新型人员精确定位系统及其在唐阳煤矿的应用

王传林

（山东裕隆矿业集团有限公司唐阳煤矿，山东 济宁 272500）

为遏制煤矿井下超定员生产，避免或减少煤矿重特大事故发生，早期建设的基于RFID的区域人员定位系统，能够实现对出入井及井下某一特定区域人员的数量统计，能够大体上确定人员在井下所经过的轨迹，不能够实时统计井下作业人员的精确位置，不能够完全满足井下应急救援和安全生产的需要。

唐阳煤矿作为全国139处冲击地压矿井之一，积极探索井下作业人员的高精度定位，引进了基于以太网传输的KJ251A精确人员定位系统，努力构建面向全矿井服务的位置实时服务平台，为井下目标提供精准的位置和导航服务，为矿井的防灾避灾和安全生产提供可靠的保障。

1 系统设计

1.1 系统总体设计

系统主要由监控计算机、系统软件、井口唯一性检测装置、人员定位分站、精确定位读卡器、人员标识卡、工业以太网平台等组成，如图1所示。

图1 精确定位系统结构示意图

1.2 系统设计原理

（1）在井下巷道内布置精确定位读卡器，使相邻两台读卡器间距300m，每台读卡器具有独自的位置信息和逻辑信息，这些读卡器在地面软件被对应地标注为绝对位置。

（2）读卡器和标识卡采用TOF时差测距测量方法，周期性计算电磁波在读卡器和标识卡之间的飞行时间t，可计算出二者之间的距离：

D=ct/2

式中：

c-电磁波传播速度，c=3×108m/s。

由此读卡器和标识卡之间的相对距离，测距误差小于3m。

（3）分站主通讯采用光纤传输，分站与读卡器之间采用3路独立的RS485传输，保证了精确定位数据在3s周期内及时传输至地面中心站，满足实时定位需要。

1.3 关键技术设计

1.3.1 唯一性检测

KJ251A-WY2井口唯一性检测装置，采用图像识别技术、短距离识别技术及唯一性检测算法等技术，提升煤矿企业出入井人员智能高效管理水平，杜绝煤矿出入井人员不带卡、带坏卡、替代卡、多带卡以及无资格人员入井等类似事件发生，实现出入井人员数量的准确统计、身份确认、入井资格验证，确保紧急情况下能够快速确定井下人员数量和身份。唯一性装置功能逻辑图如图2所示。

图2 唯一性装置功能逻辑图

1.3.2 井下精确定位技术

采用微功耗技术、无线射频功放技术、PCB微带天线技术和定向天线技术，设计了定位同步机制、多卡防碰撞机制、低功耗运行模式、标识卡优化安装，线选用高性能的平板定向天线，能够实现单台精确定位读卡器在煤矿井下覆盖范围不小于600m，且能够准确判断标识卡移动方向，在覆盖范围内，对井下动态目标进行实时定位跟踪,定位精度小于3m。

1.3.3 井下宽带传输分站

井下宽带传输分站含有3个千兆光纤接口、2个RJ45接口、3个RS485接口、1个电源接口。主芯片为LPC1766处理器，其是LPC1700系列ARM（Cortex-M3）微控制器，速度高达120MHz。LPC1700系 列ARM有 高 达512kB Flash、96kB SRAM、12位A/D和10位D/A转换器以及1个内部RC振荡器。如图3所示。

工业交换机处理器RTL8306E，采用CoOS操作系统，高度可裁剪性，最小系统内核仅974Byte，支持优先级抢占和时间片轮转，支持自适应任务调度算法，

堆栈溢出检测，信号量、邮箱、队列、事件标志、互斥等同步通信方式，支持多种编译器，ICCARM、ARMCC、GCC。

图3 分站内部逻辑框图

2 唐阳煤矿现场应用

唐阳煤矿按要求进行设备安装布置，地面调度中心机房安装两台人员定位主机，形成“一主一备、双机热备”模式，调度室安装人员定位客户端，实施井下人员实时监测，安有UPS不间断电源，保障可持续供电。

（1）井口安装KT251A-WY2入井人员唯一性检测装置，负责对入井人员携带KJ251A-K3精确定位卡完好性和数量进行准确判断。人像比对服务器安装在地面调度中心机房，通过网线与人员定位主机实现互联互通，进行数据共享。

