高河能源井下精准人员定位系统的设计及应用分析

张浩

（潞安化工集团 高河能源有限公司，山西 长治 047100）

1 概 况

矿井人员定位系统作为煤矿井下安全避险“六大系统”之一，已经在矿山获得普遍应用，在人数统计、区域查询、考勤管理方面正发挥着越来越重要的作用。随着煤矿人员定位系统的发展，以及国家、地方对煤矿人员定位系统建设新要求、规范，各厂家也对人员定位技术不断升级。本文以高河煤矿为研究对象，分析了该矿现有定位系统存在的问题，开展了井下精准人员定位系统的总体设计及关键模块设计研究，通过将该系统进行应用测试，验证了该系统的可靠性及稳定性，解决了矿井环境下人员、车辆、设备等的精准定位难题，为实现精益化生产、精准化管控、精细化操作奠定了基础。

2 现有定位系统存在问题分析

高河煤矿当前井下人员定位系统整体存在精度不高、设备较老化、数据传输速度较慢等问题，主要现状分析如下。

（1）按照最新的相关规范，分站至主机之间最大传输距离应不小于10 km，但目前高河煤矿使用的太网RS485 总线通讯，不能满足10 km 通讯要求。

（2）按照相关规范，在电网停电后，备用电源应能保证系统连续监控时间不小于4 h。但目前使用的分站后备电源仅能维持1～2 h，不符合要求。

（3）在用系统的漏卡率、误码率较高，存在井下人员轨迹、考勤数据不完整的问题，达不到人员定位系统使用要求以及煤矿井下人员定位管理要求。

（4）按照相关规范，定位系统应与GIS 技术融合；宜与安全监控、应急广播、供电监控、煤炭产量监控、移动通信、视频监控、照明控制等系统融合。但现有煤矿在用定位系统未与GIS 技术融合，未与安全监控等系统融合。

3 定位系统总体方案设计

3.1 系统技术指标设计

系统采用UWB 技术，单基站一维定位精度达到20 cm，多基站二维定位精度达到稳定30 cm。系统采用大容量低功耗基站调度技术，基站单台可满足200 个终端同时定位，人卡终端续航400 h。

3.2 定位系统总体方案设计

系统的基础功能分为实时、历史、交互和信息管理4 个部分。为实现全矿井精确定位，系统在全矿井使用KJ251(A)-F2 矿用本安型读卡分站（融合读卡分站）、UWB 定位标识卡、FDY200 矿用移动式读卡器、本安型手机等设备。

在主斜井、副立井、回风立井的井口和井底、工作面的两端和中部等区域分别布置了KJ251(A)-F2 读卡分站。整个系统采用UWB 定位识别卡，该卡可进行供电，充满电后使用时间不小于30 d。在工作面顺槽口、掘进工作面巷道口各安装本安型显示屏1 台，用于显示该区域限员、报警信息及中心站下发信息，此次共需安设8 台本安型显示屏。

地面中心站包括监控主备机、系统管理软件、融合服务服务器、数据库服务器等，通过部署融合软件平台实现安全监控、应急广播等多系统联动。与传统的区域定位系统不同的是，此精准定位系统能够准确监测任意时刻、任意地点的人员、车辆位置，可以实现精确的车辆调度和违章监控，提高矿井的安全管理水平。

井下人员定位系统的主界面如图1 所示。

图1 井下人员定位系统的主界面Fig.1 Main interface of underground personnel positioning system

4 系统关键分模块设计

4.1 三率展示功能设计

基于精确的位置数据，系统融合环境监测和工况监测等数据，自动统计汇总各生产、运输队组的开机率、正规循环率和工时利用率，实现3 个统计率的数字化展现、统计、汇总、对比。在主界面右侧设置了三率展现区，如图2 所示。

图2 系统三率展示界面Fig.2 System three-rate display interface

4.2 分站选型

选用KJ251(A)-F2 矿用本安型读卡分站，工作电压12.0～25.0 VDC，工作电流≤1 000 mA，定位分站与标识卡的最大位移速度5 m/s，采用光纤传输，最大传输距离10 km，防护等级IP65，满足相关规范的要求。该分站集成常规定位读卡器、传输分站及无线通讯基站的功能，可实现UWB/Zigbee标识卡和信息矿灯的精确定位、双向通讯，信息矿灯的语音对讲信号采集、传输，本安型手机的无线通讯，配接读卡器的数据传输及Wifi 信号的覆盖。

