高精度人员定位系统在同忻煤矿的应用

高 龙

（晋能控股煤业集团信息化中心，山西 大同 037003）

根据国家推进智慧矿山建设的政策要求，在煤矿井下工作地点，要实现对人员位置的实时定位，对人员的误操作及行动轨迹进行实时跟踪及异常报警。 当前使用的煤矿井下人员定位系统缺少实时高精度定位，无法发挥定位系统应有的作用，难以从根本上消除安全隐患避免事故发生，且其扩展功能非常有限，唯一性识别与定位系统结合效果不理想，不符合一级标准化矿井建设要求。在当前系统基础上，升级建立一套高精度煤矿井下人员定位系统已成为智慧矿山建设工作的重点之一。 为此，结合同忻煤矿的特点，开展了该煤矿中高精度井下人员定位系统的设计研究。

1 系统总体方案设计

1.1 系统组成分析

结合同忻煤矿井下环境特点，在满足《煤矿安全规程》（2016 版）、《煤矿井下作业人员位置监测与管理系统通用技术条件》（AQ6210-2007） 等行业标准和规范要求的情况下，开展了矿井中高精度人员定位系统的设计研究。 所设计的高精度人员定位系统型号为KJ98（A）型，主要采用三层架构设计，分别为感知层、传输层、应用层。 主要由地面中心站、系统软件、双机热备软件、多功能基站、人员定位分站、读卡器、人员识别卡等组成[1]。另外还在各井口配置有井口人员唯一性检测装置。 系统框架如图1 所示。

图1 KJ98-F（C）矿用隔爆兼本安型通讯基站

图1 煤矿中高精度人员定位系统框架

1.2 系统功能特点

（1）内部技术采用UWB定位技术，定位精度30 cm，含井下巷道、采煤工作面及顺槽、掘进工作面。

（2）按照1:1 的三维立体矿图，与真实比例的三维地理信息系统配合，可扩展出大量应用，提供多系统融合及联动报警接口。

（3）采用了多功能基站，提供以太网络光口、电口、CAN、485、433、WIFI等多种国际标准接口，为现有矿井监控系统升级改造及多系统融合提供了充足的空间，降低新建系统的投资成本。 其中，该系统的巡检周期为4s，被测目标最大位移速度≥5 m/s，识别卡与读卡分站之间的无线传输距离≥500 m；工作面精确定位，用双绞线级联。

1.3 传输方式

系统主干网传输采用工业以太环网方式，分站或基站与主干网之间采用工业以太网；分站（基站）和读卡器之间采用以太网、RS485 传输。

1.4 系统容量

系统接入读卡器（基站）数量512 台，识别卡数量65 000 个。

另外，通过虹膜或人脸识别技术和近距离读卡技术结合，实现井口的唯一性识别检卡功能，杜绝多带卡、替代卡、无卡入井等情况发生。

2 关键仪器部件选型

2.1 通讯基站选型

该系统确定的矿用隔爆兼本安型通讯基站为KJ98-F（C）型号，在煤矿综合信息系统传输中除了可接入KJ98-D读卡器之外，还能接入不同厂家带有标准通信接口的设备，可以实现工业以太网在煤矿井下各类数据地交换、信息转发和传输，为多系统井下融合提供传高速输通道和平台[2]。配备了2 路RS485 总线接口和CAN总线接口，自带电池供电时长＞8 h，最高速率可达1 300 Mbps，基站与WIFI手机的最大无线通信距离：800 m，基站具有对各读卡器的发送过来的标识卡信息进行接收、处理、存储、传输、电池管理等功能。