（2）共安装了14台KJ251A-F光分站，其中地面副井口1台，井下安装了13台，分别装在副井底分站、23绞车房、-410泵房、-410一号联络巷、-410五号联络巷、23中车场、二采区变电所、二采区南部拓展区、二采区南部轨道巷、北翼检修斜巷、63猴车上平台、13绞车房、六采区变电所等地方。分站通过光纤接入井下矿用交换机，保障数据实时上传。

（3）共安装了60台矿用本安型精确定位读卡器，其中，地面副井口2台，井下各区域58台，能够完成井下40km以上范围内的无线信号覆盖。单台读卡覆盖范围既能够判断标识卡移动的方向，还能够精准地测量标识卡与读卡器之间的距离，彻底解决以往区域定位难以解决的准确判断人员出入井下分支巷道不准确的难题。60台读卡器涵盖了井下所有的巷道、硐室、重点区域、限制区域等场所，便于实时统计当前井下区域人数及实时分布情况。

（4） KJ251A-K3矿用本安型精确定位卡有两种固定方式，分别是灯绳卡和腰带卡。为便于管理，该矿采用融合佩戴的方式，少量人员采用腰带卡，大量人员采用灯绳卡方式。

3 系统主要先进功能

3.1 井人精准人卡合一与多卡快速就地报警

（1）在地面入井通道口对出入井人员携带标识卡完好性能进行检验，避免入井人员不携带标识卡或携带坏卡入井；

（2）能够在井口对出入井人员携带标识卡数量进行自动全身扫描检测，发现多张卡进行就地报警，避免一人携带多张卡入井；

（3）在地面井口主动对人员人脸进行采集，判断是否是本人入井，避免替代标识卡入井；

（4）在入口的液晶显示器上显示入井人员实时视频信息、比对结果、姓名、卡号及标识卡状态等信息；

（5）与人员定位系统关联，确保考勤信息准确无误；

（6）人脸信息和标识卡信息比对成功后，能够输出道闸控制信号，限制不带卡人员或带多卡人员通行；

（7）能够实时记录不符合规范的入井人员信息，便于统计、查询；

（8）具备专用的唯一性检测通道装置，装置能够对待检人员提示“前进”和“等待”；

（9）比对快速准确，平均人员通过时间≤4s，多卡检测准确率≥98%，入井人像识别通过率≥99%。

3.2 单读卡器大范围信号覆盖

矿用本安型读卡器无线覆盖距离可达600m，通过若干读卡器就可以保证巷道信号全覆盖。如图4所示。

图4 读卡器覆盖统计

3.3 实时连续的周期性定位准确定位

采用独特的TOA技术，保证调度指挥中心可以随时知道井下矿工的精确位置，数据误差在5m以内，良好条件下达3m以内。射频信号在煤矿井下展现了良好的适应性，抗干扰能力强，数据传输链路稳定，即使在多卡并发的情况下，也能够保障数据采集的准确性和连续性。读卡器定位连续性统计见表1。

表1 读卡器定位连续性统计

3.4 实时了解人员具体位置

采用光传输分站，数据传输可以达到100MBPS级别，一台分站可携带8台读卡器。井下设备采集的数据实现了秒级传输，除非光纤终端外，没有出现数据堆积形成延迟取数情况。

3.5 强大的数据分析统计

系统具备强大的管理功能，主要由用户管理、实时定位、精准统计、双向功能、考勤管理、员工管理、轨迹回放、系统帮助等模块构成。系统能够实时对下井人员入井时间、升井时间进行统计，实时对各单位人员下井班数、班次等情况进行监测和分类统计，实时对井下各监测区域工作人员的数量和分布情况进行分类统计，能够自动汇总、存储、自动生成报表和打印以上各信息。数据支持实时查询，随时查询单独人员、班组、区队、部门、矿领导下井情况。考勤管理可按班组、区队、部门分级汇总统计、查询、打印。

4 结语

唐阳煤矿新型精确人员定位系统采用TOF、独创的唯一性检测装置、全身扫描判断多卡及就地报警、宽带传输分站、低功耗、多卡防碰撞等技术，创造性实现了井下高性价比的无线信号大范围覆盖，定位精度为5m以内，更精准、更实时地了解井下人员动态。该系统功能齐全、技术先进，提高了煤矿出入井人员智能管理水平，促进了煤矿安全生产。