井下環(huán)境參數(shù)、執(zhí)法證據(jù)：圖片、視頻、語音信息等均符合設(shè)計(jì)要求，并能在線傳輸至安全生產(chǎn)執(zhí)法平臺(tái)，同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)共享到執(zhí)法監(jiān)管平臺(tái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，捷聯(lián)導(dǎo)航定位測試表見表1，執(zhí)法路徑1為井口-避難硐室：執(zhí)法路面較平坦，導(dǎo)航誤差為2.5‰；執(zhí)法路徑2為井口-變電所：執(zhí)法路面有起伏路段，導(dǎo)航誤差為2.7‰；執(zhí)法路徑3為變電所-工作面：執(zhí)法路面起伏較大，導(dǎo)航誤差為3.0‰。由測試數(shù)據(jù)得出：煤礦井下巷道路況不同，藍(lán)牙信標(biāo)AP的布置間距需要調(diào)整，并且路面的起伏程度與巷道轉(zhuǎn)角都會(huì)影響導(dǎo)航誤差，在井下本導(dǎo)航的最大誤差不超過3‰。

表1 捷聯(lián)導(dǎo)航定位測試表

4 結(jié) 語

基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的煤礦監(jiān)察執(zhí)法系統(tǒng)提高了礦山安全生產(chǎn)監(jiān)察執(zhí)法信息化水平和執(zhí)法信息的可信度，提高了安全監(jiān)察執(zhí)法公信力，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了安監(jiān)執(zhí)法的節(jié)約化和便捷化，對推動(dòng)安監(jiān)執(zhí)法信息化建設(shè)有一定的作用。