察哈素煤矿人员车辆精确定位管理系统设计

郭 鹏

(国电建投内蒙古能源有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017209)

0 引言

受现代科技的影响,数字矿山建设逐步完善,人员定位系统作为矿山六大系统之一,需进一步向精细化管理方向发展[1]。人员精确定位具备人员、车辆的精确定位及为其他系统提供人员和车辆的精确位置信息等功能。如遇紧急事故,可迅速、准确地对井下人员进行定位,缩短救援时间,提高人员生还率[2-3]。另外,建设人员精确定位系统,也有利于后期矿山建立物联网的人员车辆感知、车辆管理、无人化工作面、矿山机电设备管理等系统。目前,学者们对煤矿精确定位系统已进行了许多研究。例如,张向阳等[4]基于射频识别技术,开发出一套井下作业人员定位管理系统,并对管理系统开放的可行性进行了论证,李崇[5]基于RFID技术改进中小型煤矿中的人员精确定位系统,使得井下的人员调度管理更加合理。矿井下不仅只有作业人员,车辆同样是井下生产运行的重要环节,张三奇[6]结合车载卫星定位终端与车辆上安装的卫星定位设备,建立网络地理信息系统,保证了车辆的高效运作。杜善营等[7]所开发的矿车定位综合管理系统采用微波识别技术,实现对井下车辆的实施动态管理与监测,有效控制了井下的车辆调派与行车安全。车辆和人员管理手段对矿井下的安全作业起决定性作用[8],考虑到现如今智能化监管手段的缺失,亟需进一步开发精确的定位管理系统,保证井下作业的顺利进行。

察哈素煤矿受当时的技术发展条件限制,所采用的区域定位系统已无法满足数字矿山建设对人员和车辆准确位置的基本要求。由于定位系统的滞后,井下胶轮车常出现超速行驶、堵车、撞车等情况,无法发挥其机动灵活、适应性强、安全高效、应用范围广的优点。为保证车辆运行安全,提高效率,需要建设精确定位系统。

1 定位系统技术设计

目前该煤矿采用常州天地的区域定位系统存在漏读问题,无法实时监测人员精准位置,使用效果差,维护不便。矿内有多台防爆胶轮车,主要用于人员、物料运输、大型支架搬运,不符合煤矿安全规程对监测系统的要求[9],无法对车辆进行精准定位,对车辆超速也无法管理,地面更无法监测车辆运行时速。为实现察哈素煤矿智能化矿井的建设要求,使用一个本安融合基站实现人员精确定位、车辆精确定位、千兆自组环传输、车辆信号灯管理等综合覆盖与传输。

1.1 定位技术选择

常用的井下定位技术有:有源射频识别RFID技术[10]、Zigbee技术[11]、基于飞行时间的TOF的精确定位技术[12]以及基于TDOA的UWB精确定位技术[13]。相比较而言,基于TDOA的UWB精确定位技术更适合煤矿井下的人员的定位和车辆的定位、测速。

UWB技术在通信技术发展中是一种新兴的全新技术,传统的一些通信技术与它存在着非常大的差距。UWB信号[14]在传输速率非常高、间隔距离极短的通信当中具有非常强的优势和竞争力。由于UWB具有如此多的优势,因此UWB脉冲信号作为测距定位技术应用领域中的首选技术。由于UWB的脉冲宽度能够达到ns极和亚ns级,因此从理论上而言,UWB能够为定位系统提供厘米(cm)级甚至毫米(mm)级的极为精确的测距定位信息,因此在精确定位系统中具有非常广阔的发展空间。

UWB技术作为无线定位技术的一种[15],是指用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法。目前最常用的定位技术主要有:时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间定位(TOA)和到达时间差定位(TDOA)等。其中,TDOA技术是目前最为流行的一种方案。基于TDOA的UWB精确定位技术,为人员和车辆提供精准的位置定位信息,便于矿井的生产、安全精细化管理,助力矿井未来信息化、智能化发展。

1.2 定位基站选型

考虑到早期的技术限制等多种因素,定位、无线通信、视频、广播等系统相互独立,各系统线缆、供电等也相互独立,投入较大,且为日后的维护带来相当大的难度。因此本次为矿井设计选用以太网接口的高度融合的一体化基站,基站可选配精确定位模块、千兆交换机模块、WiFi模块、4G模块/5G模块(预留接口)与各类型网络接口,基站也可为视频、广播等提供传输接口,减少巷道中设备数量与传输线缆数量,如图1所示。

