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、爆炸等安全生產事故的威脅。在煤礦惡劣的環(huán)境中，對安全生產提出了更高的要求，其中對于作業(yè)人員的保護應排在首位，應及時對礦井人員進行精確定位，能夠實現(xiàn)及時有效地聯(lián)系、救援等相關需求。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方法，總結出井下作業(yè)人員定位的特點，設計出了基于SDS-TWR定位技術的礦井井下作業(yè)人員的高精度定位系統(tǒng)。實驗結果顯示，SDS-TWR定位技術能夠精確地對井下作業(yè)人員進行定位。

關鍵詞：煤礦;定位系統(tǒng);人員;高精度

中圖分類號：TD76 文獻標志碼：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)近期對能源儲量占比進行統(tǒng)計分析，可以得出煤炭儲量的總占比接近95%。在富煤、少油氣的能源大環(huán)境下，可以推測得出，在未來很長的時間段內，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，也對在煤炭開采過程中的安全生產提出了更嚴格的要求。雖然目前隨著煤炭現(xiàn)代化發(fā)展進程的開啟，各地高科技現(xiàn)代化開采設備也在不斷地應用于煤炭開采過程中，但是真正實際執(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)技術人員所應關注的熱點問題。煤礦企業(yè)在對作業(yè)人員進行日常安全監(jiān)管時，必須及時掌握人員的位置，了解每個作業(yè)人員的工作動態(tài)以及工作軌跡，便于在發(fā)生緊急情況時可以采取有效的措施，精確完成救援工作。為了高精度地實現(xiàn)對人員的精確定位，需借助目前先進的定位方法，但目前煤礦企業(yè)常用的定位技術方法均存在一定的缺陷。通過查閱相關資料，結合現(xiàn)場實際工況的情況下，得出了采用SDS-TWR定位技術設計出礦井井下人員定位系統(tǒng)。在現(xiàn)場實際應用的試驗結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，為促進煤礦企業(yè)安全生產常態(tài)化發(fā)展以及礦井作業(yè)技術人員定位技術研究提供了依據(jù)。

1煤礦井下測距方法

1.1定位特點

定位特點如下：

（1）礦井內各個開采巷道分布廣泛，每一個分支的長度都比較長，某個巷道的長度最長可以達到10km，對于礦井內作業(yè)人員的定位需覆蓋工作面的每一個角落，因此相比于在地上進行定位具有更高的難度;

（2）礦井內的設備復雜，具有較多的機械設備和電氣設備，例如掘進機、帶式輸送機、支撐設備等，各類設備均會對定位信號產生偏差，要求對作業(yè)人員的信號能夠實現(xiàn)非視距傳輸;

（3）信號在礦井巷道內傳播，容易受到巷道的截面形狀、地層屬性、地質構造、表面粗糙程度等因素的不利影響，會對定位信號的無線傳播造成衰減影響，并且影響的機理復雜多變，無法有效通過技術進行根本性控制;

（4）煤礦井下有易燃易爆的氣體，要求礦井內的所有電氣設備均為防爆型設備;

（5）電磁波在礦井無法進行有效傳播，在戶外的GPS等定位設備無法應用于地下的人員定位，因此在技術的應用方面具有局限性;

（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，嚴重制約了定位設備相關部件選型的范圍。

1.2定位方法研究

通過對目前常用的定位技術進行研究，得出了每個技術的短板。AOA定位技術方法主要是用于在無障礙物的環(huán)境進行測距，在礦道分布復雜且彎曲的地質形態(tài)內無法進行使用。TOA技術方法所受到的巷道環(huán)境影響較小，理論上可以應用于井下作業(yè)人員的定位，但是要求定位卡與分站進行實時的同步，在技術和成本上要求較高，經濟性不好。然而SDS-TWR技術方法不要求定位卡與分站進行實時的同步，同時可以降低整個系統(tǒng)集成的復雜程度，這種異步測時法在進行礦井人員定位時能夠具有更高的自由度，因此選用SDS-TWR技術方法作為礦井人員測距定位的方法。

2定位系統(tǒng)設計研究

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）人員實時精確定位功能。系統(tǒng)應具有礦井人員位置實時監(jiān)測與精確定位功能，包括掘進巷道和采煤工作面等重點區(qū)域。

（2）數(shù)據(jù)處理與報警功能。系統(tǒng)應具有礦井人員定位數(shù)據(jù)處理與報警功能，如礦井及重點區(qū)域超定員判別與報警功能、進入危險區(qū)域判別與報警、超時作業(yè)判別與報警、定位卡唯一性檢測與報警、違章乘坐皮帶判別與報警、與膠輪車和電機車近距離（不含乘坐）判別與報警、特種作業(yè)人員巡檢路線與時間判別與報警等。

（3）實時數(shù)據(jù)存儲與查詢功能。系統(tǒng)應具有礦井人員實時定位數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)應具有礦井人員定位歷史信息查詢和統(tǒng)計功能。

（4）顯示與打印功能。系統(tǒng)應具有礦井人員位置、路徑和有關信息顯示與打印功能。

（5）信息和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)應具有井下人員定位相關信息管理功能，包括信息添加、修改和更新等功能。

（6）監(jiān)控服務功能。系統(tǒng)應支持現(xiàn)場和遠程監(jiān)控服務。

2.2總體架構設計

設計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)服務設備和網絡通信設備等;井下部分包括定位卡、定位分站和礦用網絡交換機等。

2.3定位分站設計

高精度定位系統(tǒng)的定位分站設計如圖2所示，其中為確保數(shù)據(jù)處理計算的精確性，應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，針對儲存單元采用型號為26CC11的存儲單元。

通過設置定位芯片與天線相結合，實現(xiàn)通訊單元的構架，通過配置摩托羅拉公司的DD1200芯片，使整個通訊支持IEEE802.15.4協(xié)議內容，為了防止內部芯片的相互干擾，采用機殼外置式的陶瓷天線。

由于礦井內作業(yè)環(huán)境惡劣，對于電源設備的要求較高，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。因此采用鋰電池為核心結合MAX1724芯片的整體設計方案，并且能夠通過后臺管理系統(tǒng)實現(xiàn)對鋰電池的充電管理。

3定位系統(tǒng)應用效果分析

通過礦井內實際作業(yè)人員位置與軟件通訊位置所傳出的數(shù)據(jù)進行對比分析，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隨著礦井巷道長度延伸的距離而逐漸減弱，并且在礦井內的信號是呈均勻分布，數(shù)據(jù)結果顯示誤差偏差率僅為1.16%，遠小于國家、行業(yè)相關標準。通過對數(shù)據(jù)進行擬合，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行預測。

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)值與礦井空間結構數(shù)據(jù)是呈線性關系。數(shù)據(jù)誤差偏差率為2.19%，符合國家相關標準，能夠滿足對礦井下各個角度位置作業(yè)人員的定位工作要求。

4結束語

煤礦企業(yè)安全生產常態(tài)化發(fā)展一直是國家相關部門所要求的，其中礦井作業(yè)人員的生命安全應放在煤礦企業(yè)進行日常作業(yè)生產的首位。在進行煤炭開采過程中，應隨時掌握一線作業(yè)人員的位置狀態(tài)，如發(fā)生突發(fā)事故，能夠及時開展救援并取得信息聯(lián)系。

本文通過實際工況條件，設計出了井下作業(yè)人員高精度定位系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場實際應用研究得出該定位系統(tǒng)能夠滿足實際安全生產工作需要，對井下作業(yè)人員實施高精度的定位。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)人員定位設備提供了依據(jù)。