崔振杰 楊 晴

（山東能源臨礦集團(tuán)菏澤煤電公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700）

2019 年11 月16 日，山東省煤礦安全監(jiān)察局發(fā)文《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術(shù)要求（試行）》（下稱《技術(shù)要求》），規(guī)定山東省內(nèi)所有煤礦，2020 年3 月底前完成人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)建設(shè)工作，并規(guī)定“系統(tǒng)應(yīng)支持多系統(tǒng)融合，應(yīng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)與安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)的融合”。

目前省內(nèi)大部分煤礦的人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)均為獨(dú)立系統(tǒng)，未能融合聯(lián)動(dòng)，且人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)仍采用落后的ZigBee 定位技術(shù)、485 有線通信技術(shù)，不僅定位效果差、通信質(zhì)量低，而且成本高昂、維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[1-3]。為堅(jiān)決杜絕類似“梁寶寺火災(zāi)事故”等安全事故的發(fā)生，并提高事故應(yīng)急處理能力，彭莊煤礦提前布局，在山東省煤監(jiān)局下文前即開始著手建設(shè)煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)，并規(guī)劃其與井下通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行融合聯(lián)動(dòng)。

1 融合應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

1.1 多系統(tǒng)融合

融合應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)用了行業(yè)領(lǐng)先的UWB 精確定位技術(shù)、WIFI 通信技術(shù)，定位效果好，通信質(zhì)量高，人員精準(zhǔn)定位的靜態(tài)定位精度能夠達(dá)到30 cm。并且融合基站留有數(shù)個(gè)功能拓展接口，后期可以把安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)加入其中，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)。通過人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)共用統(tǒng)一基站，實(shí)現(xiàn)人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的融合應(yīng)用。

該系統(tǒng)由人員精確定位系統(tǒng)、井下無線通信系統(tǒng)融合應(yīng)用而成，現(xiàn)共有94 個(gè)分站，每個(gè)分站由融合基站、本安電源、定位天線、無線天線、光纖熔接盒等組成。系統(tǒng)電源引就近電源，網(wǎng)絡(luò)使用井下萬兆環(huán)網(wǎng)。現(xiàn)選取該系統(tǒng)的一個(gè)分站作為展示，如圖1。新建融合應(yīng)用系統(tǒng)的無線通信部分實(shí)現(xiàn)了井上下WIFI 信號(hào)全覆蓋，配合礦用本安防爆手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了井下、井上下的實(shí)時(shí)通信。

圖1 融合應(yīng)用系統(tǒng)分站

1.2 極高精度定位功能

融合應(yīng)用系統(tǒng)除采用現(xiàn)階段最新的UWB 精確定位技術(shù)外，還采用了最前沿的數(shù)字傳輸技術(shù)、GIS 地理識(shí)別技術(shù)等前沿技術(shù)，使采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面人員定位精度達(dá)到了1 m，其他重要地點(diǎn)人員定位精度不超過3 m，全面達(dá)到了《技術(shù)要求》規(guī)定。

1.3 超員報(bào)警及聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

融合應(yīng)用系統(tǒng)在各頭面限員管理站安裝超員報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)了超員報(bào)警，并在調(diào)度室實(shí)時(shí)顯示各超員報(bào)警站信息。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了彭莊煤礦原有的唯一性檢卡及井口LED 顯示設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示井下作業(yè)人員信息，并可根據(jù)區(qū)隊(duì)/科室或區(qū)域等顯示井下人員信息，如圖2。

圖2 聯(lián)動(dòng)監(jiān)測裝置

1.4 施工過程中的硬件整合

項(xiàng)目實(shí)施過程中，因系統(tǒng)元件過多、井下條件復(fù)雜，相關(guān)設(shè)備的安裝效果一度達(dá)不到礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。在此情況下，彭莊煤礦調(diào)度室施工人員利用舊電纜槽單獨(dú)制作背板70 余塊，成功將兩系統(tǒng)元件整合在一起，整合后的系統(tǒng)干凈整潔，效果良好，達(dá)到了礦安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2 融合應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)及傳輸方式

系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用萬兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，分站至主干網(wǎng)采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)，分站至讀卡器采用無線傳輸方式。

2.2 精準(zhǔn)定位技術(shù)

人員精準(zhǔn)定位技術(shù)采用UWB 定位技術(shù)中的ToF 測距技術(shù)（基于飛行時(shí)間測距—Time Of Fligh），如圖3。該技術(shù)是一種適用于煤礦巷道空間的雙向測距技術(shù)，主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)(Transceiver)（或被反射面）之間往返的飛行時(shí)間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖3 ToF 測距技術(shù)（基于飛行時(shí)間測距——Time Of Fligh）原理圖

