井工煤礦實時地理圍欄管控系統研究

摘 要：文章設計并實現了一個用于井工煤礦的實時地理圍欄管控系統。該系統通過建立虛擬的地理邊界來遠程監控和檢測物體在這些區域內的移動情況，通過結合地理信息技術、室內三維定位技術和流式計算框架，開發了適用于井工煤礦環境的實時地理圍欄管控系統。解決了井工煤礦的定位坐標系問題、三維定位問題以及海量定位數據的實時處理問題三個技術難點。系統經過在神東煤炭集團石圪臺煤礦的實際應用，能夠顯著提高煤礦作業區域的安全管理水平，通過精確的地理圍欄設定和實時位置監控，能夠有效預防事故發生，提升作業人員的安全。此外，系統具有廣泛的應用潛力，可以在更多礦區推廣使用，以提升整個行業的安全管理水平。

關鍵詞：室內定位；地理圍欄；流式計算；實時定位系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）16-0069-05

Research on Real-time Geofencing Management and Control System for Mine Work in Coal Mines

Abstract： This paper designs and implements a real-time geofencing management and control system which is used for mine work in coal mines. The system remotely monitors and detects the movement situation of objects within these areas by establishing virtual geographic boundaries. And it develops a real-time geofencing management and control system suitablywPqotRNbPyUzgnMO79pSh0jrAEzKJ+yoOQaH5tKG8=le for the environment of mine work in coal mines by combining geographic information technology， indoor 3D location technology and stream computing framework. The system solves three technical difficulties of the problem of location coordinate system， the problem of three-dimensional location， and the problem of real-time processing of massive location data for mine work in coal mines. After practical application in ShiGeTai Coal Mine of Shendong Coal Group， the system can significantly improve the safety management level of the coal mine operation area， effectively prevent accidents and enhance the safety of the operators through accurate geofencing setting and real-time location monitoring. In addition， the system has extensive application potential， and can be popularized and used in more mining areas to improve the safety management level of the whole industry.

Keywords： indoor location; geofencing; stream computing; real-time location system

0 引 言

當煤層離地表遠時，一般選擇向地下開掘巷道采掘煤炭，這類煤炭開采方式通常稱為井工煤礦。由于深入地下作業的危險性，井工煤礦通常需要更嚴格的安全措施，來實現對工作人員和設備的實時監控，提高礦井開采的安全性。

地理圍欄（Geofencing）是一種基于位置的服務（Location Based Service， LBS），它使用全球定位系統（GPS）或其他無線定位技術來定義地理上的虛擬邊界。這項技術主要用于監控和管理特定區域內的移動設備或人員的活動[1]。

目前，地理圍欄技術已經廣泛應用于工業園區管控，工廠巡檢等地面重點設施的日常安全檢查工作中[2]。

但是由于井工煤礦的橫跨地上地下的地理特性，地理圍欄技術在井工煤礦中尚無成熟的應用。本文結合使用地理信息技術、室內定位技術和流式計算框架，將地理圍欄技術引入地下，實現基于地理圍欄的煤礦安全生產管控系統。

1 地理圍欄在井工煤礦生產中的作用

1.1 人員安全管控

由于地下煤礦開采作業的危險性，井工煤礦有一系列區域在指定條件下禁止工作人員進入的作業要求。這些具體的禁止區域就表現為地理圍欄，例如在采煤機運行過程中，綜采工作面機頭機尾禁止人員進入。主運大巷皮帶機非行人側禁止進入。煤礦采空區禁止人員進入。深度到達6 m的盲巷禁止人員進入等。

1.2 車輛安全管控

除了設置禁止入內的區域外，地理圍欄還能設置禁止外出的區域。以井下煤礦運人車為例，各礦均會規劃一條或多條運人車的行駛路線，通常稱為合規行駛路線，這些行駛路線在幾何上表現為一個或多個不規則多邊形[3-4]。當運人車駛離該合規路線的地理圍欄時，地理圍欄系統應及時向調度指揮中心發出告警。

