新维煤矿高精度井下人员定位系统设计研究

赵冬冬

（山西乡宁焦煤集团 毛则渠煤炭有限公司，山西 临汾 142100）

1 概况

在煤矿开采作业中，井下人员定位系统是保证开采人员作业安全的重要手段。随着国家、地方各项标准出台，井下高精度实时人员定位系统逐步取代原有的区域定位系统，建立完善可靠的精确人员管理系统对于提高矿井现代化管理程度、提高生产效率，加强安全及生产管理，保障矿工生命和国家财产安全都有非常重大的意义。结合新维煤矿现有井下人员定位系统缺陷，进行适合该矿的矿井精准人员定位系统的设计及应用研究。

2 系统现状及存在的问题

新维煤矿现有井下KJ251A 型区域人员定位系统采用RFID 定位技术，定位精度100 m。目前运行基本正常，但系统建设时间较长，且定位技术落后、精度低，设备较老化，煤矿人员日常管理难度大，一旦发生事故抢险救灾缺乏可靠信息，安全救护的效率低。该煤矿的人员定位系统运行过程中主要存在如下问题。

（1） 在用系统已连续运行多年，在运行的过程中虽然进行过相应设备的技术升级，但均是在原有设备的基础上进行维护和改进，设备采用的核心技术仍然落后，精度低、抗干扰能力差，且部分设备的电子元器件由于长时间使用已老化，设备故障率高，维护成本高。

（2） 在用系统定位技术为RFID，无法实现精确定位，一旦发生事故抢险救灾时，不能有效定位到井下人员具体位置。

（3） 在用系统漏卡率、误码率较高，存在井下人员轨迹、考勤数据不完整，达不到人员定位系统使用要求以及煤矿井下人员定位管理要求。

（4） 在用系统配套分站电池由于多年长时间使用，大部分分站后备电源在交流电停电后已达不到2 h 供电要求，个别分站甚至小于1 h。

3 人员定位系统总体方案设计

依托新维煤矿井下KJ251A 型区域人员定位系统现有特点，开展高精度人员定位系统设计研究。设计的系统分为应用层、传输层和设备层，定位系统及无线通讯系统结构如图1所示。

图1 精确人员定位系统及无线通讯系统结构Fig.1 Precise personnel positioning system and wireless communication system structure

（1） 应用层。地面中心站包括监控主备机、系统管理软件、融合服务服务器、数据库服务器等。通过部署融合软件平台实现安全监控、应急广播等多系统联动；通过上传软件与集团、省局实现数据互联；通过移动APP 实现移动终端现数据、轨迹查询；通过二、三维GIS 展示平台实现二、三维数据查询与显示、轨迹回放。

（2） 传输层。系统既可以全矿井以太网传输，局部也可以采用总线传输。全矿井以太网传输从中心站地面输出本安型交换机通过2 芯光纤，与井下本安型网络交换机逐个相连，构成环形以太网络传输平台，定位和无线通讯一体化读卡分站通过以太网光口或以太网电口接入环网平台。局部总线传输从分站至交换机采用2 芯通讯电缆，就近接入工业以太网交换机。定位分站之间通过光纤完成级联，定位分站与读卡器通过线缆完成级联，实现在巷道内移动信号的广泛覆盖，便于移动终端数据收发。

（3） 设备层。设备层包括唯一性检测装置、读卡分站/基站、读卡器、本安显示屏/声光报警器、标识卡、信息化矿灯、本安型手机等，实现出入井人员唯一性检测与考勤，井下人员实时定位、数据采集与预处理、单向与双向通讯、指令接收与发送、手机无线通讯等功能。

4 人员定位系统主要模块设计

4.1 系统中心站设计

系统中心站为整个人员定位系统中的核心模块，布置3 台工控机（型号IPC-610L），2 台用于人员定位系统终端显示、数据采集、存储、查询、打印、井下测点设置与远程控制，一主一备互为冗余，另外1 台用于无线通信。配套软件主要用于精确定位系统管理，包括上传软件1 套用于系统数据上传，GIS 融合软件用于系统三维显示，手机APP软件1 套用于移动终端数据显示、查询。工控机配套正版WIN10 操作系统，用于监控主机，利用矿上现有UPS 后备电源，作为监控主机、服务器后备电源，保证机房交流电断电后系统正常运行8 h。

4.2 关键仪器设备设计

4.2.1 KJ251A-WY3 型人员唯一性检测装置设计

KJ251A-WY3 型针对KJ251A-K3 标识卡要求，满足精确定位系统。该系统采用先进的图像识别技术（能同时识别面部污渍、照片、视频、硬质面具、硅胶面具等防伪攻击）、短距离识别技术及唯一性检测算法，通过与人员定位系统融合加强对入井人员管理。KJ251A-WY3 型人员唯一性检测装置如图2所示，该型装置人脸识别速度≤0.6 s，单张标识卡完好性判断速度≤2 s，平均人员通过时间≤4 s，正常情况下，多卡检测准确率≥98%，闸机通行速度20～60 人/min，人像采集识别距离0.3～0.7 m。通过此检测装置可实现入井人员身份精准核对确认，准确判断是否携带标识卡及标识卡的完好性，动态非接触快速识别判断出入井人员携带标识卡数量，避免一人携带多张卡入井；实时准确统计井下作业人员数量。

