礦用精準(zhǔn)定位技術(shù)及應(yīng)用

1     問題差距

在國家提出加大信息化投入的要求下,、加快信息化與工業(yè)化融合的基礎(chǔ)上,，煤礦作為國家能源戰(zhàn)略布局,、國計民生中的重要一環(huán),。煤礦生產(chǎn)（井下作業(yè)）的安全是行業(yè)及企業(yè)立命之本,、發(fā)展之根，只有全面,、深入的實現(xiàn)井下生產(chǎn)自動化才能實現(xiàn)安全的最終要求,，“兩化融合”的布局與發(fā)展也將是現(xiàn)階段安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。

2020年,，根據(jù)《應(yīng)急管理標(biāo)準(zhǔn)化工作管理辦法》 ,，國家煤監(jiān)局組織全國安標(biāo)委煤礦安全分標(biāo)委編制了安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件（征求意見稿）》 。國家煤監(jiān)局指出,，煤礦井下人員定位系統(tǒng)在遏制煤礦井下和采掘工作面等重點區(qū)域超定員生產(chǎn),，遏制重特大事故發(fā)生，防止人員進(jìn)入盲巷等限制區(qū)域,，防止超層越界盜采和礦井水災(zāi),、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等事故發(fā)生,，控制作業(yè)人員超時下井,，加強(qiáng)特種作業(yè)人員管理，加強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下井帶班管理,，加強(qiáng)考勤管理和應(yīng)急救援等方面發(fā)揮著重要作用,，建議該標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。研發(fā)一套集成人員精確定位,、單軌吊精確定位,、膠輪車精確定位的整合系統(tǒng)，對促進(jìn)煤炭礦山安全生產(chǎn),，提升煤炭企業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義,。

（1）由于礦井中環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)管難度大,，就目前國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)而言,，工作人員對煤礦生產(chǎn)中存在的安全隱患如瓦斯、透水等情況難以及時發(fā)現(xiàn),，從而經(jīng)常導(dǎo)致事故發(fā)生,。在事故發(fā)生以后，又由于井下定位技術(shù)落后,，被困在礦井下的人員很難定位,，是目前搜救人員展開救援工作的最主要的難題。

當(dāng)今,，煤礦安全高效地生產(chǎn)越來越受到國家相關(guān)部門以及全國人民的高度重視,，制定一系列相關(guān)政策和要求來保證煤礦井下的安全生產(chǎn)。實時定位礦井下相關(guān)人員的的準(zhǔn)確位置,，了解他們在井下的工作情況以及行進(jìn)路線,，以此來保證煤礦的安全高效生產(chǎn)，以及確保礦井下人員的人身安全,，是現(xiàn)階段煤礦行業(yè)將要接受的主要挑戰(zhàn),。

（2）煤礦輔助運輸對于煤礦的發(fā)展顯得尤為重要，輔助運輸?shù)南冗M(jìn)與否成為制約煤礦發(fā)展的重要因素,。在沒有出現(xiàn)現(xiàn)代化的輔助運輸設(shè)備之前,，傳統(tǒng)的輔助運輸設(shè)備有架線機(jī)車、蓄電池機(jī)車,、斜巷絞車和調(diào)度絞車等,。傳統(tǒng)輔助運輸方式及設(shè)備的主要問題是：運輸能力低、運輸環(huán)節(jié)多,、系統(tǒng)復(fù)雜,、占用設(shè)備多，由井底車場至采區(qū)工作面,，需經(jīng)多次轉(zhuǎn)載和中轉(zhuǎn)編列,，輔助人員多，安全隱患大,。

在軌道運輸中,，單軌吊運輸作為一種新的運輸方式,，適用于煤礦井下人員、材料設(shè)備和矸石等的輔助運輸,，可實現(xiàn)輕型液壓支架的整體搬運,，主要用于大巷采區(qū)上、下山及采掘工作面的巷道運輸,。單軌吊克服了卡軌車,、齒軌車運輸條件限制，實現(xiàn)多條巷道連通使用,，可以在多彎道,、多起伏的巷道中應(yīng)用，特別是底板條件較差的煤礦,，單軌吊應(yīng)用意義更大,，其靈活性和適應(yīng)性都較強(qiáng)。