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

本安融合定位基站基于标准以太网,支持人员精确定位、胶轮车精确定位的接入、无线通信,可支持扩展接入数字广播、LED屏信息发布、井下视频等系统,能满足矿方对融合定位基站的需求,内置定位模块和千兆交换机模块,后期可在原有基础上增加WiFi和5G模块,无需对原有设备进行改动,同时具备以太网、CAN总线等接口,可将有线摄像机、无线摄像机,数字广播等设备接入,实现一站式接入,体现“一站、一线、一网”设计理念,方便维护和使用;系统建成后,其自组环的千兆交换机可作为万兆环网的有效扩展;隔爆兼本安稳压电源可同时输出3路直流供电,本安融合基站仅使用1路供电,另外2路可选择给矿方其它本安设备进行供电。

2 精确定位系统设计

2.1 系统定位

按照总体设计、分步实施,急用优先,与企业发展相配合的设计原则,本次技术方案仅设计建设一套精确定位系统。如图2所示,可实现人员精确定位、车辆精确定位、千兆自组环多类型接口附近设备可就近接入传输、车辆信号灯管理,井下通过一个融合基站、地面通过一套主备机服务器一个数据库,可通过BC/CS版软件进行管理和显示,实现一站多功能,后期可扩展,减少井下设备安装数量和后期维护工作量。

图2 系统定位Fig.2 System positioning diagram

2.2 人员定位管理设计

为实现系统对矿区内工作人员的实时监管以及矿区内车辆的实时调动,且一旦发生安全事故,系统可立即确定人员位置,开展快速救援。本精确定位设计主要包括监控中心设计与井口控制设计2部分。并使人员定位与车辆定位共用一个定位模块,监控中心作为本定位系统的控制中枢,定位设备安装在监控中心机柜,数据服务器使用2台服务器,通过配置的交换机相连,数据服务器采用双机热备方式,满足5 min内自动切换的要求。为满足Web发布的需求,配备1台服务器,实现定位信息的Web发布,具体流程如图3所示。其定位系统服务器可实现对车辆相关数据的分析与管理、司机档案管理、入井车辆任务分配、派车管理等。

图3 井口唯一性监测Fig.3 Wellhead uniqueness monitoring

井口控制设计包括井口显示设计、井口唯一性检测设计与井口人员信息自助查询设计等部分,兼顾实时监控、查询考勤与安全管理等功能。通过本系统统计井下总人数,并对井下人员进行实时跟踪,捕捉其移动轨迹与当前位置,亦可对人员历史轨迹进行回放。除去上述定位与统计功能,还具备一定的安全事故预防功能,如生命安全检测预警、人员的动静状态,如果超过设定的时间人员未动,预警系统便会启动;区域超员与行进轨迹异常告警及预警双向呼救功能。在上述任一情况发生时,系统都将采用主动上报模式,对人脸识别异常或人员信息异常等情况发出警告信息,以便矿区内其他值班人员及时作出反应。

2.3 胶轮车运输管理设计

为实现对矿区内胶轮运输车辆的精确指派与调控,矿区在精确定位基础上,只需配备车辆运输管理客户端,客户端调取精确定位服务器中数据进行胶轮车的管理,查看车辆轨迹、追踪车辆位置、进行超速违章查询、进行闯红灯违章查询、入井时长统计、统计等功能。胶轮车运输管理系统与定位系统采用同一融合基站,可实现车辆1 m的精确定位,无需在三叉路口、十字路口设置专用的检测基站。

车辆定位、测速与弯道声光提醒为本系统的核心内容。车辆定位与测速基站依托于融合定位基站,通过UWB精确定位系统,连接车辆定位识别卡KJ915-K,对全矿井空车、重车总数进行实时定位和实时测速,根据实际矿上轨道运输图制作GIS地图,随着车辆的移动,地图实时更新区域中车辆状态,如图4所示。在地图上点击相应的区域可以显示出该区域总车辆装运物资状态,在巷道图上实时动态的显示车辆行踪,同时显示出车辆途径各区域的时间点。输入任意车辆编号可以立刻在地图上显示出车辆当前位置,方便相关人员查询。

图4 GIS信息平台Fig.4 GIS information platform

除上述功能外,根据井下巷道实际情况,本次设计将矿区内红绿灯直接接入融合基站,通过地面服务器进行逻辑控制,实现车辆运行效率的提升,避免安全事故的发生,同时能确保行车、行人的安全,当该区域基站车辆过多堵车的情况下自动进行调控切换,当车辆闯红灯时自动生成报表该区间段内该时刻运行车辆的相应信息,正常情况下按照红绿灯逻辑进行显示,如生产过程中需要,调度室可通过远程操控红绿灯状态,便于生产管理需要。

3 结语

基于TDOA的UWB精确定位技术,结合与企业发展相配合的设计原则,建设一套精确定位系统,实现了人员精确定位、车辆精确定位、千兆自组环多类型接口附近设备可就近接入传输、车辆信号灯管理。井下使用本安融合基站,地面通过一套主备机服务器一个数据库,可通过BC/CS版软件进行管理和显示,实现一站式接入,体现“一站、一线、一网”设计理念,方便维护和使用,后期可进行有效扩展,减少井下设备安装数量和后期维护工作量。