煤礦井下無線通信及人員精準定位系統的融合應用

崔振杰 楊 晴

（山東能源臨礦集團菏澤煤電公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700）

2019 年11 月16 日，山東省煤礦安全監察局發文《山東煤礦人員精確定位系統技術要求（試行）》（下稱《技術要求》），規定山東省內所有煤礦，2020 年3 月底前完成人員精準定位系統建設工作，并規定“系統應支持多系統融合，應優先實現與安全監控系統、考勤系統、通訊系統、井下應急廣播系統的融合”。

目前省內大部分煤礦的人員定位系統、通信聯絡系統均為獨立系統，未能融合聯動，且人員定位系統、通信聯絡系統仍采用落后的ZigBee 定位技術、485 有線通信技術，不僅定位效果差、通信質量低，而且成本高昂、維護復雜、費時費力[1-3]。為堅決杜絕類似“梁寶寺火災事故”等安全事故的發生，并提高事故應急處理能力，彭莊煤礦提前布局，在山東省煤監局下文前即開始著手建設煤礦井下人員精確定位系統，并規劃其與井下通信聯絡系統進行融合聯動。

1 融合應用系統的功能實現

1.1 多系統融合

融合應用系統運用了行業領先的UWB 精確定位技術、WIFI 通信技術，定位效果好，通信質量高，人員精準定位的靜態定位精度能夠達到30 cm。并且融合基站留有數個功能拓展接口，后期可以把安全監控系統、考勤系統、井下應急廣播系統等系統加入其中，實現多系統融合聯動。通過人員定位系統、通信聯絡系統共用統一基站，實現人員定位系統、通信聯絡系統的融合應用。

該系統由人員精確定位系統、井下無線通信系統融合應用而成，現共有94 個分站，每個分站由融合基站、本安電源、定位天線、無線天線、光纖熔接盒等組成。系統電源引就近電源，網絡使用井下萬兆環網。現選取該系統的一個分站作為展示，如圖1。新建融合應用系統的無線通信部分實現了井上下WIFI 信號全覆蓋，配合礦用本安防爆手機，實現了井下、井上下的實時通信。

圖1 融合應用系統分站

1.2 極高精度定位功能

融合應用系統除采用現階段最新的UWB 精確定位技術外，還采用了最前沿的數字傳輸技術、GIS 地理識別技術等前沿技術，使采煤工作面及順槽、掘進工作面人員定位精度達到了1 m，其他重要地點人員定位精度不超過3 m，全面達到了《技術要求》規定。

1.3 超員報警及聯動實時監控功能

融合應用系統在各頭面限員管理站安裝超員報警裝置，實現了超員報警，并在調度室實時顯示各超員報警站信息。

該系統實現了彭莊煤礦原有的唯一性檢卡及井口LED 顯示設備的聯動，可實時動態顯示井下作業人員信息，并可根據區隊/科室或區域等顯示井下人員信息，如圖2。

圖2 聯動監測裝置

1.4 施工過程中的硬件整合

項目實施過程中，因系統元件過多、井下條件復雜，相關設備的安裝效果一度達不到礦安全生產標準化要求。在此情況下，彭莊煤礦調度室施工人員利用舊電纜槽單獨制作背板70 余塊，成功將兩系統元件整合在一起，整合后的系統干凈整潔，效果良好，達到了礦安全生產標準化要求。

2 融合應用系統的技術要點

2.1 網絡及傳輸方式

系統主干網絡采用萬兆工業以太環網，分站至主干網采用千兆工業以太網，分站至讀卡器采用無線傳輸方式。

2.2 精準定位技術

人員精準定位技術采用UWB 定位技術中的ToF 測距技術（基于飛行時間測距—Time Of Fligh），如圖3。該技術是一種適用于煤礦巷道空間的雙向測距技術，主要利用信號在兩個異步收發機(Transceiver)（或被反射面）之間往返的飛行時間來測量節點間的距離，它具有以下優點：

