煤矿作业人员定位系统设计应用*

申彦芬

(晋能控股煤业集团 煤峪口矿技术部，山西 大同 037041)

0 引 言

随着煤矿资源的大量开采，保证作业人员的生命安全，提高煤矿开采效率已成为当前重要的关注焦点。在煤矿中建立一套高精度的人员定位系统，是保证井下作业人员安全性的重要任务。当前，虽部分企业在矿井中安装了人员定位系统，但系统具有定位精度低、功能单一、无智能化显示、可扩展性较差等问题，无法更好的保证人员的作业安全，较难从根本上避免安全事故的发生[1]。为此，在分析人员定位系统建设必要性基础上，从总体方案、人员位置管理系统、三维图像显示等方面，开展了矿井中高精度人员定位系统的设计研究，通过在同忻煤矿井中进行应用测试，验证了该定位系统的可靠性及智能化，更好的保障了人员的作业安全，方便了企业对作业人员的系统化管理，具有较好的应用推广价值。

1 定位系统应用的必要性分析

2019年4月应急科信办发布的《应急管理信息化2019年第一批地方建设任务书》中要求：煤矿应接入包括工业视频监控数据、安全监控数据(含瓦斯抽采(放)监控数据)、井下作业人员管理数据、重大设备监控数据、矿压及冲击地压监测数据、水文地质监测数据、供电监控数据、井下运输监控数据等在内的数据感知系统。

同忻煤矿的煤层顶底板及固岩一般属半坚硬至坚硬岩石，工程地质条件良好，属简单类型，瓦斯含量总体较低，但局部较高，各煤层煤尘均具有爆炸危险性，除2号煤层属不易自燃外，其余煤层均为易自燃煤层[2]。由于同忻煤矿井下的特殊环境，一旦无法对井下作业人员作业位置及身体状态进行实时监控，极大可能受到生命安全的严重威胁。因此实现井下开采人员的精准定位，已成为当前该煤矿中重要的任务之一。只有设计一套高精度的人员定位系统，才能在出现人员事故时，快速采取相关措施对人员进行解救，以此保障井下作业的安全性。

2 高精度人员定位系统总体方案设计

根据矿井中人员定位系统的建设需求，在满足《煤矿安全规程》(现行2016版)等相关规定前提下，进行了矿井中人员定位系统的方案设计。该系统主要包括地面中心站、系统软件、双机热备软件、多功能基站、人员定位分站、读卡器、人员识别卡、矿用隔爆电源等部分，系统内部技术采用UWB定位技术，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及顺槽、掘进工作面；按照1:1的三维立体矿图，与真实比例的三维地理信息系统配合，可扩展出大量应用，提供多系统融合及联动报警接口[4]。系统整体采用了多功能基站，提供以太网络光口、电口、CAN、485、433、WIFI等多种国际标准接口，为现有矿井升级改造及多系统融合提供了充足的空间。另外，该系统的传输方式为：系统主干网传输采用工业以太环网方式，分站或基站与主干网之间采用工业以太网；分站(基站)和读卡器之间采用以太网、RS485传输；系统容量：系统接入读卡器(基站)数量512台，识别卡数量65 000个。另外，通过虹膜或人脸识别技术和近距离读卡技术结合，实现井口的唯一性识别检卡功能，杜绝多带卡、替代卡、无卡入井等情况发生。

3 定位系统关键模块设计

3.1 人员位置管理分系统

人员位置管理系统是整个定位系统中的核心分系统，主要利用GIS技术汇总煤矿井下CAD图及井下巷道信息，可以任意360°自由旋转、图面放大、缩小的三维3D电子地图，能直观地反应出矿井整体和各个不同工作层面的立体结构图、并显示出井下巷道的坡度、深度、实际长度等各种重要管理信息[5]。其中，GIS全景动态视图作为显示平台，用GIS地图将矿山以三维立体界面显示，能够实时显示井下各水平、各采区、各工作面人员、设备的精确位置信息，及3D GIS与2D GIS的一体化。同时，该子系统提供了多系统融合及联动报警接口，GIS系统应提供与监测监控系统、语音广播系统、电力系统、通讯系统、视频监控系统等多个系统的融合联动接口。KJ98(A)精确人员位置管理分系统如图1所示。

图1 KJ98(A)精确人员位置管理分系统示意图

3.2 三维图形显示模块设计

人员定位三维图形用于显示人员井下分布和设备状态。系统具备二维和三维图形展现功能。地面中心站实时展示井下各水平、各采区、各工作面人员、设备等的位置信息，采用具有精确三维坐标GIS平台，展现上述精确位置信息。二维、三维地图要有可维护性，能够自行导入CAD或其他常用格式的地图数据。地图导入后，系统能够继承原有位置及坐标。三维图形显示如图2所示。

3.3 自诊断模块设计

当系统中分站、传输接口等设备发生故障时，报警并记录故障时间和故障设备，以供查询及打印。设备运行异常报警：系统监测到设备运行异常状态时能够主动触发地面中心站和WEB界面声光报警装置。当系统中心站双机热备、数据存储出现故障时，系统能够发出报警，中心站应在5 min内自动切换到备机运行；并诊断各通讯模块运行状况。同时，能够显示读卡器、分站或基站工作状态、供电状态及通讯状态。当系统分站、基站、电源、读卡器、标识卡异常时，系统能够在中心站和WEB上发出声光报警提示并在设备栏显示不同颜色告警。

图2 三维图形显示图

3.4 分站电源和识别卡管理模块设计

此功能模块主要是对关键设备如分站、电源和识别卡等进行管理，当识别卡电量过低时，系统提前告警，通知相关人员及时更换电池,在系统软件和井口显示系统中均能查询；当分站故障时，系统将给出告警，方便及时发现问题并解决；系统具备智能电源管理功能。当分站交流电出现中断时，系统告警区域会出现设备交流电中断告警，便于维护人员及时处理。系统管理模块的显示界面如图3所示。

图3 管理模块的显示界面

4 人员定位系统的应用效果分析

根据所建立的高精度人员定位系统，将该系统在同忻煤矿中进行了将近4个月的测试。在测试时间内，该系统运行正常，能正确的将人员作业位置、个人信息、作业时间、行驶路径等信息通过定位系统、三维显示界面进行实时显示，图4为作业人员误入报警界面图。在未经允许的作业人员将禁止进入作业区，在显示界面中将发出相应的报警提示。同时，该人员定位系统能与整个煤矿监控中心进行集中控制，有效完善了智能化矿山的建立。经过与原有结构相比，该系统具有更高的定位精度，监控范围更广，人员发生的安全事故率整体下降60%，管理部分对人员的集中管理性也更加系统方便，整套系统具有重要的应用推广价值。

图4 作业人员误入报警界面图

5 结 语

根据智能化矿山建立发展目标，实现对矿井中人员定位系统的升级设计，成为当前重要的改进方向。为此，开展了矿井中人员定位系统的总体方案、关键子系统等方面的设计研究，通过对该系统进行实际应用验证，得出：该定位系统精度更高，稳定性更好，智能化程度更高，人员的安全事故率整体降低60%以上，企业管理更加方便，大大提高了矿井的作业效率及人员作业安全性，在各大煤矿中具有重要的推广应用价值。