（1）可以單基站進(jìn)行測距，確定人員位置；

（2）兩個(gè)基站即可確定人員行進(jìn)方向，這是Zigbee 等傳統(tǒng)定位技術(shù)所實(shí)現(xiàn)不了的。

2.3 技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)容量

系統(tǒng)可接入讀卡器（基站）數(shù)量不小于512 臺(tái)，識(shí)別卡數(shù)量不小于65 000 張。

（2）系統(tǒng)巡檢周期

系統(tǒng)最大巡檢周期不超過5 s。

（3）定位刷新頻率

標(biāo)識(shí)卡的定位刷新頻率可調(diào)。采掘工作面定位刷新頻率滿足人員定位精度要求。

（4）定位精度

系統(tǒng)在理想狀態(tài)下靜態(tài)定位精度可達(dá)30 cm，動(dòng)態(tài)定位精度不超過3 m。

采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面人員定位精度達(dá)到1 m，其他地點(diǎn)人員定位精度不超過3 m。

（5）無線傳輸距離

分站（基站）、讀卡器與標(biāo)識(shí)卡之間無線傳輸距離不小于400 m。

（6）標(biāo)志卡電源

精確定位識(shí)別卡采用電池供電，通過識(shí)別卡的超低功耗與智能節(jié)電設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)正常使用12月以上。

3 融合應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行情況

3.1 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于菏澤煤電公司彭莊煤礦，運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn)，情況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 實(shí)現(xiàn)效果

（1）無線通信部分

實(shí)現(xiàn)了井上下WIFI 信號(hào)全覆蓋，配合礦用本安防爆手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了井下、井上下實(shí)時(shí)通信，提高了井下人員工作效率。

（2）人員精確定位部分

① 實(shí)現(xiàn)了對(duì)入井人員的精確定位跟蹤（定位精度最高達(dá)30 cm）、報(bào)警求助、預(yù)警救援、考勤統(tǒng)計(jì)、區(qū)域禁入、歷史數(shù)據(jù)記錄查詢以及唯一性檢測等各項(xiàng)功能，極大增強(qiáng)了該礦的安全管理能力，同時(shí)解決了傳統(tǒng)的“找人難、難找人”問題，這對(duì)提高該礦的事故應(yīng)急處置能力具有重要意義。

② 創(chuàng)新加入了超員報(bào)警功能，解決了頭面限員管理困難問題。

4 融合應(yīng)用系統(tǒng)的效益產(chǎn)出

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）不采用融合系統(tǒng)，單獨(dú)施工無線通信系統(tǒng)、人員精確定位系統(tǒng)，按每套200 萬元計(jì)算，則合計(jì)費(fèi)用400萬元。采用的融合應(yīng)用系統(tǒng)價(jià)格226.9萬元，節(jié)約煤礦安全費(fèi)用400-226.9=173.1 萬元。

（2）井下無線通信系統(tǒng)與人員精確定位系統(tǒng)融合應(yīng)用后，只需敷設(shè)一路線纜即可運(yùn)行，在全礦范圍內(nèi)節(jié)省了一路線纜，按電纜、光纜各5 萬m，電纜7 元/m，光纜6 元/m 計(jì)算，共節(jié)約材料費(fèi)用5×7 ＋5×6=65 萬元。

（3）該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高，只需一組人工即可完成檢修維護(hù)工作，這樣就節(jié)約了一組人工（5 人）。按每人每年薪資6 萬元計(jì)算，每年可節(jié)約人工費(fèi)用5×6=30 萬元。

綜上所述，該融合應(yīng)用系統(tǒng)累計(jì)效益：173.1+65+30=268.1 萬元。

4.2 安全效益、社會(huì)效益、潛在效益

（1）安全效益

該系統(tǒng)完善了該礦安全管理體系，加強(qiáng)了井下作業(yè)人員的安全管理。特別是精度極高的人員精準(zhǔn)定位功能，解決了事故發(fā)生時(shí)的“找人難、難找人”問題，提高了應(yīng)對(duì)突發(fā)事件時(shí)的事故應(yīng)急處置能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)的安全生產(chǎn)具有重要意義。

（2）社會(huì)效益

該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，功能多樣，后續(xù)拓展能力強(qiáng)，后期可以把安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)加入其中，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的融合聯(lián)動(dòng)，保證用戶系統(tǒng)增值，節(jié)省用戶投資，綜合效益明顯。該系統(tǒng)提高了該礦在事故發(fā)生時(shí)的救援能力，減少事故附加損失，降低社會(huì)負(fù)面影響。

（3）潛在效益

彭莊煤礦井下無線通信及工作面人員精準(zhǔn)定位融合應(yīng)用系統(tǒng)解決了彭莊煤礦缺少井下無線通信系統(tǒng)和人員定位不精、頭面限員管理困難等諸多問題，同時(shí)滿足了各崗位負(fù)責(zé)人、瓦檢員、安全檢查人員、流動(dòng)崗位人員的通信需要，增強(qiáng)調(diào)度指揮能力，提高了工作效率。

該系統(tǒng)可對(duì)下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、時(shí)間等考勤信息分類統(tǒng)計(jì)，減少了出勤不出力現(xiàn)象，增加了工人的勞動(dòng)效率。

5 結(jié) 論

井下無線通信及人員精準(zhǔn)定位融合應(yīng)用系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高精度、高強(qiáng)度的井下實(shí)時(shí)定位與通信的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新加入了超員報(bào)警功能。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，在提高各相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，大幅度削減了經(jīng)濟(jì)與人工成本。該系統(tǒng)支持多系統(tǒng)融合，后續(xù)工程逐漸實(shí)現(xiàn)了與安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。