1.3 設備安全管控

隨著煤礦智能化建設的不斷深化，越來越多的自動化采掘設備或機器人運行于井下煤礦生產作業中。典型的如無人駕駛梭車、無人駕駛鏟車等。這些無人駕駛設備會在自身周邊建立一個一定距離的地理圍欄，作為設備運行的一個安全閾值，當有工作人員在設備運行期間闖入設備周邊的地理圍欄時，地理圍欄系統應即時發出警報，避免更進一步的傷害的可能[5]。

除此以外，由于各類智能化無人設備貴重，為了更好地管理這些設備，通常調度指揮中心還會繪制設備的地理圍欄，即設備僅能在一定區域內工作，避免出現設備丟失、設備失聯等問題[6]。

1.4 安全導覽管理

深度智能化的煤礦，不僅是一個煤炭生產單位，也是一個智能化學習交流的場所。以神東某礦的某大采高工作面為例，該礦該工作面年接待參觀學習交流人員超兩萬名，通過地理圍欄系統，可以對參觀學習交流人員進行更好的導覽管理[7]，提高參觀人員的安全性，同時也降低對煤礦正常生產的影響。

2 地理圍欄應用于井工煤礦的難點

雖然地理圍欄系統在井工煤礦中有諸多應用，但是由于井工煤礦深入地下的特殊的地理結構，井工煤礦的地理圍欄系統的建設面臨三大難點：

2.1 地面地下坐標系統不統一

地理圍欄的數據基礎來自煤礦廣泛布設的人員定位系統。目前煤礦人員定位系統普遍使用ZigBee或UWB定位技術。井工煤礦的人員定位系統使用的坐標系通常不是大地坐標系，而是自定義的工程坐標系或地方坐標系，難以與大地坐標系聯系。而井工煤礦又是一個橫跨地面地下的復雜人工建筑物。通常需要對地面材料廠、庫房、設備房與地下的各類設施進行統一的地理圍欄管理。地面坐標系統和井下坐標系統的不統一嚴重制約了地理圍欄系統的應用范圍，甚至會導致地面地下兩套系統的重復建設。

2.2 開采深度問題

井工煤礦是一個復雜的地面地下人工三維建筑體。不管是設置禁止入內的地理圍欄還是禁止外出的地理圍欄，圍欄僅能在指定的開采水平生效，即地理圍欄應僅作用于指定深度。具體而言，在31煤（開采深度200 m）設置地理圍欄不應作用于上層22煤（開采深度100 m）或12煤（開采深度50 m），即使他們在平面坐標上基本重合。而目前井工煤礦布設的人員定位系統，僅能返回二維坐標，返回的高度坐標不具有測量意義。因此如何改造現有的定位系統，使之返回具有合理意義的能表明所在開采深度的測量值，是決定井工礦地理圍欄是否實際可用的重要條件[8-9]。

2.3 海量時空數據的實時處理問題

煤礦人員定位系統上報的含有時間戳和坐標的人/車定位數據統稱為時空數據，時空數據的重要性隨時間遞減。也就說，只有盡快地監測到了人員、車輛違反地理圍欄規則的行為，才能最大限度提高安全生產能力。而目前各煤礦雖然在減員增效的大背景下，以一個年產千萬噸的大型井工煤礦為例，每日在井下的工作人員仍有400人到600人，井下的各類作業車輛70至80輛，井下自動化采掘設備數10個。按照煤礦作業安全規程，人員定位系統應每秒上報位置信息，因此地理圍欄系統每秒需要處理1 000條的時空數據，且需要在秒級完成坐標匹配與轉換，闖入或離開地理圍欄等時空分析操作，才能滿足井工煤礦實時安全監管的需求[10-16]。

3 技術方案

3.1 地上地下統一定位

井工煤礦不僅包括地下的不同深度的開采水平，還包括地面上一系列附屬設施，主要包括地面站房、車輛停放站房、地面配電室、地面水泵房等。這些地面重點區域決定了井下的供水、供電、通風等至關重要的基礎設施的運行，因此通常也需要通過地理圍欄來進行監控和管理。

在地面上，人們通常使用GPS/北斗衛星定位系統來獲取實時位置。這類衛星定位系統獲得坐標通常是WGS84/國家2 000坐標系下的經緯度坐標。然而在井下，建立在ZigBee/UWB技術上的人員定位系統通常獲取的是工程坐標系或自定義坐標系的坐標，無法與地面上的定位數據坐標系融合。