而集成了UWB精確定位系統(tǒng)技術(shù)的單軌吊運輸系統(tǒng),，對改善運輸環(huán)境,、提高運輸效率、保證運輸安全都具有重要的現(xiàn)實意義,。

（3）國內(nèi)外煤礦井下無軌膠輪車管理系統(tǒng)的研究及應(yīng)用多以井下交通信號燈,、超限速報警、車輛區(qū)域定位等為主,，沒能實現(xiàn)井下無軌膠輪車的全面數(shù)字化管控,，且定位功能大多采用基于ＲFID、Zigbee,、Wifi 等區(qū)域定位技術(shù),，車輛存在漏卡率高，定位精確度不高等問題,，不符合現(xiàn)代化安全高效煤礦實際使用需求,。

因此，現(xiàn)階段有必要研究解決無軌膠輪車輔助運輸系統(tǒng)功能單一及同質(zhì)化,，車輛定位精度不高,、無序運行效率低下以及能耗高等問題。同時,，為實現(xiàn)日常井下無軌膠輪車的使用申請,、車輛的調(diào)配、人員物料的運輸,、車輛運行效率統(tǒng)計等數(shù)字化管理,，研究將井下車輛運行從人工調(diào)度方式的單環(huán)節(jié)、單因素的信息孤立運行，向信息化管控的多環(huán)節(jié),、多因素聯(lián)合自動分析,、智能化運行轉(zhuǎn)變，使煤礦井下無軌膠輪車資源得到充分利用,，達(dá)到無軌膠輪車輔助運輸系統(tǒng)提質(zhì)增效和安全運行的目標(biāo),。

2     研究內(nèi)容

研究一套定位精度高,、性能優(yōu)越,、應(yīng)用全面的礦用井下精確定位系統(tǒng)，系統(tǒng)支持人員精確定位,、膠輪車精確定位,、單軌吊車精確定位，提升礦山的單位時間內(nèi)生產(chǎn)效率的同時,，為煤炭礦山生產(chǎn)安全提供保障,。系統(tǒng)基于業(yè)界先進(jìn)技術(shù)，綜合精確定位,、接入井下數(shù)據(jù),、通信、監(jiān)控監(jiān)測,、工業(yè)控制,，完成井下精確定位的各項要求。

本系統(tǒng)通過對人員和車輛的精確位置監(jiān)控,，實現(xiàn)人員的唯一性檢測,、區(qū)域的人員數(shù)量限制、車輛調(diào)度智能管控等功能,；

（1）定位系統(tǒng)研究,，整合的系統(tǒng)，通過在礦井出入口,、巷道岔口,、采煤工作面、掘進(jìn)工作面等位置部署本安定位分站,、本安綜合分站,、讀卡器，配合人員,、車輛配置的定位卡等終端,， 實現(xiàn)井下人員、車輛的精準(zhǔn)位置上報,，通過部署平臺軟件,，利用上報的精準(zhǔn)位置信息，實現(xiàn)包括但不限于人員、車輛位置監(jiān)控,、考勤管理,、電子圍欄、應(yīng)急救援,、系統(tǒng)聯(lián)動等功能,。

（2）井下本安定位基站； 本安融合定位基站/定位分站信號覆蓋半徑不小于 400m,。 本安融合定位基站/定位分站支持級聯(lián)和環(huán)形組網(wǎng),， 支持不小于 6 臺級聯(lián)。采用 UWB精確定位技術(shù),，最大靜態(tài)定位誤差不大于0.3m,，最小動態(tài)定位誤差不大于1m，最大動態(tài)定位誤差不大于7.3m,，實現(xiàn)對井下人員,、 車輛的實時定位及管理。

