徐軍祥，羅立群，武圓夢

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

隨著互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字技術的發(fā)展，國家提出了智慧礦山的發(fā)展概念，在以人為本的發(fā)展理念中人員的安全是當務之急[1]?；谝匀藶楸镜墓芾聿呗?，開展智慧礦山建設必然要及時掌握人員的工作活動位置和工作狀況，實現(xiàn)崗位人員在線智能跟蹤，才能確保人員安全。針對傳統(tǒng)監(jiān)管技術的特點和傳統(tǒng)安全監(jiān)管的安全局限，通過總結(jié)人員定位跟蹤技術的方法與精度，分析常見的TOA、AOA、TDOA、RSSI四種數(shù)字化定位系統(tǒng)的原理、定位模型及定位信息的傳輸[2]。以選礦廠各車間的人員定位為例，通過監(jiān)控計算機程序與信號交互網(wǎng)絡圖監(jiān)測崗位人員的坐標變化，介紹實現(xiàn)人員安全的智能跟蹤過程，通過分析與展現(xiàn)影響監(jiān)控系統(tǒng)的操作因素，總結(jié)了礦山監(jiān)控系統(tǒng)的技術發(fā)展。

1 傳統(tǒng)礦山人員安全監(jiān)管

礦業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎，進入21世紀以來，我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求旺盛。但是必要的安全技術措施與管理法案相對滯后，導致礦業(yè)發(fā)展存在一定的安全漏洞和潛在危險，在礦井采掘和礦山選礦的安全管控方面尤為明顯。西方礦業(yè)的起步和工業(yè)的發(fā)展普遍早于我國，導致我國在發(fā)展礦業(yè)時需購買國外某些昂貴的生產(chǎn)設備和控制技術，經(jīng)濟成本較高。為了控制礦山生產(chǎn)成本，中小型礦山企業(yè)往往采用傳統(tǒng)的技術方法，比如：人工操作大型機器、工作人員進行廠區(qū)巡邏監(jiān)管、人力預控危險隱患等。單純依靠人的監(jiān)管往往會存在比較大的紕漏，使得礦山在生產(chǎn)發(fā)展過程中容易產(chǎn)生意外的人員傷害，與國家建設智慧礦山和以人為本的發(fā)展理念背道而馳。

通過分析近幾年礦山事故產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)大部分礦山事故都是由于人員疏忽或者企業(yè)監(jiān)管存在漏洞、機械設備未嚴格規(guī)范操作、意外風險意識不強等原因造成的。深究其因：一方面是部分企業(yè)存在安全制度規(guī)范不完善與落實不足，比如部分企業(yè)未嚴格執(zhí)行國務院對礦山的監(jiān)管政策；另一方面是礦山人員對于安全監(jiān)督向來安全風險意識淡薄，未形成對風險管控的主張，比如：部分礦山企業(yè)監(jiān)控成本投入不足或?qū)θ藛T監(jiān)管不到位。礦山生產(chǎn)由大型機械設備組成，設備在運行過程中容易對礦業(yè)生產(chǎn)人員構成潛在危害。礦山存在的危害有以下幾方面。①機械傷害：膠帶運輸機、破碎機以及各種泵、風機與電動機的連軸器或皮帶輪等；②電氣傷害：線路老化、靜電放電、漏電、破損；③車間意外傷害：跌落、摔傷、淹溺、中毒等；④職業(yè)環(huán)境傷害：原料運輸、卸料過程、駕駛車輛、灰塵、噪聲及火災等其他傷害。如何以人為本監(jiān)控且預防潛在危險是解決如今礦業(yè)生產(chǎn)安全問題的重中之重[3-6]。

2 人員定位跟蹤技術

2.1 人員定位跟蹤技術分類

工礦企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復雜多樣，特別是礦山開采，采掘面需隨礦脈延伸，礦區(qū)作業(yè)面復雜且都由大型機械設備構成；礦井的土層厚度和機械設備運行產(chǎn)生的電磁波會削弱且干擾定位信號的傳輸，這對于人員定位十分不利，無法準確做好每一位人員的精準定位也就不能做到相應的智能跟蹤，操作人員在遇到危險或存在潛在危險時其安全便無法得到保障。為了解決信號傳輸效率問題，科研人員經(jīng)過多年研究，將信號傳輸由最傳統(tǒng)的人工傳達轉(zhuǎn)向數(shù)字信息傳遞。目前國內(nèi)外常用的定位技術手段有GPS定位、GSM移動網(wǎng)絡定位、UWB定位、雷達定位、ZigBee定位、Wi-Fi定位、WSN定位以及RFID定位等[7-14]。

