基于三维GIS 的煤矿井下人员精确位置地图管理系统

洪玉玲

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

煤矿井下人员定位系统是专业用于井下移动目标（人员、车辆等）的无线定位、路径跟踪和考勤管理的系统[1]。迄今为止，煤矿井下人员定位系统已经发展到了第四代，即基于UWB 技术的精确定位系统，定位精度可达30 cm[2-4]，达到了精确定位的水平，被誉为井下“北斗”系统。2019 年11 月20 号，AQ 6210—2020《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》（征求意见稿）并向各相关企业单位及专家征求意见，提出了煤矿井下人员精确定位系统最大静态定位误差不大于30 cm 的要求[5]。该技术条件将替代AQ 6210—2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》，由“人员管理系统”变更为“人员定位系统”也体现了对井下人员“定位”的更高要求。山东省煤矿安全监察局印发了《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》的通知，规定了“煤矿人员精确定位系统应具备或通过融合系统具备三维展示功能，地面中心站实时展示井下各水平、各采区、各工作面人员、设备的位置信息，采用具有精确三维坐标的GIS 平台，展示上述精确位置信息”[6]。由此可见，具有精确三维坐标的地图管理平台是煤矿人员精确定位系统重要的建设内容。目前，大多数的煤矿井下人员定位系统仍然采用基于二维GIS 的模拟图，存在井下巷道空间表现不直观，人员位置不精确等问题，三维GIS 地图能够很好的解决这些问题。针对上述需求，依托KJ405T 煤矿井下人员定位系统采集的井下人员相对基准点的方向及距离的监测数据，基于三维GIS 平台开发了一个煤矿井下人员精确位置地图管理平台[7-10]，介绍了三维GIS 平台的选择依据，提出了平台的架构设计及功能模块设计，并给出系统的应用实例。

1 三维GIS 平台架构

LongRuan GIS 是龙软科技集20 年地下空间信息管理服务和研发经验，推出的一套具有完全自主知识产权的GIS 平台产品，可以无缝支持二三维一体化的空间数据集成和管理，可以兼容AutoCAD 各版本文件、ArcGIS、MapGIS 等主流数据格式。相较其它三维GIS 平台，LongRuan GIS 更加专注于煤炭行业的需求，具备完善的符合煤炭行业规范的便准岩性编码和专业符号库，提供了煤矿井下巷道三维自动化建模技术，只需要在煤矿采掘工程平面图的基础上，绘制出巷道的中心线，并提供关键GIS 导向点的高度坐标即可生成井下巷道的三维空间地图，并自动完成巷道贴图。二次开发用户，只需在此基础上开发具体的业务应用即可，无需关注专业的底层GIS 技术。另外，LongRuan GIS 地图服务器可以对LongRuan GIS 客户端编辑的地图进行自动更新与发布，无需手动操作，可以大大减少用户的维护工作量，因此，选择LongRuan GIS 平台。

系统基于LongRuan GIS 平台设计，采用B/S 二三维一体化架构，技术架构采用前后端分离技术。前端技术采用Vue JavaScript 框架，后端服务采用.net core 3.0，传输数据格式采用Json 格式，消息队列采用MQTT 协议，数据库使用SQL Server。平台在总体设计上引入最新的中台策略，平台总体架构如图1。

图1 平台总体架构Fig.1 Platform overall architecture

1）计算后台。系统通过KJ405T 煤矿井下人员定位系统后台数据库获取设备的三维坐标，通过巷道地图文件获取巷道中间线的空间数据。

2）数据中台。通过数据技术，对数据提供统一标准和口径。数据中台把数据统一后，会形成标准数据，再进行存储，形成数据资产层，进而提供高效服务。数据中台是基于跨域数据的分析，洞察，训练产生的数据服务，给前台系统提供实时决策数据。主要有精准数据服务、空间数据搜索引擎、数据中间件。

3）业务中台。主要实现业务流程的管控，将地图服务、位置服务和坐标转换服务共性的服务抽象出来，创建可复用的流程类，形成通用的服务能力，让前台系统更标准，更规范，迭代速度更快。业务中台让前台系统更敏捷，数据中台让前台业务系统更智慧。

