矿山作业人员井下定位系统

文/林 洁

矿山作业人员井下定位系统

文/林 洁

编者的话

我国正在强制推行煤矿、非煤矿山井下避险系统和避险设备的安装与建立。根据国务院23号文件，煤矿、非煤矿山要在3年之内建立安装监测监控、井下人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通信联络等六大矿山井下避险系统，逾期未安装的，将面临相应惩处。至此，我国构筑矿山企业新型安全防护体系的战役正式打响。近期，我们对煤矿井下安全避险六大系统刊发系列报道，本期为大家介绍的是井下人员定位系统。

▲某公司职工在展示“人员定位卡”

煤矿井下是一个特殊而又恶劣的环境，无线电信号传输衰耗大、GPS信号不能覆盖煤矿井下巷道。目前，我国煤矿井下作业人员定位系统主要以现代无线电编码通讯技术（RFID）为基础，应用现代无线电通讯技术中的信令技术及无线发射接收技术，结合目前流行的数据通讯、数据处理及图形展示软件等技术，及时、准确地将井下各个区域人员和移动设备情况动态反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员和移动设备的总数及分布状况。

跟踪定位过程全自动

矿山作业人员井下定位及动态监管系统由无线编码发射器、数据采集控制设备、数据传输网络、地面中心软件系统及服务器组成。系统人员定位分站的无线收发数据板将低频加密数据载波信号经发射天线向外发送；人员随身携带标识卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去；接收天线接收到标识卡发来的载波信号，经分站主板接收处理后，提取出目标识别码，通过远距离通讯线送地面监控计算机，完成矿井人员自动跟踪定位管理。

定员管理和应急救援两大应用

定员管理：系统可以通过监控入井人数，进入采区、采煤工作面、掘进工作面等重点区域人数，遏制超定员生产；通过对进入盲巷、采空区等危险区域人员监控，及时发现误入危险区域人员，防止发生窒息等伤亡事故；通过对人员出/入时刻监测，可及时发现超时作业和未升井人员，以便及时采取措施，防止发生意外；通过对瓦斯检查员等特种作业人员巡检路径及到达时间监测，及时掌握检查员等特种作业人员是否按规定的时间和线路巡检；通过对带班干部出/入井及路径监测，及时掌握干部下井带班情况，加强干部下井带班管理；通过对入井作业人员出/入井和路径监测，及时掌握入井工作人员是否按规定出/入井，是否按规定到达指定作业地点等。

应急救援：煤矿具有作业人员在井下流动性大、地面人员难以及时掌握井下人员的分布和作业进展情况以及下井后就无法确切地知道他们所处的位置等特点，矿井万一发生透水、火灾等事故时，地面工作人员因不能实时了解井下情况，抢险救灾工作面临极大困难。特别是在突发冒顶和人员被埋的紧急情况下，由于人工描述不清或不能及时精确、自动探测被埋人员的准确位置，在低效率的管理模式下，往往丧失有效抢救生命的宝贵时间。如果安装了定位系统，当事故发生时，救援人员可以根据系统所提供的数据、图形，及时掌握事故地点的人员和设备信息，也可以通过求救人员发出的呼救信号，进一步确定人员位置及数量，并且可以通过通讯手段指挥井下工作人员选择最合理的逃生路线及进行自救等，最大限度地减少人员的损失。

装备要求

（1）各个人员出/入井口、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷等限制区域应设置分站，并能满足监测携卡人员出/入井、出/入采掘工作面等重点区域、出/入盲巷等限制区域的要求。基于RFID的煤矿井下人员位置监测系统，宜设置2台以上分站或天线，以便判别携卡人员的运动方向。

（2）巷道分支处应设置分站，并能满足监测携卡人员出/入方向的要求。巷道分支的各个巷道应设置分站或天线，以便判别携卡人员的运动方向。

（3）下井人员应携带识别卡并严禁擅自拆开。

（4）工作不正常的识别卡严禁使用。准备性能完好的识别卡总数，至少比经常下井人员的总数多10%。

（5）矿调度室应设置显示设备，显示井下人员位置等。

（6）各个人员出/入井口应设置检测识别卡工作是否正常和唯一性检测的装置，并提示携卡人员本人及有关人员。识别卡工作正常和唯一性检测可以采用机器与人工配合的方法，也可采用虹膜、人脸等自动检测方法。

行业发展面临的几个问题

（1）从煤矿人员定位发展情况看，开发低功耗、高效率的标识卡技术是当前人员定位系统发展中需要解决的一个问题 。

（2）提高系统在高速、大流量下识别的准确性是人员定位系统的重点突破点。

（3）由于井下无线电传播信道的复杂性和非线性，急需发展精确定位技术。同时，由于人员定位系统信息传输数据较低影响了系统的实时性，提高传输速度迫在眉睫。

（4）标识卡、读卡器价格昂贵。

（5）不便于系统维护、不便于升级改造。

你知道吗？

美国科学家研制出雷达鞋可在GPS信号盲区定位

在矿难救援的过程中，最难的是被困矿工的定位。在智利圣何塞矿难救援的过程中，找到被困矿工的位置居然花了17天时间。为什么给矿工定位这么难？这是因为常用的GPS定位系统对地下设备难以起作用。最近，美国科学家发明了一种雷达鞋，可以快速准确地定位被困矿工的位置。

对于地面、海面和空中的交通工具来说，GPS是很好的导航系统。但是，GPS卫星发射的信号难以抵达地面之下较深的地方，因此矿井中被称为GPS的信号盲区。以往，对GPS信号盲区的定位方法是使用一种复杂的惯性测量单元（IMU）来与GPS卫星进行联系，对目标进行定位。但是这种测量方法误差会很大，而且随着失去联系的时间增加，误差会逐步加大。

如何解决这个误差问题？美国北卡罗来纳州立大学和卡耐基·梅隆大学的研究人员发现，在矿工的鞋子上安装一个小型雷达可以解决这个难题。这个长条薄片状的小型雷达安装在鞋跟和前部鞋底连接的凹槽部位，可以连续几十个小时不断地发射信号到地面，并传递给IMU。IMU再把信号传递给GPS卫星，GPS指挥中心的人根据所传输的信号就可以知道被困矿工的确切位置，误差在几米的范围内，这样就可以争取到宝贵的营救时间。

这种微型雷达除了可用于救援被困矿工外，还适用于那些隧道挖掘工、洞穴和深海探险者。如果他们在地下或海中不幸被困，救援人员可以利用雷达发出的信号进行定位和营救。对于地震多发地区，人们家里也可以备一双雷达鞋子，当地震发生来不及逃离险境的时候，如果能够有时间换上这双雷达鞋子，可以为救援人员确定被困者位置提供准确信息。

责任编辑孙泽群