高精度人员定位系统在天地王坡煤矿的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.043高精度人员定位系统在天地王坡煤矿的应用（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）摘要 随着煤矿井下人员定位技术的不断更新，为了进一步提高煤矿安全生产保障能力，满足公司智能矿山建设的要求，天地王坡煤矿采用了 UWB 技术的矿井精确定位系统并成功应用。实践证明，该系统适应井下复杂的环境，可在井工煤矿实现高精度精确定位，且系统容量大、安装便捷、运行稳定、抗干扰性能强，便于企业精准掌握井下作业人员信息，促进煤矿井下智能安全生产。关键词 智能矿山；UWB 技术；高精度；人员定位中图分类号TD76文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0135蛳 030引言根据国家煤矿智能化建设相关要求，人员定位系统向架构简单、稳定可靠、低成本、低维护方向发展，以高水准、高质量、高性能价格比为目标，满足国家智能化示范煤矿建设要求，且兼顾技术更新和未来发展趋势进行设计，以减少不必要的重复投资。为满足国家智能化示范煤矿建设要求，满足矿井精确定位需求，同时解决系统建设成本高的问题，设计了一种基于 UWB 技术的矿井精确定位系统咱员原圆暂。1总体设计整体方案设计遵循以下原则：高度自动化、高精确定位、先进的通信系统、完备的数据统计与信息查询软件；系统可靠性高、易于扩容、安装维护简便；系统具有双机热备功能，可以对人员出入井口、重点区域出入口、限制区域等地点进行监测，实现区域统计和出入方向判断。定位系统主要由综合分站定位模块、人员标识卡、车辆卡及便携式验卡仪等组成，煤矿人员管理系统拓扑结构如图 1 所示。图 1煤矿人员管理系统拓扑结构定位系统采用基于 TOF（Time Of Fligt）算法的UWB 高精度定位技术，定位精度高达 30 cm，主要实现对井下人员、车辆、设备的实时定位及管理，提高井下环境的安全性及井下人、车、设备管理的效率。定位模块信号覆盖范围为半径 400 m（可视距离），由于矿山井下环境复杂，一般情况下每隔800 m 布置 1 个综合分站（含定位模块），实现井下定位信号全覆盖咱3暂。当携带定位卡的人员、车辆、物品进入井下网络覆盖范围内，无论任何时刻、任意一点，综合分站都可以接收到定位卡周期性自发的信号，并经过井下环网把定位数据上传到信息工作站，经过软件分析处理后，得出各定位卡具体信息井下防爆话机井下防爆话机井下井下光纤环网综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站综合分站信息矿灯定位卡语音车辆卡智能矿灯本安手机无线摄像机井下主音箱信号转换器华宁皮带广播系统PSTN行政电话地面话机地面话机地面话机安全栅地面话机调度话机TCP/IP通讯线缆智能调度交换机移动网络互联网调度台IP 可视话机VOIP 调度机网管服务器检测监控服务器定位服务器智能对讲终端网络广播主机核心交换机AC 控制器显示系统大屏控制主机视频服务器数字矩阵能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41352023 年 8 月Aug.,2023杨晓龙高精度人员定位系统在天地王坡煤矿的应用（如：是谁，在哪个位置，具体时间），同时可把数据实时动态显示在监控中心的大屏幕或电脑上，并储存备份，井上管理人员可随时了解井下的状况。2技术特点（1）30 cm 高精度定位：国内独有的 UWB 信号飞行时间（TOF）定位，保证调度中心能够随时掌握井下每个人员的实时位置，实现误差 30 cm 的高精度定位。（2）全井覆盖：UWB 无线覆盖距离可达 400 m（可视距离），通过若干个综合分站就可以保证井下信号全覆盖（只有全井信号覆盖，求救和撤离才有实际意义）。（3）高速不漏卡：UWB 特殊的碰撞避免策略以及灵活的随机算法保证高速不漏卡，经矿井实践证明，200 张卡以 60 km/h 的时速同时经过 1 个分站时，不发生漏卡现象。（4）系统具备三维展现功能：地面监控软件实时展示井下各水平、各采区、各工作面的人员、设备位置信息，采用具有精确三维坐标的 GIS 平台，展现上述精确位置信息，并对地面办公楼、选煤厂等重要场所，井下巷道、定位分站、矿工等进行建模。系统能够显示井下设备和人员的位置信息，具有对井下特定人员实时位置跟踪、人员历史轨迹回放等功能，具有镜头跟随、中心跟随、全景展示、第一人称 4 种回放模式，实现对人员的管理咱源原缘暂。第一人称模式：以第一人称模式模拟人员在井下巷道中行走，展示巷道周边环境，形象逼真，同时显示人员基本信息、位置信息、定位距离等。镜头跟随模式：在切面层以远镜头模式跟随人员走动。中心跟随模式：以远视角跟随人员行走轨迹，以大视角查看巷道布置和周围环境，在救灾救援中可以有效快速地指导人员逃生。地面建模模型：矿井巷道建模图可以直观、立体体现井下巷道分布。实时数据信息：当前人员走动路线可在三维 GIS 上实时显示，如图 2 所示。图 2三维 GIS 动态展示3主要功能3.1系统功能（1）实时精确监控：基于 GIS 的井下地图显示，生动再现井下全貌，监控人员可以在软件界面上看到人员、车辆、设备的分布和走动情况。