4.3 电源选型设计

选用KDY660/15(A)矿用浇封兼本安型直流电源，工作电压90～900 VAC，工作电流≤0.2 A，电压波动范围75%～110%，输出1 路15 V 本安输出，防护等级IP54，整机重量≤5 kg。该仪器可应用于具有甲烷气体混合物及煤尘爆炸危险的煤矿井下，保证井下人员作业安全。

4.4 井下人员实时查询

可通过部门、职务、工种、卡号/姓名/工号等多种条件组合，针对性地查询特定条件的人员井下实时数据。查询结果以列表进行展示，展示数据包括卡号、姓名、部门、职务、工种、入井时间、入井时长、当前所在位置、当前位置所在时长、来源位置、班次、距离等，并可了解该人员的基本信息、本次入井轨迹和近期出勤情况等其它数据。井下人员实时查询界面如图3 所示。

图3 井下人员实时查询界面Fig.3 Real-time query interface of underground personnel

4.5 系统其他功能设计

根据高河煤矿井下人员作业需求，在井下人员定位系统中也设计了其他功能模块，主要包括如下内容。

（1）该系统能快速搜索任何人员、车辆的具体精确位置和运动状态，点击某一人员或车辆，弹出选择人员或车辆的详细信息，包含基本信息和当前状态信息。人员及车辆详情展示图如图4 所示。

图4 人员及车辆详情展示图Fig.4 Details of personnel and vehicles

（2）能实现车辆在全行程、全时域段的超速行驶、不按规定回车、违反行车不行人等规定的违规记录，并形成报表。

（3）系统全区域覆盖，可以实现真正意义上紧急状态下“一键呼叫”或“呼救”、一键撤离，能将指令传达到所选择的区域内的每一位人员，实现高效精准救援。

（4）通过精准定位系统，实现瓦斯监控系统同关键岗位人员的联动。当采煤工作面瓦斯达到预警值时，系统会向采煤机司机所佩戴的人员卡发出特定频率的震动信号。采煤机司机收到告警信号后停止采煤作业，并根据预案采取相应措施，保证生产安全。

（5）为了便于人员统计查询，系统开发了人数曲线、矩形、圆形、多边形区域内人员查询功能。通过目标区域的自由绘制统计实现划定区域内作业人员熟练的精确统计，达到精准管控的目的；通过人数曲线的直观展示，可精准掌控目标区域内各时段人员流量情况。

5 系统应用效果分析

为了验证系统可靠性，将设计的精准人员定位系统在高河煤矿进行了实践应用，并分析应用效果。

该系统安装运行以来，系统运行稳定良好，对矿井的安全生产管控起到了积极作用。一是系统能够实现精确的车辆调度和违章监控，杜绝了胶轮车司机超速行驶，司机不按规定会车、行车发生率下降了18%；二是能够实现在紧急状态下精准高效救援，提升矿井的安全管理能力；三是能自动统计汇总各生产队组的开机率、正规循环率（采煤机、掘进机每次割煤情况）和工时利用率（每名员工路途时长和工作面时长情况），实现“三个统计率”在队组值班室电脑上数字化展现、统计、汇总、对比，为各队组开展工作对标，提高“三率”提供了真实可靠的依据。

经过对比，公司综采队组的正规循环率提高了10%，掘进队组的正规循环率提高了16.7%，提升了公司的精益化生产、精准化管控、精细化操作“三精”管理水平，提升对比见表1。

表1 三率管理正规循环率提升对比Table 1 Comparison of normal circulation rate improvement in three rate management

6 结 语

随着信息技术的高速发展，井下人员定位系统在实践中不断迭代更新。采用更加先进的定位技术及监控手段，能更好的实现对井下人员的实时定位及安全保障。在分析高河煤矿现有井下人员定位系统存在的问题基础上，从多个方面开展了井下人员定位系统的设计。通过实际应用可知，该系统运行良好，整体智能化程度高，系统功能全面，井下不合规发生率降低18%，公司综采队组的正规循环率提高了10%，掘进队组的正规循环率提高了16.7%，提升了公司的精益化生产、精准化管控，保证了井下作业人员的生命安全。