一種人員精確定位系統在金屬地下礦山的應用

＊孟航 韓宗

（1.河北冀拓應急科技有限公司 河北 050000 2.河北匯正工程技術有限公司 河北 050000）

礦山人員定位系統在礦山安全生產、事故應急救援和事故調查等方面發揮著重大作用。2010年開始，礦山人員定位系統從國家層面開始強制推行，2011年發布了建設規范[1]，2022年國家礦山安全監察局《礦安〔2022〕4號》規定金屬、非金屬地下礦山在基建過程中應當同步建立人員定位系統，同年7月《礦安〔2022〕88號》又將未建立人員定位系統或系統不符合規定列為重大事故隱患。2023年6月河北省實施了人員精確定位建設規范[2]。金屬地下礦山建立精確定位系統是發展趨勢。

金屬地下礦山目前采用基于RFID、Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等技術的方式實現人員定位，在適應井下環境、抗干擾能力和傳輸距離等方面顯現出不足，定位精度不能滿足精準定位要求[3]。小寺溝銅礦原采用ZigBee技術進行人員定位，定位精度為10m左右，為區域定位、無Wi-Fi通訊。本次利用UWB無線通信技術，采用“人員精確定位+區域定位+Wi-Fi6無線聯網”的形式建立金屬礦山井下人員定位系統，實現了人員定位和Wi-Fi通訊，提高了井上下溝通效率，為金屬地下礦山建立人員精確定位系統提供依據。

1.UWB精確定位技術

(1)UWB通信技術

通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，具有GHz量級的帶寬[4]。此技術在適應井下惡劣環境、抗干擾能力、傳輸距離、傳輸速率、定位精度等方面展現了很大的優勢[5]。

(2)UWB測距定位算法

以UWB無線通信技術為基礎，采用異步測時測距算法進行礦井精確人員定位，采用雙程測距算法進行人員區域定位。

①異步測時測距算法精確定位

兩個基站可通視，定位卡與兩個基站通視。分站A向定位卡M發送測距信號，定位卡M接收到信號，再發射信號，中間時間延遲為TM，定位卡M向基站A發射信號，并被接收。總用時為TAM，基站A的發送信號和接收信號時間為已知量，TAM為已知量。分站B收到分站A的測距信號后，發出測距信號，定位卡M收到測距信號后，進行測距，過程和基站A相同，得到TBM，信號傳播速度為c，TM為定位卡接收與發送信號的時間差，流程如圖1所示。

圖1 異步測時算法測距算法原理圖

由基站安裝位置幾何關系（如圖2）可知：

圖2 定位示意圖

根據公式（3）和公式（4）可知：

根據安裝基站的幾何位置和基站的測距可知人員的實際位置。

②雙程測距算法區域定位

雙程測距算法為異步測時測距算法的第一步，即公式（1）。

兩種定位方法均通過測距實現定位，均消除了要求定位基站之間、定位基站和定位卡之間時鐘嚴格一致的影響，定位精度實現厘米級[6]。

2.定位技術在企業應用

(1)小寺溝銅礦開拓系統

小寺溝銅礦采用斜坡道、平硐聯合開拓，有675m和615m兩個中段，665m、650m和630m三個分段。斜坡道XPD1直通615m中段，為主運輸斜坡道，負責礦巖運輸、材料下放任務。平硐PD1（675m標高）與675m中段直接相連，與其到達615m中段輔助斜坡道相連作為進風通道及主要行人安全出口。東風井位于礦體東翼端部下盤675m中段，并通過階段回風井聯絡615m中段。西風井位于礦體西翼端部下盤，井底到達675m中段，與平硐PD1內675m中段運輸巷道相連，作為西部回風井。采礦方法為無底柱分段崩落法采礦（如圖3）。

圖3 小寺溝銅礦井下開拓系統示意圖

(2)主要設備選擇

人員定位系統應取得礦用安全標志[7]，煤安設備可以應用于金屬、非金屬礦山。

①定位基站

KJ 686—F礦用定位基站集人員定位和Wi-Fi6信號于一體。識別距離：不小于400m；UWB無線傳輸速率：110kbps，850kbps，6.8Mbps；無線Wi-Fi傳輸速率1.2Gbps。

②標識卡

KJ 687—K型礦用標識卡采用充電鋰電池供電，具有緊急報警功能。待機時長為15天。

(3)系統建設

定位基站采用光纖連接，共建定位基站49個。平硐、斜坡道、輔助斜坡道、615m生產中段主運輸巷、675m中段和生產中段主巷采用進行人員精確定位，每隔100～200m布設一臺定位基站。各主要硐室內、東西風井口、掘進分段采用區域定位，布設一臺定位基站，定位基站均具備Wi-Fi6功能。

系統主干網采用千兆工業以太環網，采用各中段+監控室的環網建設思路，定位基站之間用光纖連接。采用監控室、675m中央變電室、615m水泵房配電室安裝在線式UPS（6K）的方式進行二級負荷集中供電。

(4)定位數據

基站安裝高度1.5m，定位天線位于巷道頂部3m位置，標識卡高度1.1m。區域定位為測定攜標識卡人員距單基站距離，從而確定人員是否在基站附近。精確定位為攜標識卡人員距兩基站距離，從而確定在巷道的具體位置。區域定位測定：單基站測定攜帶標識卡人員距基站的靜態定位數據如表1。精確人員測定：兩基站相距114.00m時，測得攜帶標識卡人員距兩基站的靜態定位數據如表2。

表1 攜標識卡人員距基站靜態定位數據

表2 攜標識卡人員距兩基站的靜態定位數據

區域定位單定位基站采用雙程測距算法進行定位，定位精度可達30cm以內。精確定位采用兩臺基站在井巷內測定人員位置，其人員攜帶的標識卡與兩定位基站天線在一條線上時，數據最為精準。數據誤差來源：①天線安裝高度和人員攜帶標識卡的高度已知，可通過公式矯正，但攜卡人員身高有一定差別。②巷道寬度對數據產生影響。靜態測距定位精度可到30cm以內，在井巷的位置定位精度根據實測在1m以內。

(5)Wi-Fi功能測試

采用華為P40手機，啟用iperf模式進行測試，測試結果見表3。

表3 基站Wi-Fi功能測試數據

(6)應用效果

系統建成后運行了3個月，運行平穩，主要中段及運輸巷實現了精確定位及Wi-Fi覆蓋，在井口和非生產中段及重要硐室實現了區域定位及Wi-Fi覆蓋。

3.結論

采用UWB無線通信技術，通過異步測時算法和雙程測距算法進行礦井人員精確定位和區域定位，并采用“人員精確定位+區域定位+Wi-Fi6無線聯網”的形式建立金屬礦山井下人員定位系統的方案是可行的。靜態測距定位精度能達到30cm以內，測定攜卡人員在巷道內位置定位精度在1m以內，Wi-Fi6帶寬穩定。整套系統建設符合國家標準、行業規范和河北政策要求，整體提升了小寺溝井下定位水平，保障了礦山的安全生產。下一步，小寺溝銅礦將開展裝載和運輸設備的智能控制與精確定位系統的融合工作，并在此網絡構架基礎上建設監測監控系統、通訊聯絡系統和應急廣播系統等，促進小寺溝銅礦數字化礦山和智慧化礦山的建設，進一步提升礦山生產效率。