2.2 人員定位跟蹤技術精度

不同的定位技術與方法具有不同的定位特點和定位精度。表1列舉了定位精度在毫米到米之間的定位技術，該范圍的定位技術特點是成本高、定位精準，波長延用了傳統(tǒng)的短波傳輸波段。表2列舉了定位精度在米到千米之間的定位技術對比，該范圍的定位技術特點是成本價格低、定位精度不高，波長延用了傳統(tǒng)的長波傳輸波段。

表1 毫米到米之間精度對比Table 1 Comparison of precision between millimeter and meter

表2 米到千米之間精度對比Table 2 Comparison of precision between meter and kilometer

3 數(shù)字化定位系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 數(shù)字化定位系統(tǒng)的原理

無線定位算法有基于距離定位(range-based)算法與基于角度定位(range-free)算法[15]，根據(jù)算法不同大致可以分為以下4類：信號到達角度(angel of arrival，AOA)[16]；信號到達時間(time of arrival，TOA)[17]；信號到達時間差(time difference of arrival，TDOA)[18]；接收信號強度值(received signal strength indication，RSSI)[19]。表3對4種定位算法進行了特征表述。

表3 四種典型定位算法的特征Table 3 Characteristics of four typical location algorithms

1) TOA算法定位原理是根據(jù)接收信號與移動站臺信號之間傳輸時間進行相應距離計算，通過計算得出的距離進行相應位置確定。該定位算法的基本方法是借助基站與射頻識別標簽電磁信號的交互作用得出多個以基站為圓心，信號傳輸距離為半徑的圓，這些圓會相交于一點，此交點即為定位人員坐標。以三個基站為例：假設有A1、A2、A3三個射頻基站，它們與工人身上射頻識別芯片M交互產(chǎn)生三個半徑為R1、R2、R3的圓，這些圓的交點M就是定位人員坐標。三個基站的示意圖如圖1所示。

圖1 TOA定位算法示意圖Fig.1 Schematic diagram of TOA location algorithm

當三個基站都是LOS基站時[20]，可以根據(jù)最小二乘法算法計算出M點的坐標。假設M的坐標為(x,y)時，N個基站得出N個(xi,yi)，根據(jù)其幾何意義得出式(1)。

(1)

將式(1)展開，化簡得到式(2)。

(2)

將假設代入式(2)，即可得式(3)。

(3)

展開式(3)可得式(4)。

(4)

若式(4)左邊記為Y，式(4)右邊記為AX乘積，式(4)可改寫為式(5)。

Y=AX

(5)

若要求得坐標(x,y)，即求得X利用最少二乘法可得式(6)。

X=(ATA)(-1)ATY

(6)

即可根據(jù)計算得出相應交點M的坐標(x,y)。

2) AOA定位算法的原理是通過測量基站到移動臺之間直線形成的交點與兩基站在水平直線上所形成的角度進行計算，兩個基站對移動臺進行信號傳輸，所形成的交點M就是定位人員坐標。其AOA算法示意圖如圖2所示。

圖2 AOA算法示意圖Fig.2 Schematic diagram of AOA algorithm

假設存在多個LOS基站對同一射頻識別標簽進行信號搜索與傳輸，其中，基站A1對射頻識別標簽交互產(chǎn)生的信號角度為a1，基站A2對同一射頻識別標簽交互產(chǎn)生的信號角度為a2，它們信號傳輸?shù)慕稽c為M，假設M的坐標為要計算的(x,y)，A1基站的坐標為(x1,y1)，A2基站的坐標為(x2,y2)，根據(jù)其幾何意義可得式(7)。

(7)

將式(7)展開且代入數(shù)據(jù)得到式(8)～式(10)。

(x-xi)tana1=y-yi

(8)

yi-xitana1=-xtana1+y

(9)

(10)

綜合式(10)，同樣可以根據(jù)式(5)和式(6)的計算方法求出相應的交點M的坐標。

3) TDOA是一種通過信號傳輸時間差進行定位的方法。通過收集信號源到達監(jiān)測站的時間，計算出信號源的距離。利用信號源到多個無線電監(jiān)測站的距離(以無線電信號監(jiān)測站為中心，以信號源傳輸?shù)木嚯x為半徑作圓)就能確定信號源的位置。通過比較信號源到多個信號監(jiān)測站的時間差，就能得到以監(jiān)測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線，多個雙曲線的交點位置就是信號源的位置(如圖1和圖3所示)。

