郭 鵬

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

受現(xiàn)代科技的影響,數(shù)字礦山建設(shè)逐步完善,人員定位系統(tǒng)作為礦山六大系統(tǒng)之一,需進(jìn)一步向精細(xì)化管理方向發(fā)展[1]。人員精確定位具備人員、車輛的精確定位及為其他系統(tǒng)提供人員和車輛的精確位置信息等功能。如遇緊急事故,可迅速、準(zhǔn)確地對(duì)井下人員進(jìn)行定位,縮短救援時(shí)間,提高人員生還率[2-3]。另外,建設(shè)人員精確定位系統(tǒng),也有利于后期礦山建立物聯(lián)網(wǎng)的人員車輛感知、車輛管理、無人化工作面、礦山機(jī)電設(shè)備管理等系統(tǒng)。目前,學(xué)者們對(duì)煤礦精確定位系統(tǒng)已進(jìn)行了許多研究。例如,張向陽(yáng)等[4]基于射頻識(shí)別技術(shù),開發(fā)出一套井下作業(yè)人員定位管理系統(tǒng),并對(duì)管理系統(tǒng)開放的可行性進(jìn)行了論證,李崇[5]基于RFID技術(shù)改進(jìn)中小型煤礦中的人員精確定位系統(tǒng),使得井下的人員調(diào)度管理更加合理。礦井下不僅只有作業(yè)人員,車輛同樣是井下生產(chǎn)運(yùn)行的重要環(huán)節(jié),張三奇[6]結(jié)合車載衛(wèi)星定位終端與車輛上安裝的衛(wèi)星定位設(shè)備,建立網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng),保證了車輛的高效運(yùn)作。杜善營(yíng)等[7]所開發(fā)的礦車定位綜合管理系統(tǒng)采用微波識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)井下車輛的實(shí)施動(dòng)態(tài)管理與監(jiān)測(cè),有效控制了井下的車輛調(diào)派與行車安全。車輛和人員管理手段對(duì)礦井下的安全作業(yè)起決定性作用[8],考慮到現(xiàn)如今智能化監(jiān)管手段的缺失,亟需進(jìn)一步開發(fā)精確的定位管理系統(tǒng),保證井下作業(yè)的順利進(jìn)行。

察哈素煤礦受當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展條件限制,所采用的區(qū)域定位系統(tǒng)已無法滿足數(shù)字礦山建設(shè)對(duì)人員和車輛準(zhǔn)確位置的基本要求。由于定位系統(tǒng)的滯后,井下膠輪車常出現(xiàn)超速行駛、堵車、撞車等情況,無法發(fā)揮其機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、安全高效、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。為保證車輛運(yùn)行安全,提高效率,需要建設(shè)精確定位系統(tǒng)。

1 定位系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

目前該煤礦采用常州天地的區(qū)域定位系統(tǒng)存在漏讀問題,無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員精準(zhǔn)位置,使用效果差,維護(hù)不便。礦內(nèi)有多臺(tái)防爆膠輪車,主要用于人員、物料運(yùn)輸、大型支架搬運(yùn),不符合煤礦安全規(guī)程對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求[9],無法對(duì)車輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位,對(duì)車輛超速也無法管理,地面更無法監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行時(shí)速。為實(shí)現(xiàn)察哈素煤礦智能化礦井的建設(shè)要求,使用一個(gè)本安融合基站實(shí)現(xiàn)人員精確定位、車輛精確定位、千兆自組環(huán)傳輸、車輛信號(hào)燈管理等綜合覆蓋與傳輸。

1.1 定位技術(shù)選擇

常用的井下定位技術(shù)有:有源射頻識(shí)別RFID技術(shù)[10]、Zigbee技術(shù)[11]、基于飛行時(shí)間的TOF的精確定位技術(shù)[12]以及基于TDOA的UWB精確定位技術(shù)[13]。相比較而言,基于TDOA的UWB精確定位技術(shù)更適合煤礦井下的人員的定位和車輛的定位、測(cè)速。

UWB技術(shù)在通信技術(shù)發(fā)展中是一種新興的全新技術(shù),傳統(tǒng)的一些通信技術(shù)與它存在著非常大的差距。UWB信號(hào)[14]在傳輸速率非常高、間隔距離極短的通信當(dāng)中具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力。由于UWB具有如此多的優(yōu)勢(shì),因此UWB脈沖信號(hào)作為測(cè)距定位技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的首選技術(shù)。由于UWB的脈沖寬度能夠達(dá)到ns極和亞ns級(jí),因此從理論上而言,UWB能夠?yàn)槎ㄎ幌到y(tǒng)提供厘米(cm)級(jí)甚至毫米(mm)級(jí)的極為精確的測(cè)距定位信息,因此在精確定位系統(tǒng)中具有非常廣闊的發(fā)展空間。

