高 龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)信息化中心，山西 大同 037003）

根據(jù)國(guó)家推進(jìn)智慧礦山建設(shè)的政策要求，在煤礦井下工作地點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)人員位置的實(shí)時(shí)定位，對(duì)人員的誤操作及行動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤及異常報(bào)警。 當(dāng)前使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)缺少實(shí)時(shí)高精度定位，無(wú)法發(fā)揮定位系統(tǒng)應(yīng)有的作用，難以從根本上消除安全隱患避免事故發(fā)生，且其擴(kuò)展功能非常有限，唯一性識(shí)別與定位系統(tǒng)結(jié)合效果不理想，不符合一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化礦井建設(shè)要求。在當(dāng)前系統(tǒng)基礎(chǔ)上，升級(jí)建立一套高精度煤礦井下人員定位系統(tǒng)已成為智慧礦山建設(shè)工作的重點(diǎn)之一。 為此，結(jié)合同忻煤礦的特點(diǎn)，開(kāi)展了該煤礦中高精度井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成分析

結(jié)合同忻煤礦井下環(huán)境特點(diǎn)，在滿足《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）、《煤礦井下作業(yè)人員位置監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（AQ6210-2007） 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求的情況下，開(kāi)展了礦井中高精度人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。 所設(shè)計(jì)的高精度人員定位系統(tǒng)型號(hào)為KJ98（A）型，主要采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為感知層、傳輸層、應(yīng)用層。 主要由地面中心站、系統(tǒng)軟件、雙機(jī)熱備軟件、多功能基站、人員定位分站、讀卡器、人員識(shí)別卡等組成[1]。另外還在各井口配置有井口人員唯一性檢測(cè)裝置。 系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 KJ98-F（C）礦用隔爆兼本安型通訊基站

圖1 煤礦中高精度人員定位系統(tǒng)框架

1.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

（1）內(nèi)部技術(shù)采用UWB定位技術(shù)，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及順槽、掘進(jìn)工作面。

（2）按照1:1 的三維立體礦圖，與真實(shí)比例的三維地理信息系統(tǒng)配合，可擴(kuò)展出大量應(yīng)用，提供多系統(tǒng)融合及聯(lián)動(dòng)報(bào)警接口。

（3）采用了多功能基站，提供以太網(wǎng)絡(luò)光口、電口、CAN、485、433、WIFI等多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，為現(xiàn)有礦井監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造及多系統(tǒng)融合提供了充足的空間，降低新建系統(tǒng)的投資成本。 其中，該系統(tǒng)的巡檢周期為4s，被測(cè)目標(biāo)最大位移速度≥5 m/s，識(shí)別卡與讀卡分站之間的無(wú)線傳輸距離≥500 m；工作面精確定位，用雙絞線級(jí)聯(lián)。

1.3 傳輸方式

系統(tǒng)主干網(wǎng)傳輸采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)方式，分站或基站與主干網(wǎng)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)；分站（基站）和讀卡器之間采用以太網(wǎng)、RS485 傳輸。

1.4 系統(tǒng)容量

系統(tǒng)接入讀卡器（基站）數(shù)量512 臺(tái)，識(shí)別卡數(shù)量65 000 個(gè)。

另外，通過(guò)虹膜或人臉識(shí)別技術(shù)和近距離讀卡技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井口的唯一性識(shí)別檢卡功能，杜絕多帶卡、替代卡、無(wú)卡入井等情況發(fā)生。

2 關(guān)鍵儀器部件選型

2.1 通訊基站選型

該系統(tǒng)確定的礦用隔爆兼本安型通訊基站為KJ98-F（C）型號(hào)，在煤礦綜合信息系統(tǒng)傳輸中除了可接入KJ98-D讀卡器之外，還能接入不同廠家?guī)в袠?biāo)準(zhǔn)通信接口的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)在煤礦井下各類數(shù)據(jù)地交換、信息轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸，為多系統(tǒng)井下融合提供傳高速輸通道和平臺(tái)[2]。配備了2 路RS485 總線接口和CAN總線接口，自帶電池供電時(shí)長(zhǎng)＞8 h，最高速率可達(dá)1 300 Mbps，基站與WIFI手機(jī)的最大無(wú)線通信距離：800 m，基站具有對(duì)各讀卡器的發(fā)送過(guò)來(lái)的標(biāo)識(shí)卡信息進(jìn)行接收、處理、存儲(chǔ)、傳輸、電池管理等功能。

2.2 本安型讀卡器選型

讀卡器用于識(shí)別煤礦井下的無(wú)線標(biāo)識(shí)卡，是射頻電子標(biāo)簽的識(shí)別設(shè)備，具有優(yōu)先接收標(biāo)識(shí)卡緊急求救信息、標(biāo)識(shí)卡電池電量監(jiān)視功能；對(duì)標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行“群呼”和“個(gè)體尋呼”等功能；具有接收無(wú)線編碼信號(hào)的功能，與標(biāo)識(shí)卡具有雙向通訊的功能，與數(shù)據(jù)通訊接口通訊的功能，電源指示、上位通訊信號(hào)指示功能[3]。 因此，選用KJ98-D型礦用本安型讀卡器，通過(guò)UWB無(wú)線方式識(shí)別KJ98-K（C）系列礦用定位標(biāo)識(shí)卡。該儀器的定位精度為30 cm，讀卡器與標(biāo)識(shí)卡的最大位移速度應(yīng)≥5 m/s，讀卡器有效接收半徑≥500 m，具有時(shí)間標(biāo)記功能。UWB無(wú)線通信距離遠(yuǎn)：大于400 m。