图2 KJ251A-WY3 型人员唯一性检测装置Fig.2 KJ251A-WY3 personnel uniqueness detection device

4.2.2 KJ251(A)-F2 矿用本安型读卡分站

KJ251(A)-F2 矿用本安型读卡分站，集成常规定位读卡器、传输分站及无线通讯基站的功能，可实现UWB/Zigbee 标识卡和信息矿灯的精确定位、双向通讯，信息矿灯的语音对讲信号采集、传输，本安型手机的无线通讯，配接读卡器的数据传输及Wifi 信号的覆盖。工作电压12.0～25.0VDC，工作电流≤1 000 mA，定位分站与标识卡的最大位移速度不小于5 m/s，采用光纤传输，最大传输距离10 km，防护等级IP65。

4.2.3 KJ251(A)-K6 型标识卡

KJ251(A)-K6 型标识卡是一种应用于煤矿井下目标的无线识别及通讯的有源射频标识卡，配合KJ251(A)-F2 读卡分站、KJ251(A)-D4 读卡器使用，实现UWB 精确定位。KJ251(A)-K6 型标识卡的工作频率2.4±0.1 GHz，工作电压3.5V～4.2 VDC，最大工作电流500 mA，标识卡与定位分站/读卡器之间的最大无线传输距离（视距无遮挡、无同频干扰） 400 m。该标识卡具有双向通讯、电池欠压提示、报警信息指示、紧急呼救等功能，具有电池工作寿命长、外壳密封好等优点，满足煤矿井下潮湿、粉尘多等环境的应用要求，也满足腰带卡、灯绳卡等携带需要。

4.3 精准定位系统设计

4.3.1 全局监测分系统设计

全局监测分系统可对当前井下人员的实时位置进行动态监测，通过此功能可了解当前井下总人数、当天入井人数、带跟班人员情况、特殊工种情况、各区域入井情况以及各部门的总人数，并可实时监控当前井下的异常情况。数据可通过二/三维GIS、报警、图表等多种方式进行呈现，并可了解各种数据的细节，是人员定位监测的重要功能之一。全局监测分系统显示界面如图3所示。

图3 全局监测分系统显示界面Fig.3 Global monitoring subsystem display interface

4.3.2 井下人员实时查询模块设计

可通过部门、职务、工种、卡号/姓名/工号等多种条件组合，针对性地查询特定条件的人员井下实时数据。查询结果以列表进行展示，展示数据包括卡号、姓名、部门、职务、工种、入井时间、入井时长、当前所在位置、当前位置所在时长、来源位置、班次、距离等，并可进一步点击了解该人员的基本信息、本次入井轨迹和近期出勤情况等其它数据。

4.4 矿井GIS 融合界面设计

融合首页界面以GIS 为基础显示各业务系统的实时数据，GIS 图形支持放大、缩小、平移、鹰眼、分层、快速定位、测距等多种操作，并可以使用鼠标在GIS 图形上进行交互（如鼠标移入提示、点击查看细节等），图形上的点可直接点击得到相应的细节。GIS 图形上具有综合指标显示、业务系统综合门户等显示，可快速了解查看相关信息系统数据。矿井GIS 融合首页界面如图4所示。

图4 矿井GIS 融合首页界面Fig.4 Mine GIS fusion home page interface

5 系统应用测试效果分析

为验证设计的人员定位系统的可靠性及稳定性，结合新维煤矿现有定位系统，将新系统在该矿进行了实际应用测试，测试周期为3 个月。在实际应用过程中，该系统运行正常、系统稳定可靠，能通过GIS 融合首页将井下的人员数量、区域人员情况、井下人员变化趋势、井下人员实时分布、部门分布情况等进行实时统计及显示，了解各项数据的明细，显示内容较为直观清晰。系统可自动分析井下人员路径的巷道，并自动进行轨迹的动画回放操作，井下人员数据统计如图5所示。整套系统的智能化程度相对较高，实现了大数据在矿井中的成功应用。据该煤矿人员评价，该系统的成功应用，提高了井下人员的作业安全，更加智能的实现了对人员的作业管理及安排，整体运行成本降低，具有重要的推广应用价值。

图5 井下人员数据统计Fig.5 Statistics of underground personnel

6 结语

针对新维煤矿中井下人定位系统存在问题，开展了该矿高精度新型井下人员定位系统的应用设计及研究。通过应用测试，验证了该系统的可行性，能准确对井下人分布情况、人员作业情况及作业区域等方面进行全面统计及显示，实现了实时追踪井下人员位置，并与通讯系统联动，实现一键应急救援，有效保障了井下人员作业安全，提高了新维煤矿智能化程度，具有应用推广价值。