4）业务前台。主要分为两部分应用，业务应用（地图漫游、精确定位、区域展示、基站展示、区域集合查询、轨迹回放、声光报警和地图工具）和个性应用（个性推荐、个性定制）。

2 系统功能模块

根据《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》（征求意见稿）及《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》等相关标准关于人员定位系统地图管理平台的要求，结合KJ405T 煤矿井下人员定位系统的精确定位功能，设计了地图平台的主要功能模块，包括位置服务引擎、地图编辑客户端、地图服务、地图监测4 个功能模块。

1）位置服务引擎。位置服务引擎的主要功能是将KJ405T 煤矿井下人员定位系统采集的井下人员相对方向及距离数据转换为三维坐标。KJ405T 煤矿井下人员定位系统的精确定位采用UWB 定位技术，系统获得的人员位置为人相对定位天线的方向及距离，且方向仅有前后两个方向，无角度信息，由于人所在的井下巷道为狭窄的近似线型的结构，因此系统默认人沿着巷道的中线运动。KJ405T 煤矿井下人员定位系统采集到相对距离数据后，将数据通过UDP 数据包实时发送给位置服务引擎，位置服务引擎通过读取LongRuan GIS 井下采掘工程地图文件的巷道中心线三维坐标数据和定位天线的三维坐标将相对位置数据通过三维空间坐标系下的位置计算算法计算出井下人员的三维坐标，并将坐标信息通过MQTT 消息队列实时发送给地图服务用于地图管理平台人员位置实时监测，同时存储到KJ405T 煤矿井下人员定位系统后台数据库的实时表及精确位置历史数据表，用于KJ405T 煤矿井下人员定位系统的人员精确位置数据实时展示及归档。

2）地图编辑客户端。地图编辑客户端是一个类似AutoCAD 的地图绘制工具，主要功能是基于井下巷道三维坐标数据，对井下巷道进行编辑，生成巷道地图，亦可以直接读取煤矿已有的AutoCAD 格式的采掘工程平面图。为了实现巷道的三维自动化建模，地图绘制人员需要应用该工具手动绘制巷道的中间线。

3）地图服务。地图服务的主要功能是将地图编辑客户端编辑后, 具有巷道中心线三维空间坐标与定位系统井下基站、天线、交换机等设备的三维坐标信息的矿图发布，向前端浏览器提供地图在线浏览功能。地图及设备坐标修改后，前端浏览器通过地图服务能够进行自动更新。

4）地图监测。地图监测的主要功能是基于井下巷道空间地图对系统井下基站、交换机、天线等设备的设备名称、相对位置、精确位置信息进行展示，并实时展示设备的运行状态、井下人员的精确位置及姓名、下井人员总数及人员、重点区域人员总数及人员、超时报警人员总数及人员，超员报警人员总数及人员、限制区域报警人员总数及人员、超层越界人员总数及人员，临近老孔去人员总数及人员，临近煤与瓦斯突出危险区人员总数及人员、临近冲击地压危险区人员总数及人员特种作业人员工作异常报警总数及人员等，并提供人员历史轨迹回放功能。地图监测采用B/S 二三维一体化架构，默认以二维模式运行，用户可任意切换二维或三维运行模式，也可根据用户的需要选择发布二维或三维版本。

3 结 语

设计了一个基于三维GIS 的煤矿井下人员精确位置地图管理系统，重点研究了平台的总体架构及功能模块。实际应用表明：系统可以二维或三维模式运行，可以实时获取KJ405T 煤矿井下人员定位系统精确定位的监测数据，实现了在二维或三维地图模式下展示井下空间、设备及人员位置、人员行走轨迹、区域及人员报警信息等，达到了对井下人员精确位置信息实时、精确、直观展示的目标，系统地图更新方便，减少了用户的维护工作量。但是，由于目前煤矿井下人员定位系统采集的精确定位数据的方向只有前后两个方向，没有方位角，因此井下人员的行走轨迹只能默认位于巷道的中间线，这与实际情况有一定差异。