為了解決該問題，本文通過在井口處選擇了三個同名點，如圖1所示，分別計算這三個點在GPS/北斗經緯度坐標系的坐標。然后再在這三個點上掛載定位卡，計算在人員定位系統的工程坐標系下的坐標。通過這三個同名點的不同坐標，即可計算兩種坐標系下的坐標轉換參數，實現地上地下一體化的坐標統一。

3.2 井工煤礦分層定位

目前井下的人員定位系統，一般通過TDOA算法來獲取定位卡的坐標位置。但是由于礦井的地理特性，定位基站在高程方向上無法拉開距離，構建一個高強度的三維定位網絡。因此即使定位卡能夠接收到4個以上定位基站的信號，通過TDOA算法生成的高程Z坐標不具有準確的測量精度。

由于ZigBee/UWB的定位特點和井工礦長巷道的地理特點，導致現有的人員定位系統，從定位組網原理上，無法獲取準確的高程Z軸坐標。傳統的人員定位系統的應用領域對高程Z軸坐標并無需求，但是在地理圍欄場景下，會導致上層的物體闖入不同層級的地理圍欄的誤報現象，如圖2、圖3所示。用戶在22煤開采水平設置了一個地理圍欄，但是由于現有的煤礦定位系統無法返回準確的高程信息，因此活動在22煤下方的31煤的人員和車輛會錯誤的觸發上層的22煤地理圍欄。

為了解決這個問題，本文使用上行定位的手段，即在礦區地面機房布設位置解算服務器。定位基站接收到定位卡的數據后，將基站ID，定位卡ID，RSSI值，利用井下布設的5G網絡，發送到地面的位置解算服務器，由位置解決服務器統一計算定位卡位置。

圖4為位置解算示意圖。位置解算服務器在獲取到定位基站發送的數據后，首先根據標準的TDOA算法流程，構建定位卡最大RSSI值的四個定位基站數據，獲取定位基站的坐標，最后使用最小二乘算法求取定位卡的位置坐標。所不同的是，在獲取定位卡的坐標后，會基于定位網絡所使用的基站位置數據，獲取定位卡所在的開采水平，作為定位卡當前位置的Z軸坐標。

3.3 基于事件驅動和流式計算框架的實時地理圍欄

傳統的地面上的地理圍欄應用場景，如貨車禁止駛入路段等，是一種后處理的過程。即貨車已經闖入禁止的地理圍欄一段時間后，系統才會發出告警信息。此類地理圍欄處理系統一般使用一個定時的批處理任務，比如在每日凌晨1點對上一日的所有貨車軌跡數據和地理圍欄數據進行空間相交計算，獲取圍欄限行規則的貨車數據。

而對于煤礦生產場景來說，由于地下煤礦開采作業的危險性，需要一種能夠盡量實時地對違反地理圍欄規則的情況進行處理和告警的機制。本文使用事件驅動架構和分布式流式計算框架，將人員定位系統上報的實時位置數據作為一個數據流來進行處理，圍繞著違反地理圍欄的事件來構建整個系統的數據流。

在上游數據來源層面，本文使用Apache NIFI來實時地從位置解算服務器上抽取位置數據，然后發布到Apache kafka消息隊列，作為實時的位置消息。

之后，本文使用Apache Flink流式計算框架，根據位置數據的定位卡號，將位置分配到Flink的多個計算節點。計算節點是所有計算邏輯發生的物理區域，計算節點首先會對位置數據進行坐標修改，將工程坐標系下的定位坐標，根據第一步求解到的坐標變換參數，進行坐標變換到經緯度下的大地坐標。然后不斷地判斷位置坐標是否違反了地理圍欄的規則，若違反，則輸出到錯誤信息表中進行告警。

最后，本文使用Spring Boot框架搭建了地理圍欄數據服務，告警信息數據服務等后端接口，系統整體架構如圖5所示。

4 實踐案例

上述地理圍欄管控系統已部署到神東煤炭集團旗下石圪臺煤礦，石圪臺煤礦是一所位于陜西省神木市境內的一個大型煤礦。該礦占地面積65.2 km2，煤炭儲量63 526.4萬噸，具有8個不同深度可采煤層，目前的主采煤層為12、22、31煤層。石圪臺煤礦于2006年正式投產，年產煤1 200萬噸，現有工作人員1 693人。