（2）实时轨迹跟踪：可对人员、车辆、设备的活动路线进行跟踪，实时描绘出当前运动轨迹，或对其历史轨迹进行回放，掌握其详细工作路线和时间，在进行救援或事故分析时可提供有效的线索或证据。（3）求救报警：井下人员或设备出现异常情况时，可通过人、车定位终端向系统发出报警求救信号，地面监控界面立即显示出报警提示，对警报发出人和所在地点一目了然。（4）紧急撤离：地面人员掌握到异常情况后，可通过系统向所有人员、车辆发出紧急指令，指挥井下人员迅速撤离，并可动态掌握撤离情况。（5）区域禁止/限制报警：区域报警用于监控井下人员、车辆是否进入禁区或无权限进入的区域，当出现以上情况时，系统发出报警提示。（6）车辆超速报警：当车辆入井后，根据精确的实时定位，可对井下车辆的车速进行监测，当车速超过限定的速度时，系统将发出报警提示。（7）超时报警：当人员、车辆在井下停留的时间超过系统设置的时间，则系统发出超时报警提示。（8）超员报警：井下某一区域或全矿人员超过限定人数时，系统发出超员报警提示。（9）考勤管理：可对个人、班组、部门进行考勤统计，或根据工种、职务等进行统计；也可对车辆进行出入井考勤，统计项目详细，其结果可保存为 Excel表格，或形成报表打印，并可与矿方其它办公系统无缝结合。3.2智能车载终端智能车载终端基于 Android 系统，集成 UWB 精确定位、5G/4G 通信通话、Wi-Fi 通信、行车记录、数1362023 年 8 月Aug.,2023据采集等功能，调度中心可实时掌握车辆的动态信息。该终端作为车辆管理系统的重要组成，可实现车辆出入井、井上井下全方位、智能化的调度；利用矿井精确定位系统与无线通信系统可实现井下辅助车辆运输的智能化管理，可与车载终端进行全双工语音通话，实现入井车辆的高精度定位；支持 4G信号的无线传输，能够实现一键直呼调度、自动接听、语音双向对讲，支持行车记录仪功能，支持本地存储；从车辆电瓶直接取电，车辆断电后利用后备供电，后备电源的工作时间不小于 2 h；内置 UWB车辆识别卡，可实现车辆定位、测速功能；系统能够在二维地图中显示当前井下车辆的精准位置、行进方向、当前车速、驾驶员等相关信息；支持通过同步地图服务的方式，接收矿井精确地图数据，并在精确的地图中显示当前车辆的相关信息，为车辆调度提供依据；系统具备车辆轨迹回放功能。3.3设备组成KJ236（B）煤矿人员管理系统主要由服务器、客户端、系统软件、矿用本安型读卡分站、电源箱、人员识别卡、智能车载终端以及唯一性检测装置等设备组成，读卡分站可以直接接入环网，分站之间采用光缆级联方式连接，便于安装维护。系统网络框架如图 3 所示。图 3KJ236（B）煤矿人员管理系统框架该装置将虹膜特征信息与员工识别卡唯一绑定，具有唯一性识别功能咱远暂。员工入井时系统通过对比虹膜信息和识别卡信息相一致时，才认为本次考勤有效且开启闸机。若该员工携带识别卡与虹膜信息不一致或检测到其携带多张识别卡，系统报警且闸机不会开启。入井后，虹膜识别、井下轨迹均符合判定条件方作为有效考勤记录；若有异常则生成对应异常报表，作为管理处罚依据。本方案设计的唯一性识别装置由单通道翼闸、检卡虹膜识别装置、控制器、读卡控制单元构成。检卡虹膜识别装置：用于对井口携卡人员进行虹膜检测，获取人员识别卡信息。安装唯一性检测识别软件，用于对下井人员进行虹膜识别，并和井口读卡器获取的识别卡信息进行对比，若信息一致，则发出检测通过的命令，在井口显示屏上显示；若信息不一致，则发出告警信息。该装置还可实现一人带多卡检测报警功能。通道闸机：考勤有效且仅携带一张识别卡时，闸机才会开启。4结论人员精确定位系统采用 UWB 定位方法，实现了人员、车辆位置信息的实时监测、精确定位。同时系统可以检测到每位下井人员的定位卡是否唯一，是否正常工作。该系统基于三维坐标的 GIS 平台，可生动形象地展现井下人员、车辆的分布、运动情况，既能满足车辆调度、语音通信、安全驾驶等功能的需求，又能满足井下复杂环境下人员精确定位的要求，为 5G 智能化建设打下坚实的基础。参考文献1贾文.基于决策-预测的 UWB 井下人员定位技术和系统研究 J.能源技术与管理，2021，46（5）：166-168.2张海军，孙学成，赵小虎，等.煤矿井下 UWB 人员定位系统研究 J.工矿自动化，2022，48（2）：29-34.3王飞.基于 UWB 技术的矿井精确定位系统 J.煤矿安全，2021，52（7）：99-102.4洪玉玲.基于三维 GIS 的煤矿井下人员精确位置地图管理系统 J.煤矿安全，2020，51（8）：144-146.5李夏.基于 Web CIS 的人员运动轨迹回放技术 J.煤矿安全，2020，51（2）：128-132.6张炜，付元，刘昕.基于 433MHz 无线通信与虹膜识别的矿用唯一性检卡装置 J.工矿自动化，2021，47（7）：130-134.作者简介杨晓龙（1988-），男，助理工程师，毕业于太原理工大学采矿工程专业，长期从事煤矿信息化技术管理工作。收稿日期：2022-10-28井下环网人员定位管理系统矿区局域网总工办矿领导调度室检测主机检测备机Web服务器识别卡定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站分站信息矿灯信息矿灯智能矿灯智能矿灯识别卡井上井下能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4137