UWB技術(shù)作為無線定位技術(shù)的一種[15],是指用來判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量方法和計(jì)算方法。目前最常用的定位技術(shù)主要有:時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時(shí)間定位(TOA)和到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)等。其中,TDOA技術(shù)是目前最為流行的一種方案?；赥DOA的UWB精確定位技術(shù),為人員和車輛提供精準(zhǔn)的位置定位信息,便于礦井的生產(chǎn)、安全精細(xì)化管理,助力礦井未來信息化、智能化發(fā)展。

1.2 定位基站選型

考慮到早期的技術(shù)限制等多種因素,定位、無線通信、視頻、廣播等系統(tǒng)相互獨(dú)立,各系統(tǒng)線纜、供電等也相互獨(dú)立,投入較大,且為日后的維護(hù)帶來相當(dāng)大的難度。因此本次為礦井設(shè)計(jì)選用以太網(wǎng)接口的高度融合的一體化基站,基站可選配精確定位模塊、千兆交換機(jī)模塊、WiFi模塊、4G模塊/5G模塊(預(yù)留接口)與各類型網(wǎng)絡(luò)接口,基站也可為視頻、廣播等提供傳輸接口,減少巷道中設(shè)備數(shù)量與傳輸線纜數(shù)量,如圖1所示。

圖1 融合定位基站Fig.1 Integrated positioning base station

本安融合定位基站基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng),支持人員精確定位、膠輪車精確定位的接入、無線通信,可支持?jǐn)U展接入數(shù)字廣播、LED屏信息發(fā)布、井下視頻等系統(tǒng),能滿足礦方對(duì)融合定位基站的需求,內(nèi)置定位模塊和千兆交換機(jī)模塊,后期可在原有基礎(chǔ)上增加WiFi和5G模塊,無需對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改動(dòng),同時(shí)具備以太網(wǎng)、CAN總線等接口,可將有線攝像機(jī)、無線攝像機(jī),數(shù)字廣播等設(shè)備接入,實(shí)現(xiàn)一站式接入,體現(xiàn)“一站、一線、一網(wǎng)”設(shè)計(jì)理念,方便維護(hù)和使用;系統(tǒng)建成后,其自組環(huán)的千兆交換機(jī)可作為萬兆環(huán)網(wǎng)的有效擴(kuò)展;隔爆兼本安穩(wěn)壓電源可同時(shí)輸出3路直流供電,本安融合基站僅使用1路供電,另外2路可選擇給礦方其它本安設(shè)備進(jìn)行供電。

2 精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)定位

按照總體設(shè)計(jì)、分步實(shí)施,急用優(yōu)先,與企業(yè)發(fā)展相配合的設(shè)計(jì)原則,本次技術(shù)方案僅設(shè)計(jì)建設(shè)一套精確定位系統(tǒng)。如圖2所示,可實(shí)現(xiàn)人員精確定位、車輛精確定位、千兆自組環(huán)多類型接口附近設(shè)備可就近接入傳輸、車輛信號(hào)燈管理,井下通過一個(gè)融合基站、地面通過一套主備機(jī)服務(wù)器一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),可通過BC/CS版軟件進(jìn)行管理和顯示,實(shí)現(xiàn)一站多功能,后期可擴(kuò)展,減少井下設(shè)備安裝數(shù)量和后期維護(hù)工作量。

圖2 系統(tǒng)定位Fig.2 System positioning diagram

2.2 人員定位管理設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)礦區(qū)內(nèi)工作人員的實(shí)時(shí)監(jiān)管以及礦區(qū)內(nèi)車輛的實(shí)時(shí)調(diào)動(dòng),且一旦發(fā)生安全事故,系統(tǒng)可立即確定人員位置,開展快速救援。本精確定位設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控中心設(shè)計(jì)與井口控制設(shè)計(jì)2部分。并使人員定位與車輛定位共用一個(gè)定位模塊,監(jiān)控中心作為本定位系統(tǒng)的控制中樞,定位設(shè)備安裝在監(jiān)控中心機(jī)柜,數(shù)據(jù)服務(wù)器使用2臺(tái)服務(wù)器,通過配置的交換機(jī)相連,數(shù)據(jù)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備方式,滿足5 min內(nèi)自動(dòng)切換的要求。為滿足Web發(fā)布的需求,配備1臺(tái)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)定位信息的Web發(fā)布,具體流程如圖3所示。其定位系統(tǒng)服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與管理、司機(jī)檔案管理、入井車輛任務(wù)分配、派車管理等。