目前，石圪臺煤礦為確保生產安全，排除安全隱患，設置了井下周期性巡檢任務，將煤礦井下劃分為多個巡檢區域，要求各級領導，各作業區隊隊長，隊員根據自身工作范圍，按照每日、每周、每旬、每月的不同時間周期對礦井進行安全巡檢。除了安全巡檢外，由于煤炭開采中會釋放煤層中蘊含的瓦斯氣體（一類以甲烷為主的有毒有害氣體的總稱），為了實時測定礦井中各處瓦斯濃度，同樣劃分了多個瓦斯測量區域。該煤礦設置了專職瓦斯測量員崗位，同時也從作業區隊中選取隊員兼職瓦斯測量員，對井下數百個區域進行瓦斯測量，測量周期從每4小時一次到每QdMJVQzBeSfQbON6NtHdx71Dermx+FTxVdKgBmZBGRs=日一次不定。然而，由于缺少可行的監管手段，無法確保巡檢人員和瓦斯測量人員都切實履行了巡檢測量任務，缺檢，漏檢現象時有發生，對煤礦安全生產造成隱患。

此外，煤礦井下的道路進行日常維修保養時也會封路。此外，在運輸重型采煤設備如液壓支架，采煤機等設備到井下深處的采煤工作面的時，由于設備占地面積大，也需要對運輸路線進行封路，保證設備運輸安全。目前這類需求仍然是司機和地面調度室通過電話進行信息通報，極易成為信息孤島，導致井下其他司機和工作人員無法及時獲悉道路封堵情況。除臨時性地理圍欄外，井下的水泵房，變電所等重要設施是一個永久性的地理圍欄，這些區域僅允許指定員工進入，當其他無關人員進入時系統也需要實時報警。

綜合分析上述煤礦生產的具體業務需求，可分為臨時性地理圍欄和周期性地理圍欄兩類，對于臨時性地理圍欄，煤礦管理者通過系統頁面可任意繪制地理圍欄作用區域，如圖6所示，當有人員或車輛在指定的時間范圍內圍欄了地理圍欄規則后，系統會實時的輸出報警信息，如圖7所示。對于周期性地理圍欄檢查需求，系統可靈活的設置檢查周期，按照煤礦管理要求，設置巡檢周期，之后，系統會按照設置的巡檢周期，自動化進行地理圍欄判斷，確保這類巡檢任務得到真實有效徹底的執行，并輸出對應結果報表，如圖8所示，從而進一步保證煤礦生產的安全性。

5 結 論

本文探討了如何將地理圍欄技術，在位置服務（LBS）中應用于井下煤礦生產的安全監控中，并著重解決了以下核心問題：

1）通過聯合使用GPS/北斗定位和井下定位系統對同名控制點聯系測量的方式構建了井工煤礦的地上地下一體化坐標系統，將地面的大地坐標系統引入到了煤礦井下定位系統中。

2）區別于GPS/北斗定位系統的下行定位，在礦區地面布設位置解決服務器，通過邊緣計算的方式，采用上行定位的計算過程，為井下定位系統的解算位置賦予開采煤層深度信息，實現了井下煤礦的分層定位。

3）針對井下定位系統上報的海量時空數據和實時性的位置監控需求，使用事件驅動架構和分布式計算框架Flink，構建了一套近實時的地理圍欄管控系統，以滿足煤炭生產中的安全監管需求。

在解決了以上問題的基礎上，本文以神東煤炭集團石圪臺煤礦的為試點，將地理圍欄技術應用于該礦的日常生產監管業務中。通過實地驗證表明，地理圍欄技術可以實現煤礦井下道路封禁管理，井下變電所，水泵房等重點區域禁入管理以及井下安全巡檢圍欄監管等對煤礦安全生產極為重要的監管業務，通過部署和使用實時地理圍欄管控系統，可以顯著地提升了煤礦生產的安全管理水平，為確保煤礦作業的安全性提供了有力的技術支持。

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