圖3 TDOA示意圖Fig.3 Diagram of TDOA

4) RSSI測距原理即通過環(huán)境因素與信號傳輸距離對信號傳輸效率與接收效率雙因素控制進行相應的效率損失計算得出相應的傳輸距離。假設PR是無線信號傳輸?shù)慕邮展β?，PT是無線信號的發(fā)射功率，s是接收端與發(fā)射端之間的距離，m是傳播因子，其取值取決于當時的大氣環(huán)境，它們之間的關系見式(11)。

PR=PT/sm

(11)

在式(11)的兩端同取對數(shù)即可得式(12)。

10×mlgs=10lgPT/PR

(12)

信號源的發(fā)射功率可以在監(jiān)測端測量出來，將此數(shù)據(jù)帶入式(12)，即可得式(13)。

10lgPR=A-10×mlgs

(13)

式(13)的左半部分10lgPR可以轉(zhuǎn)換成接收信號dBm的表達式，見式(14)。

dBm=A-10×mlgs

(14)

3.2 定位模型的建立

根據(jù)射頻識別標簽信號傳輸原理，利用無線通信定位算法，結(jié)合選礦廠的廠房布局，選用SketchUp軟件，通過參考三維聲音定位系統(tǒng)[21]，設想對某個礦山選礦廠進行3D建模，實施人員定位模型構建，選礦廠人員定位原理如圖4所示。

圖4 人員定位原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of personnel positioning principle

確定某點為礦山的定位基點，將選礦廠平地看作三維坐標的基平面，Z軸部分為礦山的空間分布，礦工所攜帶的射頻識別標簽代表其在礦山的坐標信息，這樣每個礦工都有一個屬于自己的唯一的三維坐標。當其位置發(fā)生移動時，其射頻識別標簽在3D建模系統(tǒng)中的位置也發(fā)生相應改變。這些實時信息變化將通過信號傳輸系統(tǒng)反饋給中央計算機，中央計算機對其進行匯總與分析，并判斷該射頻識別標簽的當前狀態(tài)。當存在潛在危險或者出現(xiàn)危險時，中央計算機具有最初的信息判別功能，并將危險信息反饋給礦工及后臺管理人員，以便通知礦工對目前情形做出應對策略，達到智能與人工相結(jié)合的雙重保障[22]。

3.3 監(jiān)控計算機程序與信號交互圖

通過對定位原理的分析已經(jīng)實現(xiàn)對人員的定位，將定位系統(tǒng)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)交互結(jié)合即可建立礦山監(jiān)控系統(tǒng)。在礦山周圍安裝相應的信號接收塔，接收來自人員身上射頻識別標簽所反饋的信號，將信息反饋給計算機監(jiān)控系統(tǒng)，計算機監(jiān)控軟件實時監(jiān)控人員的坐標信息變化。其監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of monitoring system

礦山監(jiān)控系統(tǒng)一般由射頻識別標簽、射頻閱讀器、分站、電源箱(或電控箱)、主站(或傳輸接口)、主機(含顯示器)、系統(tǒng)軟件、服務器、打印機、大屏幕、UPS電源、遠程終端、網(wǎng)絡接口電纜和接線盒等組成[23-27]。

1) 射頻識別閱讀器接收來自射頻識別標簽的信號并轉(zhuǎn)換為電信號，在射頻識別標簽有相應信息顯示。

2) 射頻閱讀器進行射頻識別標簽信號的接收并將信號轉(zhuǎn)換回饋給分站。

3) 分站接收來自射頻閱讀器的信號，并將信息回饋給總站(計算機監(jiān)控系統(tǒng))，分站和總站都有數(shù)據(jù)校正、錯誤判別、邏輯查詢等簡單的信號處理功能，對射頻識別標簽傳輸?shù)男畔⒂凶钤嫉倪壿嬇袛噙^程，使被控制設備能更好地完成工作。

4) 電源箱的功能是保證各級電流的通斷并進行相應的AC/DC、AC/AC、DC/AC、DC/DC的電流變換，也能夠在緊急斷電的情況下提供一段時間的電流供應。

5) 傳輸接口的作用是接收來自總站的接收信號，并將信息回饋計算機。信息的傳輸是雙方面的，計算機能夠通過傳輸接口將人工輸入的信號或者計算機智能控制信號進行發(fā)送(傳輸接口可以將信號進行分級發(fā)送，比如分站等)。