（3）人員定位卡,；

人員隨身標(biāo)簽卡

l  本質(zhì)安全型,，低功耗超長待機(jī)，充電使用時間不小于45天,；

l  按鍵告警,、指示燈告警、蜂鳴器及震動提示,；

l  無線微功率,，穩(wěn)定可靠、體積小,、便于攜帶安裝,；

（4）膠輪車智能定位終端；

礦用車載智能終端作為UWB定位系統(tǒng)中的位置感知設(shè)備,，主要提供以下主要功能：

l  車載終端具有7寸高清液晶顯示屏(觸摸屏),，用于顯示系統(tǒng)信息；

l  車載終端配置一個喇叭,，具有聲音提示和對講功能,；

l  車載終端具有精確定位功能，定位精度優(yōu)于30cm,；

l  車載智能終端具備實時視頻監(jiān)控上傳及本地記錄功能,，支持?jǐn)U展攝像頭，用來實現(xiàn)客（貨）倉監(jiān)控,、車前方(行車記錄儀),、車后方(倒車影像)功能,；

l  車載終端集群對講功能；

l  車載終端具有緊急呼救功能,；

l  車載終端具有自診斷和故障指示功能,；

l  車載終端具有UWB、WIFI,、4G/LTE無線通訊功能,。

（5）單軌吊智能終端；

單軌吊車載智能終端安裝于單軌吊車,，實現(xiàn)各種智能業(yè)務(wù)功能,，包括定位、集群對講,、呼叫,、視頻監(jiān)控,、告警通知,、工單查看等，智能輔助駕駛員井下單軌吊運輸作業(yè),。定制化的主屏界面,，1080P高清顯示屏，每一輛單軌吊車頭,、車尾各配置一臺,；支持視頻監(jiān)控大屏顯示輔助駕駛，支持監(jiān)控視頻本地存儲,、回看及回傳到云平臺,；

l  支持4G、5G,、WIFI無線網(wǎng)絡(luò)接入,；

l  支持高清攝像頭、微波雷達(dá),、UWB精確定位單軌吊車遠(yuǎn)程和輔助駕駛,；

l  支持集群語音呼叫；

l  支持實時導(dǎo)航,、線路顯示,；

l  支持集成的UWB精確定位；

l  支持接收云平臺的調(diào)度任務(wù),、語音消息,、文字消息通告；

l  支持車載日志和告警的的周期性上報,；

3     創(chuàng)新點

（1）整合的煤礦井下定位系統(tǒng)

通過井上的一張圖定位管理平臺,，把定位基站網(wǎng)絡(luò)、人員精確定位、膠輪車精確定位,、單軌吊精確定位統(tǒng)一管理整合,，管理者可對所有井下關(guān)鍵移動對象進(jìn)行統(tǒng)一管理，功能包括但不限于以下幾個方面：

l  實時位置顯示,，系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示佩戴標(biāo)簽的人員在井下的位置,。并根據(jù)系統(tǒng)反饋的結(jié)果, 實時掌握人員位置、在班人員的情況, 對員工的行為績效量化考核,。

l  人員管理,，系統(tǒng)可以查詢實時和歷史人員定位信息, 實現(xiàn)對各部門、各崗位的具體管理, 能夠掌握每個部門的工作崗位人數(shù)和個人信息,。

l  車輛管理,，系統(tǒng)可以查詢實時和歷史定位信息, 實現(xiàn)對各車隊和運輸任務(wù)的具體管理。

l  軌跡回放功能,，實現(xiàn)對特定個人的軌跡歷史重放, 通過查看歷史軌跡判斷是否合規(guī)及有無串崗等,。

l  警戒區(qū)域安全控制，當(dāng)人員進(jìn)入與其權(quán)限不符的區(qū)域時, 系統(tǒng)會根據(jù)策略進(jìn)行報警,。通過設(shè)定安全警戒區(qū)域和報警策略, 可以最大程度保證工人的安全,。如果發(fā)生安全問題, 能夠通過定位系統(tǒng)第一時間發(fā)現(xiàn)人員所處的位置, 進(jìn)行搶救。

（2）人員與車輛精確定位可視化

支持二維和三維的人員,、車輛信息可視化,，方便智能管理。根據(jù)現(xiàn)場的測繪數(shù)據(jù), 按照1:1的比例繪制CAD圖, 并轉(zhuǎn)成png,、jpg,、jpeg或bmp的圖片格式。接著,，確定坐標(biāo)系,，按照方便顯示的原則, 選取坐標(biāo)原點和坐標(biāo)系。定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系是相對的, 用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況, 靈活選取坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點和X軸的朝向, 靈活的坐標(biāo)系選定方式可以減少用戶測繪的工作量和測繪難度,。然后,，部署探測器，需要根據(jù)定位要求進(jìn)行探測器部署, 視存在性定位,、一維定位,、二維定位、三維定位來確定具體的部署方式,。最后,，探測器安裝完畢后, 應(yīng)對探測器的坐標(biāo)進(jìn)行測量。測量的坐標(biāo)系先以選定的坐標(biāo)系為準(zhǔn),。這樣就可以實時顯示定位標(biāo)簽的位置,。

