煤矿井下人员定位管理系统关键技术

煤矿井下人员定位管理系统关键技术

李哲 ,李振宇

安居煤矿  山东省济宁市 272000

摘要：煤矿是我国的主要能源之一，定位管理系统可以为煤矿安全管理提供有力支持，但目前市场上的人员定位系统仍存在一定的问题和不足，例如标识卡及功耗大等方面的问题，读卡器的抗干扰能力难以满足煤矿安全管理需求，这会给煤矿安全管理带来不利影响。针对这种情况，应结合煤矿井下安全管理需求，根据无线电波传输特性，加强关键技术研究，推动技术水平的提升，增强定位管理系统的完善性，保障煤矿安全管理的成效。

关键词：管理系统；煤矿；人员定位；关键技术

引言

为了能给煤矿安全高效生产提供更好的数据支撑，还需要更好地应用大数据分析工具、利用人工智能算法对不断积累的数据进行深度挖掘分析，以实现目标位置服务驱动的煤矿安全生产智能预警、动态诊断及辅助决策，促进矿井业务流程优化再造。

1现有定位系统存在问题分析

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10km，但目前煤矿使用的太网RS485总线通讯，不能满足10km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4h。但目前使用的分站后备电源仅能维持1～2h，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。

2煤矿井下人员定位管理系统

2.1有线数据传输平台

为提升线路的容错通讯能力，应将双环自愈式通讯网络作为地面监控中心与井下防爆交换机连接的光纤，借助自愈是通讯网络，能够更好的保障信息系的传输效果和效率，确保地面监控中心能够及时掌握和了解井下人员的相关信息。除此之外，还应将半双工的RS485作为井下交换机与井下定位分站之间的通讯方式。为保证人员定位分站作用的发挥，需要为其配备不间断的专用防爆电源。人员定位分站，一方面要接收入井人员信息，另一方面还需要负责将信息上传至地面监控中心。如果二者的通讯不畅或者通讯中断，导致信息无法及时上传，则人员定位分站会自动储存相关信息，待与地面监控中心的通讯恢复之后再上传，确保信数据信息的完整性。

2.2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读卡分站。整个系统采用UWB定位识别卡，该卡使用电池供电，更换电池后使用最长时间是18个月。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6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。

2.3平台整体架构设计

智能化综合管控平台通过底层泛在传感网络进行数据采集，并接入矿井人－机－环－管等要素各种状态信息，具备数据统一接入、集成与边缘处理功能，并赋予接入的数据以位置属性，以此为纽带对各子系统业务数据进行融合与联动分析。位置数据来源于２个方面，人员、运输车辆等实时移动类目标位置数据由实时定位监测系统提供，智能化采煤机、掘进机等移动类设备采用自带的定位数据；非实时移动类目标位置数据由矿井ＧＩＳ提供，如固定设备类位置源自定期更新的设备布置图坐标，灾害源监测探头仪表类位置源自安全监测系统布置图坐标。以构建ＧＩＳ“一张图”平台为基础，以地理位置为关联，集成安全监测监控类系统、生产过程自动化类系统、辅助生产类系统及业务管理信息化类系统等数据信息，建立智能化综合管控平台，通过对各子系统数据进行融合分析，实现矿井生产过程集中监测、预警联动控制、安全精准感知、分级报警、应急联动以及门户应用等。该管控平台基于统一数据标准、工业互联网和微服务架构，采用“云、边、端”协同模式部署，覆盖煤矿安全、生产、调度、经营等业务领域，贯通智能生产执行层与智能控制层数据通道，实现生产集中控制和安全监测融合、管控协同。

2.4无线定位技术

无线定位过程可分为2步：①获取无线通信系统所使用的某种物理量，并将其转换为时间、角度、信号强度等定位信息。②建立数学模型，利用某种算法进行定位求解。显然，无线定位的第1步与无线通信系统耦合，可视为ILWC发展中的初始阶段，因此，部分研究进展将在第3节阐述。本节仅对基于数学模型的定位计算方法研究进展进行总结。在假设已经存在被定位目标和参考节点之间信息的条件下，定位计算方法可分为模式匹配法和数值计算法两大类，后者包括基于距离信息、基于角度信息及基于上述2种信息融合的方法。通常是在离线阶段根据定位场景的细节特征建立指纹库，在定位阶段只需将实时定位场景信息与指纹库匹配，即可估算出目标位置。常用作指纹信息的有接收信号强度值（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）、到达角（AngleofArrival，AOA）等。数值计算法是将定位问题构建成方程组，求解非线性方程组在评价指标最小化时的解。

2.5煤矿井下人员及设备智能监控系统

(1)应用效果明显。本套系统设计完后首次应用于国内某家煤矿，从上位机中可以实时采集到矿工和设备的位置信息，利用高清摄像机采集井下工作环境工况和设备的运行状况，尤其是当发生矿难时能够准确定位各个矿工的位置，便于进行救援，具有显著的应用效果。(2)自动化水平高、实用性强。当前煤矿事故频频发生，煤矿井下复杂的环境为救援工作增加了难度，同时井下人员的分布未知导致救援不及时，采用本套智能监控系统可以实现矿井工人的精确定位，实用性较强，不仅可以应用在煤矿领域，还可以应用在道路和隧道施工等工程中，系统自身的自动化水平较高，可实现全域安全运行和管理。

结语

矿山人员定位系统采集了各工种人员的出入井信息、区域信息、轨迹信息、超时信息、求救信息等，这些数据的有效性和真实性对安全生产和应急救援起到至关重要的作用。“煤矿安全风险监测预警系统”平台的建设基于矿山这些数据的归集，使得监察工作又多了一种方式。做好本地数据与平台数据的比对与分析，及时协助程序开发人员修改相应程序，保持数据的一致性，为矿山企业的安全生产，以及监管部门的远程监察及风险防控起到积极的作用。

参考文献

[1]孙继平,李晨鑫.基于TOA技术的煤矿井下人员定位精度评价方法[J].2019,42(3):66-68+72.

[2]刘焱,刘传文,黄小民.浅谈KJ277井下人员定位管理系统在煤矿的应用[J].2020(35):1196.