2.2 本安型读卡器选型

读卡器用于识别煤矿井下的无线标识卡，是射频电子标签的识别设备，具有优先接收标识卡紧急求救信息、标识卡电池电量监视功能；对标识卡进行“群呼”和“个体寻呼”等功能；具有接收无线编码信号的功能，与标识卡具有双向通讯的功能，与数据通讯接口通讯的功能，电源指示、上位通讯信号指示功能[3]。 因此，选用KJ98-D型矿用本安型读卡器，通过UWB无线方式识别KJ98-K（C）系列矿用定位标识卡。该仪器的定位精度为30 cm，读卡器与标识卡的最大位移速度应≥5 m/s，读卡器有效接收半径≥500 m，具有时间标记功能。UWB无线通信距离远：大于400 m。

2.3 标识卡匹配选型

KJ98-K（C）标识卡采用高精度定位技术，主要用于对煤矿井下人员进行监测和定位。 标识卡与读卡器具有双向通信通讯功能，可向井上发出求救报警信号或接收撤离信号。 标识卡具有紧急呼救按钮，具备一键求救功能，运动传感检测，可检测静止、运动状态，标识卡具有振动提示功能。求救时报警灯闪烁、低电时报警灯闪烁、撤离时振动同时提示。 可充电识别卡通讯距离远，灵敏度高，功耗低，识别卡单次充电连续工作时间40 天，定位精度0.3 m。 可充电识别卡具有“防尘、防水、防撞击”的特性，能够适应恶劣的井下环境，识别卡具有三防功能，防护等级应达到IP65。

3 定位系统各项功能

3.1 识别多个同时进入识别区域的识别卡

KJ98-D矿用本安型读卡器通过无线方式识别KJ98-K（C）系列矿用定位标识卡，将获得信息通过以太网上传至服务器。 读卡器具有电源指示、上位通讯信号指示功能，信号中断后的数据存储和续传功能。具有时间标记功能。读卡器与标识卡并发识别数量≥80。 通过此识别卡能实现多个人员同时进入识别区域的识别显示，如图2 所示。

图2 识别卡识别后显示

3.2 人员进入禁入区及工作超时告警

在井下一些重要硐室、 危险场合配备读卡器和引导发布设备，实时通报强行进入人员信息，可有效地阻止人员违章进入，并将违章人员记录在案。 当人员在井下停留超出规定时间时，系统将发出告警并记录。 人员下井时间超过规定的时间或在限制区域超过规定时间，系统会自动触发地面中心站和WEB 界面声光报警装置并提供相关人员的名单等信息，并将超时人员信息记录在案。 由此，实现人员进入禁入区及工作超市的告警功能。

3.3 唯一性检测装置

该系统能够无缝兼容矿井现有唯一性检测装置（如无法兼容则需要新建），兼容或新建后的性能不低于原唯一性检测装置的性能。 通过唯一性检测装置的时间小于3s，误识率≤0.5%，拒识率≤1%。 人员通过虹膜机或人脸识别机进行生物识别，识别后通过定位打卡联合信息决定翼闸开闭。 对于一人多卡，没有虹膜信息的入井人员信息将被系统区别统计。 井口唯一性识别检测装置结构如图3 所示。

图3 井口唯一性识别检测装置结构

4 应用效果分析

将新设计的高精度人员定位系统集成在同忻煤矿中的矿山综合管理系统中，对此系统进行实际应用效果验证，测试周期约3 个月。 在测试过程中，高精度人员定位系统能通过所设计的标识卡、通讯基站等配置，将井下人员的作业位置、作业区域、行驶路径等信息通过显示界面进行实时显示，当人员未经允许进入禁区时，此系统将通过显示界面将人员状态及所属部门等相关信息及时发出相应的报警提示，人员身上的随身跟踪器也将发出相应的报警提示。 人员进入禁区报警显示界面如图4 所示。

图4 人员进入禁区报警显示界面

5 结语

通过将新设计的高精度人员定位系统在同忻煤矿进行应用测试，得出：该系统运行良好，性能稳定可靠，能实时地对井下人员作业情况及位置进行精准定位，并显示界面全方位显示，针对人员出现的异常情况也能及时发出相应的报警显示及提示，整个矿井中人员定位的智能化程度相对较大，显著提高了矿井井下人员定位系统的性能。