2.3 標(biāo)識(shí)卡匹配選型

KJ98-K（C）標(biāo)識(shí)卡采用高精度定位技術(shù)，主要用于對(duì)煤礦井下人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位。 標(biāo)識(shí)卡與讀卡器具有雙向通信通訊功能，可向井上發(fā)出求救報(bào)警信號(hào)或接收撤離信號(hào)。 標(biāo)識(shí)卡具有緊急呼救按鈕，具備一鍵求救功能，運(yùn)動(dòng)傳感檢測(cè)，可檢測(cè)靜止、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，標(biāo)識(shí)卡具有振動(dòng)提示功能。求救時(shí)報(bào)警燈閃爍、低電時(shí)報(bào)警燈閃爍、撤離時(shí)振動(dòng)同時(shí)提示。 可充電識(shí)別卡通訊距離遠(yuǎn)，靈敏度高，功耗低，識(shí)別卡單次充電連續(xù)工作時(shí)間40 天，定位精度0.3 m。 可充電識(shí)別卡具有“防塵、防水、防撞擊”的特性，能夠適應(yīng)惡劣的井下環(huán)境，識(shí)別卡具有三防功能，防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP65。

3 定位系統(tǒng)各項(xiàng)功能

3.1 識(shí)別多個(gè)同時(shí)進(jìn)入識(shí)別區(qū)域的識(shí)別卡

KJ98-D礦用本安型讀卡器通過(guò)無(wú)線方式識(shí)別KJ98-K（C）系列礦用定位標(biāo)識(shí)卡，將獲得信息通過(guò)以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器。 讀卡器具有電源指示、上位通訊信號(hào)指示功能，信號(hào)中斷后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和續(xù)傳功能。具有時(shí)間標(biāo)記功能。讀卡器與標(biāo)識(shí)卡并發(fā)識(shí)別數(shù)量≥80。 通過(guò)此識(shí)別卡能實(shí)現(xiàn)多個(gè)人員同時(shí)進(jìn)入識(shí)別區(qū)域的識(shí)別顯示，如圖2 所示。

圖2 識(shí)別卡識(shí)別后顯示

3.2 人員進(jìn)入禁入?yún)^(qū)及工作超時(shí)告警

在井下一些重要硐室、 危險(xiǎn)場(chǎng)合配備讀卡器和引導(dǎo)發(fā)布設(shè)備，實(shí)時(shí)通報(bào)強(qiáng)行進(jìn)入人員信息，可有效地阻止人員違章進(jìn)入，并將違章人員記錄在案。 當(dāng)人員在井下停留超出規(guī)定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出告警并記錄。 人員下井時(shí)間超過(guò)規(guī)定的時(shí)間或在限制區(qū)域超過(guò)規(guī)定時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)地面中心站和WEB 界面聲光報(bào)警裝置并提供相關(guān)人員的名單等信息，并將超時(shí)人員信息記錄在案。 由此，實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)入禁入?yún)^(qū)及工作超市的告警功能。

3.3 唯一性檢測(cè)裝置

該系統(tǒng)能夠無(wú)縫兼容礦井現(xiàn)有唯一性檢測(cè)裝置（如無(wú)法兼容則需要新建），兼容或新建后的性能不低于原唯一性檢測(cè)裝置的性能。 通過(guò)唯一性檢測(cè)裝置的時(shí)間小于3s，誤識(shí)率≤0.5%，拒識(shí)率≤1%。 人員通過(guò)虹膜機(jī)或人臉識(shí)別機(jī)進(jìn)行生物識(shí)別，識(shí)別后通過(guò)定位打卡聯(lián)合信息決定翼閘開(kāi)閉。 對(duì)于一人多卡，沒(méi)有虹膜信息的入井人員信息將被系統(tǒng)區(qū)別統(tǒng)計(jì)。 井口唯一性識(shí)別檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 井口唯一性識(shí)別檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果分析

將新設(shè)計(jì)的高精度人員定位系統(tǒng)集成在同忻煤礦中的礦山綜合管理系統(tǒng)中，對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證，測(cè)試周期約3 個(gè)月。 在測(cè)試過(guò)程中，高精度人員定位系統(tǒng)能通過(guò)所設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)卡、通訊基站等配置，將井下人員的作業(yè)位置、作業(yè)區(qū)域、行駛路徑等信息通過(guò)顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)人員未經(jīng)允許進(jìn)入禁區(qū)時(shí)，此系統(tǒng)將通過(guò)顯示界面將人員狀態(tài)及所屬部門等相關(guān)信息及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，人員身上的隨身跟蹤器也將發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示。 人員進(jìn)入禁區(qū)報(bào)警顯示界面如圖4 所示。

圖4 人員進(jìn)入禁區(qū)報(bào)警顯示界面

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將新設(shè)計(jì)的高精度人員定位系統(tǒng)在同忻煤礦進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，得出：該系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定可靠，能實(shí)時(shí)地對(duì)井下人員作業(yè)情況及位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并顯示界面全方位顯示，針對(duì)人員出現(xiàn)的異常情況也能及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警顯示及提示，整個(gè)礦井中人員定位的智能化程度相對(duì)較大，顯著提高了礦井井下人員定位系統(tǒng)的性能。