煤礦作業人員定位系統設計應用*

申彥芬

(晉能控股煤業集團 煤峪口礦技術部，山西 大同 037041)

0 引 言

隨著煤礦資源的大量開采，保證作業人員的生命安全，提高煤礦開采效率已成為當前重要的關注焦點。在煤礦中建立一套高精度的人員定位系統，是保證井下作業人員安全性的重要任務。當前，雖部分企業在礦井中安裝了人員定位系統，但系統具有定位精度低、功能單一、無智能化顯示、可擴展性較差等問題，無法更好的保證人員的作業安全，較難從根本上避免安全事故的發生[1]。為此，在分析人員定位系統建設必要性基礎上，從總體方案、人員位置管理系統、三維圖像顯示等方面，開展了礦井中高精度人員定位系統的設計研究，通過在同忻煤礦井中進行應用測試，驗證了該定位系統的可靠性及智能化，更好的保障了人員的作業安全，方便了企業對作業人員的系統化管理，具有較好的應用推廣價值。

1 定位系統應用的必要性分析

2019年4月應急科信辦發布的《應急管理信息化2019年第一批地方建設任務書》中要求：煤礦應接入包括工業視頻監控數據、安全監控數據(含瓦斯抽采(放)監控數據)、井下作業人員管理數據、重大設備監控數據、礦壓及沖擊地壓監測數據、水文地質監測數據、供電監控數據、井下運輸監控數據等在內的數據感知系統。

同忻煤礦的煤層頂底板及固巖一般屬半堅硬至堅硬巖石，工程地質條件良好，屬簡單類型，瓦斯含量總體較低，但局部較高，各煤層煤塵均具有爆炸危險性，除2號煤層屬不易自燃外，其余煤層均為易自燃煤層[2]。由于同忻煤礦井下的特殊環境，一旦無法對井下作業人員作業位置及身體狀態進行實時監控，極大可能受到生命安全的嚴重威脅。因此實現井下開采人員的精準定位，已成為當前該煤礦中重要的任務之一。只有設計一套高精度的人員定位系統，才能在出現人員事故時，快速采取相關措施對人員進行解救，以此保障井下作業的安全性。

2 高精度人員定位系統總體方案設計

根據礦井中人員定位系統的建設需求，在滿足《煤礦安全規程》(現行2016版)等相關規定前提下，進行了礦井中人員定位系統的方案設計。該系統主要包括地面中心站、系統軟件、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、礦用隔爆電源等部分，系統內部技術采用UWB定位技術，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及順槽、掘進工作面；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配合，可擴展出大量應用，提供多系統融合及聯動報警接口[4]。系統整體采用了多功能基站，提供以太網絡光口、電口、CAN、485、433、WIFI等多種國際標準接口，為現有礦井升級改造及多系統融合提供了充足的空間。另外，該系統的傳輸方式為：系統主干網傳輸采用工業以太環網方式，分站或基站與主干網之間采用工業以太網；分站(基站)和讀卡器之間采用以太網、RS485傳輸；系統容量：系統接入讀卡器(基站)數量512臺，識別卡數量65 000個。另外，通過虹膜或人臉識別技術和近距離讀卡技術結合，實現井口的唯一性識別檢卡功能，杜絕多帶卡、替代卡、無卡入井等情況發生。

3 定位系統關鍵模塊設計

3.1 人員位置管理分系統

人員位置管理系統是整個定位系統中的核心分系統，主要利用GIS技術匯總煤礦井下CAD圖及井下巷道信息，可以任意360°自由旋轉、圖面放大、縮小的三維3D電子地圖，能直觀地反應出礦井整體和各個不同工作層面的立體結構圖、并顯示出井下巷道的坡度、深度、實際長度等各種重要管理信息[5]。其中，GIS全景動態視圖作為顯示平臺，用GIS地圖將礦山以三維立體界面顯示，能夠實時顯示井下各水平、各采區、各工作面人員、設備的精確位置信息，及3D GIS與2D GIS的一體化。同時，該子系統提供了多系統融合及聯動報警接口，GIS系統應提供與監測監控系統、語音廣播系統、電力系統、通訊系統、視頻監控系統等多個系統的融合聯動接口。KJ98(A)精確人員位置管理分系統如圖1所示。

圖1 KJ98(A)精確人員位置管理分系統示意圖

3.2 三維圖形顯示模塊設計

人員定位三維圖形用于顯示人員井下分布和設備狀態。系統具備二維和三維圖形展現功能。地面中心站實時展示井下各水平、各采區、各工作面人員、設備等的位置信息，采用具有精確三維坐標GIS平臺，展現上述精確位置信息。二維、三維地圖要有可維護性，能夠自行導入CAD或其他常用格式的地圖數據。地圖導入后，系統能夠繼承原有位置及坐標。三維圖形顯示如圖2所示。

3.3 自診斷模塊設計

當系統中分站、傳輸接口等設備發生故障時，報警并記錄故障時間和故障設備，以供查詢及打印。設備運行異常報警：系統監測到設備運行異常狀態時能夠主動觸發地面中心站和WEB界面聲光報警裝置。當系統中心站雙機熱備、數據存儲出現故障時，系統能夠發出報警，中心站應在5 min內自動切換到備機運行；并診斷各通訊模塊運行狀況。同時，能夠顯示讀卡器、分站或基站工作狀態、供電狀態及通訊狀態。當系統分站、基站、電源、讀卡器、標識卡異常時，系統能夠在中心站和WEB上發出聲光報警提示并在設備欄顯示不同顏色告警。

圖2 三維圖形顯示圖

3.4 分站電源和識別卡管理模塊設計

此功能模塊主要是對關鍵設備如分站、電源和識別卡等進行管理，當識別卡電量過低時，系統提前告警，通知相關人員及時更換電池,在系統軟件和井口顯示系統中均能查詢；當分站故障時，系統將給出告警，方便及時發現問題并解決；系統具備智能電源管理功能。當分站交流電出現中斷時，系統告警區域會出現設備交流電中斷告警，便于維護人員及時處理。系統管理模塊的顯示界面如圖3所示。

圖3 管理模塊的顯示界面

4 人員定位系統的應用效果分析

根據所建立的高精度人員定位系統，將該系統在同忻煤礦中進行了將近4個月的測試。在測試時間內，該系統運行正常，能正確的將人員作業位置、個人信息、作業時間、行駛路徑等信息通過定位系統、三維顯示界面進行實時顯示，圖4為作業人員誤入報警界面圖。在未經允許的作業人員將禁止進入作業區，在顯示界面中將發出相應的報警提示。同時，該人員定位系統能與整個煤礦監控中心進行集中控制，有效完善了智能化礦山的建立。經過與原有結構相比，該系統具有更高的定位精度，監控范圍更廣，人員發生的安全事故率整體下降60%，管理部分對人員的集中管理性也更加系統方便，整套系統具有重要的應用推廣價值。

圖4 作業人員誤入報警界面圖

5 結 語

根據智能化礦山建立發展目標，實現對礦井中人員定位系統的升級設計，成為當前重要的改進方向。為此，開展了礦井中人員定位系統的總體方案、關鍵子系統等方面的設計研究，通過對該系統進行實際應用驗證，得出：該定位系統精度更高，穩定性更好，智能化程度更高，人員的安全事故率整體降低60%以上，企業管理更加方便，大大提高了礦井的作業效率及人員作業安全性，在各大煤礦中具有重要的推廣應用價值。