6) 主機一般選用工控微型計算機或普通微型計算機、雙機或多機備份。主機主要用來接收監(jiān)測信號、校正、報警判別、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、磁盤存儲、顯示、聲光報警、人機對話、輸出控制、控制打印輸出、聯(lián)網(wǎng)等。

3.4 提高通信傳輸效率

信號在礦山傳輸過程中不僅有土層、機械設備、選礦廠墻壁的阻擋，也有信號本身傳輸?shù)膬?nèi)在損耗。市面上大多數(shù)的通信設備都采用低于10 GHz傳輸頻段的信號頻率，該頻段信號頻率在傳輸過程具有效率高、設備價格低、技術較為簡單且相對容易實現(xiàn)等優(yōu)點。目前國內(nèi)使用該頻段的信號傳輸設備較多，極易造成該頻段信號傳輸擁擠的現(xiàn)象。我國使用的通信方式多為感應通信、動力線載波通信、漏泄無線通信等，雖然在一定程度上加強了無線通信的一個模塊，但也存在巨大的技術壁壘，目前國內(nèi)科研成果還不足以攻破[28]。提高無線網(wǎng)絡傳輸效率的方法取決于基于無線網(wǎng)絡備份路徑信號傳輸?shù)奶嵘齕29-30]。國內(nèi)應用最多的傳輸技術有超奈奎斯特采樣定律[31]、壓縮感知理論[32]、SEFDM非正交傳輸信號[33]等?；诔慰固夭蓸佣桑慰固厮玫脑硎峭ㄟ^發(fā)送端產(chǎn)生的碼間干擾會在接收端的數(shù)字信號處理下得以消除[34]，以便能更高效地提高數(shù)字信息的傳輸。壓縮感知理論采用的方法則是通過對采集來的信號進行稀疏分解，再將稀疏分解的信號線性組合一番，原始采集信號則會進行一個重構過程以提升傳輸速率。相較于前兩種提升信號傳輸效率的第三種方法為SEFDM非正交傳輸信號，SEFDM非正交傳輸信號作為一種非正交信號，其性能與正交頻分復用(OFDM)相似且能產(chǎn)生更高效的頻譜效率。上述三種提升傳輸效率的方法在通過組合優(yōu)化算法、凸優(yōu)化算法以及貪婪追蹤算法進行一系列對數(shù)字信號傳輸加密與解碼，使數(shù)字通信傳輸技術能更好地服務于當前礦山。

4 礦山監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化與維護

4.1 礦山監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

自動化監(jiān)控平臺的實現(xiàn)是智能化結(jié)構發(fā)展的體現(xiàn)，僅靠人為監(jiān)管極易出現(xiàn)較大的漏洞，將人工與自動化相結(jié)合的智能化監(jiān)管平臺能最優(yōu)化地保障人員安全。為提升設備的使用年限、消除礦山生產(chǎn)過程產(chǎn)生的機械或電磁等方面的干擾，需從電氣、通風、供暖、排水以及數(shù)據(jù)捕捉等方面對礦山監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化與改進，以更好地實現(xiàn)在工礦場景條件下的人員安全監(jiān)控。

1) 電氣改進。為了消除電氣方面所產(chǎn)生的影響，通過歸納西山煤電集團馬蘭礦選煤廠電氣干擾造成廠房危害的原因可知其主要的干擾極易造成廠房設備信號失真、動作誤差大、產(chǎn)生噪音等，為此西山煤電集團選煤廠采用安裝獨立線路電抗器、安裝LC多級無源濾波器、安裝獨立接地系統(tǒng)和采用雙重屏蔽電纜進行最大化影響規(guī)避[35]。

2) 通風改良。礦廠工作環(huán)境通風散熱方面，李首良[36]通過對傳統(tǒng)軸流式通風機作用于井下環(huán)境狀況進行分析、歸納及總結(jié)，提出了將改進版軸流式通風機作用于井下。該通風機在作業(yè)倒機、葉片角度調(diào)節(jié)、通風系統(tǒng)預警以及運行狀態(tài)實時顯示方面都具有很大一部分的改進與優(yōu)化，使其能更好地作用于井下環(huán)境，保持良好的通風換流效果。

