露天礦山爆破施工現(xiàn)場(chǎng)人員監(jiān)管系統(tǒng)研究

白 爽，楊 巍，陳偉華，白 宇＊

（成遠(yuǎn)礦業(yè)開(kāi)發(fā)股份有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111299）

提高爆破工作人員安全管理能力，保障爆破生產(chǎn)工作安全進(jìn)行，是礦山工程建設(shè)中的首要問(wèn)題。過(guò)去，在進(jìn)行爆破活動(dòng)之前，礦山安全管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)獲取爆破工作人員身份和位置信息，“喊話式”的人員撤離通知辦法效率低且信息傳達(dá)范圍小，使得人員安全的管理工作存在盲目性，易引發(fā)重大事故。隨著我國(guó)礦山建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的人員安全管理方法已無(wú)法滿足需求，礦山爆破工作亟需一種高精度、高效率、大范圍的人員安全管理技術(shù)。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)測(cè)量定位技術(shù)日益成熟，基于無(wú)人機(jī)的測(cè)繪、遙感、攝影測(cè)量等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山建設(shè)工作中。王昆[1]等介紹了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在礦業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，指出與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方法相比，利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)結(jié)合GPS定位技術(shù)進(jìn)行礦山作業(yè)的相關(guān)信息采集過(guò)程，具有明顯的效率和精度優(yōu)勢(shì)。任艷麗[2]等提出使用測(cè)繪無(wú)人機(jī)，可在各類災(zāi)害救援中提供多源數(shù)據(jù)和輔助決策。這也為礦山爆破的設(shè)計(jì)和管理工作提供了方法。

為解決爆破人員安全管理工作存在的效率低、效果差等問(wèn)題，建立了爆區(qū)工作人員定位管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LoRa通訊技術(shù)和4G通訊網(wǎng)關(guān)作為通訊平臺(tái)，結(jié)合無(wú)人機(jī)人員定位技術(shù)，對(duì)爆區(qū)工作人員身份信息、行動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取和共享。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)，消除了傳統(tǒng)管理方法存在的漏洞和隱患，極大地降低了爆破生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，為礦山工程建設(shè)的順利開(kāi)展提供了重要參考。

1 人員活動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人員位置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)是機(jī)載人員識(shí)別技術(shù)、GPS定位技術(shù)以及多功能信息顯示的人機(jī)交互系統(tǒng)。采用無(wú)人機(jī)搭載人員定位模塊，對(duì)爆破工作區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，機(jī)載定位模塊感應(yīng)并識(shí)別作業(yè)人員佩戴的定位標(biāo)簽，獲取人員位置信息，并通過(guò)4G傳輸模塊將監(jiān)測(cè)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)管部門，信息顯示端將人員實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡等信息在爆破作業(yè)區(qū)域的特定地圖上顯示。

1.2 人員定位技術(shù)原理

在無(wú)人機(jī)持續(xù)巡航并獲取作業(yè)人員位置等相關(guān)信息的被動(dòng)式測(cè)量技術(shù)上，加上定位模塊，感應(yīng)并識(shí)別爆區(qū)作業(yè)人員定位標(biāo)簽，位置信息地獲取由GPS定位系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)差分計(jì)算，快速獲取位置信息。其包含五個(gè)重要模塊，原始數(shù)據(jù)讀取模塊、基站單點(diǎn)偽距定位模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、RTK定位解算模塊、結(jié)果輸出模塊[1]。

整個(gè)系統(tǒng)最重要的模塊為RTK定位解算模塊，通過(guò)已知整周模糊度的整數(shù)特性并建立雙差觀測(cè)方程，再由高斯最小二乘法得到基線向量和整周模糊度向量的浮點(diǎn)解，然后進(jìn)行整周模糊度搜索[1]，可以得到基線向量的固定解。雙差模型通過(guò)衛(wèi)星間做差，消除了地面接收站間的時(shí)鐘差，對(duì)比單差方程，雙差方程的未知數(shù)明顯減少。