圖3 ToF 測距技術（基于飛行時間測距——Time Of Fligh）原理圖

（1）可以單基站進行測距，確定人員位置；

（2）兩個基站即可確定人員行進方向，這是Zigbee 等傳統定位技術所實現不了的。

2.3 技術指標的優化設計

（1）系統容量

系統可接入讀卡器（基站）數量不小于512 臺，識別卡數量不小于65 000 張。

（2）系統巡檢周期

系統最大巡檢周期不超過5 s。

（3）定位刷新頻率

標識卡的定位刷新頻率可調。采掘工作面定位刷新頻率滿足人員定位精度要求。

（4）定位精度

系統在理想狀態下靜態定位精度可達30 cm，動態定位精度不超過3 m。

采煤工作面及順槽、掘進工作面人員定位精度達到1 m，其他地點人員定位精度不超過3 m。

（5）無線傳輸距離

分站（基站）、讀卡器與標識卡之間無線傳輸距離不小于400 m。

（6）標志卡電源

精確定位識別卡采用電池供電，通過識別卡的超低功耗與智能節電設計，可以實現正常使用12月以上。

3 融合應用系統的運行情況

3.1 應用情況

該系統已成功運用于菏澤煤電公司彭莊煤礦，運行連續平穩，情況良好，達到了設計要求。

3.2 實現效果

（1）無線通信部分

實現了井上下WIFI 信號全覆蓋，配合礦用本安防爆手機，實現了井下、井上下實時通信，提高了井下人員工作效率。

（2）人員精確定位部分

① 實現了對入井人員的精確定位跟蹤（定位精度最高達30 cm）、報警求助、預警救援、考勤統計、區域禁入、歷史數據記錄查詢以及唯一性檢測等各項功能，極大增強了該礦的安全管理能力，同時解決了傳統的“找人難、難找人”問題，這對提高該礦的事故應急處置能力具有重要意義。

② 創新加入了超員報警功能，解決了頭面限員管理困難問題。

4 融合應用系統的效益產出

4.1 經濟效益

（1）不采用融合系統，單獨施工無線通信系統、人員精確定位系統，按每套200 萬元計算，則合計費用400萬元。采用的融合應用系統價格226.9萬元，節約煤礦安全費用400-226.9=173.1 萬元。

（2）井下無線通信系統與人員精確定位系統融合應用后，只需敷設一路線纜即可運行，在全礦范圍內節省了一路線纜，按電纜、光纜各5 萬m，電纜7 元/m，光纜6 元/m 計算，共節約材料費用5×7 ＋5×6=65 萬元。

（3）該系統性能穩定可靠、自動化程度高，只需一組人工即可完成檢修維護工作，這樣就節約了一組人工（5 人）。按每人每年薪資6 萬元計算，每年可節約人工費用5×6=30 萬元。

綜上所述，該融合應用系統累計效益：173.1+65+30=268.1 萬元。

4.2 安全效益、社會效益、潛在效益

（1）安全效益

該系統完善了該礦安全管理體系，加強了井下作業人員的安全管理。特別是精度極高的人員精準定位功能，解決了事故發生時的“找人難、難找人”問題，提高了應對突發事件時的事故應急處置能力，對實現的安全生產具有重要意義。

（2）社會效益

該系統技術先進，功能多樣，后續拓展能力強，后期可以把安全監控系統、考勤系統、井下應急廣播系統等系統加入其中，實現多系統的融合聯動，保證用戶系統增值，節省用戶投資，綜合效益明顯。該系統提高了該礦在事故發生時的救援能力，減少事故附加損失，降低社會負面影響。

（3）潛在效益

彭莊煤礦井下無線通信及工作面人員精準定位融合應用系統解決了彭莊煤礦缺少井下無線通信系統和人員定位不精、頭面限員管理困難等諸多問題，同時滿足了各崗位負責人、瓦檢員、安全檢查人員、流動崗位人員的通信需要，增強調度指揮能力，提高了工作效率。

該系統可對下井人員進行下井次數、時間等考勤信息分類統計，減少了出勤不出力現象，增加了工人的勞動效率。

5 結 論

井下無線通信及人員精準定位融合應用系統在實現高精度、高強度的井下實時定位與通信的基礎上，創新加入了超員報警功能。經優化設計后，該系統平穩運行，在提高各相關技術指標的同時，大幅度削減了經濟與人工成本。該系統支持多系統融合，后續工程逐漸實現了與安全監控系統、考勤系統、井下應急廣播等系統的聯動。