王國亮
摘要:煤炭開采行業(yè)是長期以來的高危行業(yè),在惡劣的地層下開展煤炭開采面臨著瓦斯、水災(zāi)、爆炸等安全生產(chǎn)事故的威脅。在煤礦惡劣的環(huán)境中,對安全生產(chǎn)提出了更高的要求,其中對于作業(yè)人員的保護(hù)應(yīng)排在首位,應(yīng)及時(shí)對礦井人員進(jìn)行精確定位,能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)有效地聯(lián)系、救援等相關(guān)需求。針對目前現(xiàn)有礦井作業(yè)人員定位系統(tǒng)的缺陷,分析了目前常用的定位技術(shù)方法,總結(jié)出井下作業(yè)人員定位的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了基于SDS-TWR定位技術(shù)的礦井井下作業(yè)人員的高精度定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,SDS-TWR定位技術(shù)能夠精確地對井下作業(yè)人員進(jìn)行定位。
關(guān)鍵詞:煤礦;定位系統(tǒng);人員;高精度
中圖分類號:TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1009—9492(2021)03—0247—03
0引言
煤炭資源一直是我國的主要能源,根據(jù)近期對能源儲(chǔ)量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得出煤炭儲(chǔ)量的總占比接近95%。在富煤、少油氣的能源大環(huán)境下,可以推測得出,在未來很長的時(shí)間段內(nèi),煤炭將繼續(xù)作為我國能源的主要形式而存在。然而作為我國主要的能源物資,在大力開發(fā)煤炭資源的同時(shí),也對在煤炭開采過程中的安全生產(chǎn)提出了更嚴(yán)格的要求。雖然目前隨著煤炭現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的開啟,各地高科技現(xiàn)代化開采設(shè)備也在不斷地應(yīng)用于煤炭開采過程中,但是真正實(shí)際執(zhí)行決策操作的還是礦井作業(yè)人員,如何保障作業(yè)人員的生命健康安全是煤礦行業(yè)技術(shù)人員所應(yīng)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。煤礦企業(yè)在對作業(yè)人員進(jìn)行日常安全監(jiān)管時(shí),必須及時(shí)掌握人員的位置,了解每個(gè)作業(yè)人員的工作動(dòng)態(tài)以及工作軌跡,便于在發(fā)生緊急情況時(shí)可以采取有效的措施,精確完成救援工作。為了高精度地實(shí)現(xiàn)對人員的精確定位,需借助目前先進(jìn)的定位方法,但目前煤礦企業(yè)常用的定位技術(shù)方法均存在一定的缺陷。通過查閱相關(guān)資料,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況的情況下,得出了采用SDS-TWR定位技術(shù)設(shè)計(jì)出礦井井下人員定位系統(tǒng)。在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果得出了該定位系統(tǒng)能夠高精度地完成對礦井作業(yè)人員的定位,為促進(jìn)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展以及礦井作業(yè)技術(shù)人員定位技術(shù)研究提供了依據(jù)。
1煤礦井下測距方法
1.1定位特點(diǎn)
定位特點(diǎn)如下:
(1)礦井內(nèi)各個(gè)開采巷道分布廣泛,每一個(gè)分支的長度都比較長,某個(gè)巷道的長度最長可以達(dá)到10km,對于礦井內(nèi)作業(yè)人員的定位需覆蓋工作面的每一個(gè)角落,因此相比于在地上進(jìn)行定位具有更高的難度;
(2)礦井內(nèi)的設(shè)備復(fù)雜,具有較多的機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備,例如掘進(jìn)機(jī)、帶式輸送機(jī)、支撐設(shè)備等,各類設(shè)備均會(huì)對定位信號產(chǎn)生偏差,要求對作業(yè)人員的信號能夠?qū)崿F(xiàn)非視距傳輸;
(3)信號在礦井巷道內(nèi)傳播,容易受到巷道的截面形狀、地層屬性、地質(zhì)構(gòu)造、表面粗糙程度等因素的不利影響,會(huì)對定位信號的無線傳播造成衰減影響,并且影響的機(jī)理復(fù)雜多變,無法有效通過技術(shù)進(jìn)行根本性控制;
(4)煤礦井下有易燃易爆的氣體,要求礦井內(nèi)的所有電氣設(shè)備均為防爆型設(shè)備;
(5)電磁波在礦井無法進(jìn)行有效傳播,在戶外的GPS等定位設(shè)備無法應(yīng)用于地下的人員定位,因此在技術(shù)的應(yīng)用方面具有局限性;
(6)礦井環(huán)境惡劣,具有煤炭粉塵顆粒濃度大、工作面溫度和濕度較高等特點(diǎn),嚴(yán)重制約了定位設(shè)備相關(guān)部件選型的范圍。
1.2定位方法研究
通過對目前常用的定位技術(shù)進(jìn)行研究,得出了每個(gè)技術(shù)的短板。AOA定位技術(shù)方法主要是用于在無障礙物的環(huán)境進(jìn)行測距,在礦道分布復(fù)雜且彎曲的地質(zhì)形態(tài)內(nèi)無法進(jìn)行使用。TOA技術(shù)方法所受到的巷道環(huán)境影響較小,理論上可以應(yīng)用于井下作業(yè)人員的定位,但是要求定位卡與分站進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步,在技術(shù)和成本上要求較高,經(jīng)濟(jì)性不好。然而SDS-TWR技術(shù)方法不要求定位卡與分站進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步,同時(shí)可以降低整個(gè)系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度,這種異步測時(shí)法在進(jìn)行礦井人員定位時(shí)能夠具有更高的自由度,因此選用SDS-TWR技術(shù)方法作為礦井人員測距定位的方法。
2定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
2.1功能要求
煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)的功能要求如下。
(1)人員實(shí)時(shí)精確定位功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員位置實(shí)時(shí)監(jiān)測與精確定位功能,包括掘進(jìn)巷道和采煤工作面等重點(diǎn)區(qū)域。
(2)數(shù)據(jù)處理與報(bào)警功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員定位數(shù)據(jù)處理與報(bào)警功能,如礦井及重點(diǎn)區(qū)域超定員判別與報(bào)警功能、進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域判別與報(bào)警、超時(shí)作業(yè)判別與報(bào)警、定位卡唯一性檢測與報(bào)警、違章乘坐皮帶判別與報(bào)警、與膠輪車和電機(jī)車近距離(不含乘坐)判別與報(bào)警、特種作業(yè)人員巡檢路線與時(shí)間判別與報(bào)警等。
(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員定位歷史信息查詢和統(tǒng)計(jì)功能。
(4)顯示與打印功能。系統(tǒng)應(yīng)具有礦井人員位置、路徑和有關(guān)信息顯示與打印功能。
(5)信息和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)應(yīng)具有井下人員定位相關(guān)信息管理功能,包括信息添加、修改和更新等功能。
(6)監(jiān)控服務(wù)功能。系統(tǒng)應(yīng)支持現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。
2.2總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)分為井上部分和井下部分,井上部分包括監(jiān)控終端、各數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等;井下部分包括定位卡、定位分站和礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。
2.3定位分站設(shè)計(jì)
高精度定位系統(tǒng)的定位分站設(shè)計(jì)如圖2所示,其中為確保數(shù)據(jù)處理計(jì)算的精確性,應(yīng)選用高性能的處理器,處理器型號選擇為西門子公司所生產(chǎn)的A13X新型處理器,該類型的處理器功耗較低,適用于工業(yè)環(huán)境。由于高精度定位系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量較大,針對儲(chǔ)存單元采用型號為26CC11的存儲(chǔ)單元。
通過設(shè)置定位芯片與天線相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)通訊單元的構(gòu)架,通過配置摩托羅拉公司的DD1200芯片,使整個(gè)通訊支持IEEE802.15.4協(xié)議內(nèi)容,為了防止內(nèi)部芯片的相互干擾,采用機(jī)殼外置式的陶瓷天線。
由于礦井內(nèi)作業(yè)環(huán)境惡劣,對于電源設(shè)備的要求較高,能夠有效抵制惡劣的作業(yè)環(huán)境,并提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)。因此采用鋰電池為核心結(jié)合MAX1724芯片的整體設(shè)計(jì)方案,并且能夠通過后臺(tái)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鋰電池的充電管理。
3定位系統(tǒng)應(yīng)用效果分析
通過礦井內(nèi)實(shí)際作業(yè)人員位置與軟件通訊位置所傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,從水平方向與豎直方向的數(shù)據(jù)偏差分析得出定位系統(tǒng)是否具有高精度屬性。
水平方向的定位信號數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。由圖可知,信號在水平方向不會(huì)隨著礦井巷道長度延伸的距離而逐漸減弱,并且在礦井內(nèi)的信號是呈均勻分布,數(shù)據(jù)結(jié)果顯示誤差偏差率僅為1.16%,遠(yuǎn)小于國家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,水平方向的定位信號數(shù)據(jù)是呈曲線分布,有助于對礦井人員位置進(jìn)行預(yù)測。
垂直方向傳輸?shù)亩ㄎ恍盘枖?shù)據(jù)曲線如圖4所示,垂直定位信號是從45。角的直線輸入,數(shù)值與礦井空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是呈線性關(guān)系。數(shù)據(jù)誤差偏差率為2.19%,符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),能夠滿足對礦井下各個(gè)角度位置作業(yè)人員的定位工作要求。
4結(jié)束語
煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)常態(tài)化發(fā)展一直是國家相關(guān)部門所要求的,其中礦井作業(yè)人員的生命安全應(yīng)放在煤礦企業(yè)進(jìn)行日常作業(yè)生產(chǎn)的首位。在進(jìn)行煤炭開采過程中,應(yīng)隨時(shí)掌握一線作業(yè)人員的位置狀態(tài),如發(fā)生突發(fā)事故,能夠及時(shí)開展救援并取得信息聯(lián)系。
本文通過實(shí)際工況條件,設(shè)計(jì)出了井下作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng),并通過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用研究得出該定位系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際安全生產(chǎn)工作需要,對井下作業(yè)人員實(shí)施高精度的定位。高精度定位系統(tǒng)的研制對于煤礦行業(yè)研發(fā)高科技的礦井作業(yè)人員定位設(shè)備提供了依據(jù)。