3) 供暖改善。傳統(tǒng)礦山礦工供暖與礦井井口防凍都是通過燃煤燒鍋爐加熱水的方式實現(xiàn)，其污染大且利用率低，通過對北方某地浸鈾礦的實地考察，了解了傳統(tǒng)地浸鈾礦開采中存在地熱能源浪費的現(xiàn)象，李陽等[37]提出了通過水源熱泵的方式將地浸鈾礦中的廢水熱能運用于礦山中能極大提升地熱能源的利用并減少環(huán)境污染。其設計利用熱泵交換機將地浸鈾礦中廢水中的熱量進行熱交換升溫儲存且作用于廠區(qū)，該方式相較于傳統(tǒng)燃煤加熱方式具有節(jié)能減排且利用率高的特點。

4) 排水監(jiān)管。通過對過去云岡礦選煤廠污泥濃縮車間設備檢修放水、跑冒滴漏及沖洗水回收設施方面的不足進行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)云岡礦選煤廠在進行車間排污時都是由人工進行監(jiān)測管控，每隔一個小時人工進行手動排水一次，該方式具有很大的局限性且存在操作弊端，一旦工人沒有進行及時排水則容易導致電機燒毀。董海龍[38]針對監(jiān)管不足情況設計改造了智能化監(jiān)測車間且自動控制設備進行車間排水，該排污泵自動控制系統(tǒng)在實際使用中運行良好且安全可靠，極大地節(jié)省了云岡礦選煤廠的支出成本，并提高了安全生產(chǎn)效率。

5) 數(shù)據(jù)捕捉采集。礦山配備高效的溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、粉塵傳感器、震動速度傳感器以及震動頻率傳感器[39-42]共同作用，達到數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及時反饋的效果。

4.2 定位系統(tǒng)的日常運行維護

高效益生產(chǎn)過程中更需要高效規(guī)避工礦企業(yè)人員的人身安全問題，將智能化建設與生產(chǎn)安全維護當作發(fā)展的重頭工作，并起前進。為提高監(jiān)控系統(tǒng)使用效率，延長設備的使用時間，礦山應對監(jiān)控程序進行日常的維護和更新，以保障監(jiān)控系統(tǒng)長期、可靠、有效的運行。對于監(jiān)控設備來說，需要重點做好防潮、防塵、防腐等日常維護，定期對監(jiān)控設備進行除塵、清理、打掃，將表面可見灰塵處理完畢過后用酒精對設備進行擦拭，防止由于礦山潮濕環(huán)境、靜電因素、灰塵等使設備造成損壞。對于主機要定期進行主板、風扇除塵檢查，加快主機處理問題的能力，延長使用時間，硬盤也要定期更換，保障數(shù)據(jù)存儲與備份完整[43]。對于監(jiān)控所使用的軟件，需要能夠隨著監(jiān)控系統(tǒng)更新進行底層開源碼的寫入與修改，以滿足監(jiān)控系統(tǒng)的正常功能需求，如AGC/AVC監(jiān)控軟件等[44]。

在堅持以人為本、生命至上的發(fā)展理念中，今后工礦企業(yè)人員安全跟蹤將利用新型通信、互聯(lián)網(wǎng)、云技術與人工智能相結(jié)合的方式融合發(fā)展，在充分保障工礦企業(yè)人員安全的同時，實現(xiàn)礦山高質(zhì)量、高效益的生產(chǎn)作業(yè)。

5 結(jié) 論

1) 礦山的安全生產(chǎn)關乎礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，智能化安全跟蹤與監(jiān)控的實現(xiàn)能更好地服務于當前的礦山安全生產(chǎn)。

2) 從工礦企業(yè)人員安全定位著手，介紹了市場上常用的定位系統(tǒng)，以及其原理和使用利弊，針對服務場景篩選出能夠滿足需求的定位方式服務于礦山安全建設。

3) 利用SketchUp軟件構建礦山3D空間模型，將該模型編碼成計算機程序進行軟件與硬件的交互，且將該模型運用于人員定位，并保持礦山監(jiān)控系統(tǒng)的維護與優(yōu)化，實現(xiàn)智能跟蹤技術的實施。

4) 礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)融合了傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術、自動控制與電氣自動化監(jiān)測技術等，這也要求工礦企業(yè)人員擁有更高的綜合素質(zhì)，只有多方面共同保障工礦企業(yè)人員的安全才能更好地促進礦山安全生產(chǎn)，實現(xiàn)智能礦山的宏愿。