圖3 井口唯一性監(jiān)測(cè)Fig.3 Wellhead uniqueness monitoring

井口控制設(shè)計(jì)包括井口顯示設(shè)計(jì)、井口唯一性檢測(cè)設(shè)計(jì)與井口人員信息自助查詢?cè)O(shè)計(jì)等部分,兼顧實(shí)時(shí)監(jiān)控、查詢考勤與安全管理等功能。通過本系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)井下總?cè)藬?shù),并對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,捕捉其移動(dòng)軌跡與當(dāng)前位置,亦可對(duì)人員歷史軌跡進(jìn)行回放。除去上述定位與統(tǒng)計(jì)功能,還具備一定的安全事故預(yù)防功能,如生命安全檢測(cè)預(yù)警、人員的動(dòng)靜狀態(tài),如果超過設(shè)定的時(shí)間人員未動(dòng),預(yù)警系統(tǒng)便會(huì)啟動(dòng);區(qū)域超員與行進(jìn)軌跡異常告警及預(yù)警雙向呼救功能。在上述任一情況發(fā)生時(shí),系統(tǒng)都將采用主動(dòng)上報(bào)模式,對(duì)人臉識(shí)別異常或人員信息異常等情況發(fā)出警告信息,以便礦區(qū)內(nèi)其他值班人員及時(shí)作出反應(yīng)。

2.3 膠輪車運(yùn)輸管理設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)內(nèi)膠輪運(yùn)輸車輛的精確指派與調(diào)控,礦區(qū)在精確定位基礎(chǔ)上,只需配備車輛運(yùn)輸管理客戶端,客戶端調(diào)取精確定位服務(wù)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行膠輪車的管理,查看車輛軌跡、追蹤車輛位置、進(jìn)行超速違章查詢、進(jìn)行闖紅燈違章查詢、入井時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)、統(tǒng)計(jì)等功能。膠輪車運(yùn)輸管理系統(tǒng)與定位系統(tǒng)采用同一融合基站,可實(shí)現(xiàn)車輛1 m的精確定位,無需在三叉路口、十字路口設(shè)置專用的檢測(cè)基站。

車輛定位、測(cè)速與彎道聲光提醒為本系統(tǒng)的核心內(nèi)容。車輛定位與測(cè)速基站依托于融合定位基站,通過UWB精確定位系統(tǒng),連接車輛定位識(shí)別卡KJ915-K,對(duì)全礦井空車、重車總數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和實(shí)時(shí)測(cè)速,根據(jù)實(shí)際礦上軌道運(yùn)輸圖制作GIS地圖,隨著車輛的移動(dòng),地圖實(shí)時(shí)更新區(qū)域中車輛狀態(tài),如圖4所示。在地圖上點(diǎn)擊相應(yīng)的區(qū)域可以顯示出該區(qū)域總車輛裝運(yùn)物資狀態(tài),在巷道圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示車輛行蹤,同時(shí)顯示出車輛途徑各區(qū)域的時(shí)間點(diǎn)。輸入任意車輛編號(hào)可以立刻在地圖上顯示出車輛當(dāng)前位置,方便相關(guān)人員查詢。

圖4 GIS信息平臺(tái)Fig.4 GIS information platform

除上述功能外,根據(jù)井下巷道實(shí)際情況,本次設(shè)計(jì)將礦區(qū)內(nèi)紅綠燈直接接入融合基站,通過地面服務(wù)器進(jìn)行邏輯控制,實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行效率的提升,避免安全事故的發(fā)生,同時(shí)能確保行車、行人的安全,當(dāng)該區(qū)域基站車輛過多堵車的情況下自動(dòng)進(jìn)行調(diào)控切換,當(dāng)車輛闖紅燈時(shí)自動(dòng)生成報(bào)表該區(qū)間段內(nèi)該時(shí)刻運(yùn)行車輛的相應(yīng)信息,正常情況下按照紅綠燈邏輯進(jìn)行顯示,如生產(chǎn)過程中需要,調(diào)度室可通過遠(yuǎn)程操控紅綠燈狀態(tài),便于生產(chǎn)管理需要。

3 結(jié)語(yǔ)

基于TDOA的UWB精確定位技術(shù),結(jié)合與企業(yè)發(fā)展相配合的設(shè)計(jì)原則,建設(shè)一套精確定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了人員精確定位、車輛精確定位、千兆自組環(huán)多類型接口附近設(shè)備可就近接入傳輸、車輛信號(hào)燈管理。井下使用本安融合基站,地面通過一套主備機(jī)服務(wù)器一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),可通過BC/CS版軟件進(jìn)行管理和顯示,實(shí)現(xiàn)一站式接入,體現(xiàn)“一站、一線、一網(wǎng)”設(shè)計(jì)理念,方便維護(hù)和使用,后期可進(jìn)行有效擴(kuò)展,減少井下設(shè)備安裝數(shù)量和后期維護(hù)工作量。