（3）基于精確定位的輔助運輸管理

通過具備精確定位功能的膠輪車和單軌吊車智能型終端,，解決煤礦井下輔助運輸管理面臨的問題和挑戰(zhàn)，在各種車輛輔助運輸相關(guān)聯(lián)的多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)充分融合的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)煤礦井下交通安全管控,、車輛定位、限速報警及語音提示的功能,，更主要是通過技術(shù)融合和流程信息化再造實現(xiàn)井下無軌膠輪車和單軌吊車的網(wǎng)上及移動端申請,、車輛運行無人化自動調(diào)配、車輛數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,、人員乘用及物料運輸車輛全面數(shù)字化,、智能化管控，構(gòu)筑起一種可實現(xiàn)煤礦井下無人智能調(diào)度管理及車輛安全能耗及運行效率綜合分析的煤礦智慧交通信息系統(tǒng),，大幅提升煤礦井下輔助運輸效能,，提高統(tǒng)一指揮調(diào)度和信息共享水平，實現(xiàn)車調(diào)度管理的智能化,。

（4）精確定位UWB算法優(yōu)化

UWB算法一般基于飛行時間差法進(jìn)行定位, 通過測量信號到達(dá)基站的時間, 確定信號源的距離,。利用信號源到各個監(jiān)測站的距離, 就能確定信號的位置。以基站為圓心, 以信號發(fā)出位置到基站的距離為半徑作圓, 圓的交點即為信號發(fā)出位置,。

煤礦井下精確定位有定位距離遠(yuǎn),、干擾因素多等困難和挑戰(zhàn)，通過設(shè)計研制有PA和LNA締造放大器的精確定位模塊硬件,，以及軟件算法的優(yōu)化，解決煤礦井下精確定位的難題,，在各種場景下保證30cm以上的精確定位精度,。

4     預(yù)期目標(biāo)

（1）技術(shù)考核指標(biāo)：研制一套可視化精確定位管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括人員,、車輛定位管理平臺,，支持2D和3D圖形化顯示；研制井下精確定位管理系統(tǒng),，井下定位系統(tǒng)定位精度由于30CM,，單基站覆蓋直徑優(yōu)于800米；研制膠輪車和單軌吊車整合精確定位和5G的智能型終端,，實現(xiàn)各種井下智能運輸輔助業(yè)務(wù)功能,，包括定位、集群對講,、呼叫,、視頻監(jiān)控、告警通知等功能,。

（2）項目的產(chǎn)業(yè)化和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：研制完成煤礦井下精確定位的完整解決方案,，實現(xiàn)井下精確定位系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線,，現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的V1.0版本發(fā)布，形成一條UWB定位基站,、人員卡,、膠輪車智能終端、單軌吊車終端的生產(chǎn)線,，年生產(chǎn)能力可提供10個千萬噸級礦井的精確定位裝備生產(chǎn)制造,。

（3）項目的社會效益：

通過本項目的研制，可對傳統(tǒng)定位系統(tǒng)進(jìn)行升級,，形成30cm級定位精度的定位要求,，為保證煤礦井下安全生產(chǎn)提供進(jìn)一步的保障，同時通過融合UWB精確定位,、5G,、視頻監(jiān)控、語音對講等先進(jìn)技術(shù),，構(gòu)建煤炭礦山的下一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),，大幅提升煤炭礦山的現(xiàn)代化水平。

據(jù)國務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》（ 國發(fā)〔 2010〕 23 號） 的要求,， 煤礦要制定和實施生產(chǎn)技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn),， 安裝安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、 井下人員定位系統(tǒng),、 緊急避險系統(tǒng),、 壓風(fēng)自救系統(tǒng)、供水施救系統(tǒng)和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等（簡稱煤礦“六大” 系統(tǒng)）技術(shù)裝備,。井下人員定位系統(tǒng)是國家強(qiáng)制礦山安全避險六大系統(tǒng)之一,。