同時(shí)觀測(cè)n個(gè)衛(wèi)星時(shí)，觀測(cè)方程個(gè)數(shù)為n-1，未知數(shù)為n-2個(gè)，無(wú)法進(jìn)行求解，此時(shí)需要觀測(cè)多個(gè)歷元，m個(gè)歷元可構(gòu)成m（n-1）個(gè)觀測(cè)方程，觀測(cè)開(kāi)始時(shí)，觀測(cè)方程個(gè)數(shù)幾乎與待定未知數(shù)個(gè)數(shù)不相上下。目前利用GPS載波相位定姿需要較長(zhǎng)的初始化時(shí)間來(lái)確定整周模糊度。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 數(shù)據(jù)采集

利用RTK（載波相位差分技術(shù)）獲取路徑的精確坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在相同地點(diǎn)分別利用人員卡與手機(jī)定位獲取坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)比計(jì)算得出人員卡的定位精度。將RTK、人員卡、手機(jī)測(cè)得坐標(biāo)數(shù)據(jù)繪制成路徑圖像，

如圖1所示，可以看出，RTK測(cè)得的數(shù)據(jù)與人員卡坐標(biāo)數(shù)據(jù)相對(duì)平緩，且誤差相差較小。而手機(jī)定位坐標(biāo)與兩者相差較遠(yuǎn)，且位置變化曲線呈階梯狀，數(shù)值波動(dòng)性較大。因此人員卡定位精度要優(yōu)于手機(jī)精度，而略低于RTK定位精度。

圖1 RTK、人員卡及手機(jī)坐標(biāo)精度對(duì)比

2.2 定位精度分析

圖2 晴天陰雨天對(duì)定位精度的影響

通過(guò)對(duì)陰天、晴天等不同天氣8次采樣，每次44個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)同一地點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，可以看出，晴天時(shí)候定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差在最高在3.36以內(nèi)，平均誤差在左右。陰天時(shí)候誤差標(biāo)準(zhǔn)差在4.35，平均誤差2.7m。說(shuō)明陰雨天氣對(duì)定位精度有一定的影響。

圖3 不同時(shí)段對(duì)定位精度的影響

通過(guò)對(duì)早上8：00、中午12：00、晚上18：00三個(gè)時(shí)間段8次采樣，每次采樣30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)同一地點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，可以看出從早到晚誤差標(biāo)準(zhǔn)差在分別為2.9、2.8、2.9，平均誤差均在2.3m左右，說(shuō)明不同時(shí)間按段對(duì)于定位精度影響不大。

圖4 不同建筑環(huán)境對(duì)定位精度影響

通過(guò)采集不同地址環(huán)境下的定位數(shù)據(jù)，選取了學(xué)校、城市、礦山3種場(chǎng)景進(jìn)行多次采樣，每次58個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，三個(gè)地點(diǎn)誤差標(biāo)準(zhǔn)差依次為2.5、3.2、3.0，平均誤差依次為2.24m、2.64m、2.46m，可以推斷出，城市高樓大廈等設(shè)施對(duì)定位精度有一定影響，整體表現(xiàn)滿足需求。

3 結(jié)論

通過(guò)定位模塊、數(shù)據(jù)收集網(wǎng)關(guān)以及云數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)、智能軟件等分別構(gòu)建出人員監(jiān)管的硬件和軟件系統(tǒng)搭配方案，通過(guò)對(duì)不同天氣、不同時(shí)間、不同地質(zhì)環(huán)境下的人員監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算出其定位精度在2.24m～2.7m，基本滿足精確定位需求，利用人員活動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)技術(shù)與爆破警戒預(yù)警技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，形成的爆破施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)人員監(jiān)管技術(shù)的智能化管理手段，達(dá)到先進(jìn)且智能化的管理水平，實(shí)時(shí)掌握作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，可有效避免潛在危險(xiǎn)的發(fā)生以及為事故后的應(yīng)急救援工作提供信息化輔助手段，促進(jìn)礦場(chǎng)的安全生產(chǎn)。