矿井新型人员定位系统的技术探讨

凌志迁 杨百顺 吴 强 李 逸 郭 枭 高 俊

四川省安全科学技术研究院

本文分析了现有的人员定位系统在预防小煤矿私挖滥采方面存在的不足，针对其射频模块有效识别距离短、系统算法漏洞、无法解决入井人员不带射频卡等问题，进行了初步探讨，提出了较为详细的改进方案。

引言

四川省攀枝花市西区肖家湾煤矿“8·29”特别重大瓦斯爆炸事故和泸县桃子沟煤矿“5·11”瓦斯爆炸事故的直接原因为违规违法组织生产的区域处于无风微风状态，瓦斯积聚达到爆炸浓度，因绞车失爆产生的火花或放炮后残药燃烧引爆积聚瓦斯。两个煤矿均为合法矿井，且安装了井下人员定位系统，然而，由于系统本身固有的功能缺陷，未能实现对小煤矿私挖滥采行为的有效监控，造成了重大的人员伤亡与经济损失。因此，在现有人员定位系统的基础上，有必要对其功能进一步改进，并提出一些思路。

现有人员定位系统存在的不足

现有人员定位系统是利用射频技术、数据库管理等技术手段，通过井下的定位分站对人员信息的采集，通过计算机对人员信息进行存储、显示和跟踪，从而实时的掌握井下人员的分布情况。但是该技术存在着如下几个方面的问题：⑴射频读卡器、射频卡有效识别距离短，定位精度低。射频读卡器、射频卡是人员定位系统的关键部位，其有效识别范围决定着人员定位系统的准确性，目前现有人员定位系统的有效识别距离一般为5～8m，远远不能满足人员定位系统对井下人员定位精确性的要求。⑵无法解决入井人员不带射频卡的问题。小煤矿为了实现多出煤炭、多出效益，往往在井下违规设置多个作业点非法组织生产，同时，为了逃避监管监察，势必要求超出定员的入井人员不带射频卡。目前的人员定位系统无法实现对入井人员数量与射频卡数量不符的核查与报警。⑶算法存在漏洞。如图1 所示，图中的圆圈代表人员定位系统识别器的识别范围。如果入井人员走出3 或4 的识别范围而未进入6 或5 的识别范围，则人员定位系统就会默认为人员在3 和6之间的巷道内或4 和5 之间的巷道内，此时如果人员进入到私挖滥采区域作业，但人员定位系统上面显示的人员仍然在主平硐和副平硐的巷道内，给私挖滥采留下了作弊的机会。

新型矿井人员定位系统的改进方案

基于现有人员定位系统在预防小煤矿私挖滥采方面的缺陷，现提出以下几个新思路，对现有人员定位系统进行改进。

研发新型射频模块

射频模块主要分为射频读卡器、射频卡、防爆电源和备用电池等四部分。射频读卡器主要负责对井下作业人员身上所佩戴的信息卡进行非接触式信息采集，完成信息编码，并能与上位机PC 机通信；射频卡主要记录入井人员的信息，借助于该信息实现对入井人员的自动辨别，以非接触的方式与射频读卡器完成信息传输通信；射频读卡器的电源应符合防爆标准；备用电源作为后备电力为射频读卡器供电，保障系统正常工作。目前的人员定位系统射频读卡器与射频卡的有效识别距离只有5～8m，远远不能满足射频信号能够覆盖井下所有合法区域的要求，因此，应研发新型射频模块，使射频读卡器的射频信号能够控制50m 以上的范围。在井下巷道每隔80～90m 安装一个射频读卡器，保证所有入井人员在井下的精确位置都能在地面主机上显示。同时，安全监管部门在监控中心也可随时对区域内的小煤矿进行监察。

将“失踪”概念引入现有人员定位系统

对现有人员定位系统进行改进，填补其算法漏洞，引入“失踪”的概念，并做到“失踪”超时报警，即：当人员走出某一识别器的识别范围而未进入另一识别器的识别范围时，系统设定该人员处于“失踪”状态，并对失踪时间进行限定，当失踪时间超过限定值时（如20min），系统将向安全监管部门报警，表明失踪人员进入了私挖滥采区域进行非法作业，安全监管部门接到报警后，可及时进行查处并上报上级主管部门。

图1 私挖滥采区域示意图

增加基于CCD 图像传感器的人数统计技术

基于CCD 图像传感器的人数统计技术的基本原理是将运动区域统计算法和图像特征神经元网络算法相结合，综合运算得出准确出入井人数。运动区域统计算法，即在固定相机里提取出运动区域，根据这些运动区域进行统计。当人们运动区域和人的大小相似的时候，你可以认为是一个人通过。当多个人距离较近的时候，采用人体大小的先验知识，把运动区域分成多个单独的区域，从而估计这个数字。当然，视频流是实时连续的，运动区域检测和分割需要在每一帧内不断的计算。此外还要对帧间的运动区域进行跟踪，把不同时间的运动区域连接起来，从而给出正确的人数和行人运动方向。图像特征神经元网络算法，即在图像中采集一些反映人体特点的比较粗糙的特征，如图像边缘密度，然后通过神经网络的学习和图像特征之间的非线性关系，从而得出正确的号码。

该系统可采用顶装方式安装，固定摄像头俯视检测区域，检测范围覆盖全井口。当煤矿出入井人员到达检测区域时，固定摄像头采集图像信息并实时显示，同时经系统内部计算，得出人员的行走方向、数量和时间等参数。

视频监控系统与人员定位系统数据的关联

利用Ethereal 对井下人员定位系统通信协议和视频监控系统视频信号进行解析，并将其数据格式转化为统一的数据模型，从而实现将井下人员定位系统识别到的入井人数同视频监控系统识别到的入井人数进行实时对比，当视频监控系统识别到的人数多余人员定位系统识别到的人数时，系统将进行“超员”报警，表明有人员未带识别卡或带坏识别卡入井，县级安全监管部门接到报警后，可及时对其进行查处，并上报上级主管部门，有效遏制煤矿工人躲避监控，不带识别卡或带坏识别卡进入私挖滥采区域非法作业的行为。

结语

小煤矿私挖滥采行为较为普遍存在，然而在执法检查过程中却很少能发现煤矿企业的这种作弊行为，其中固然存在执法检查不力的情况，但大部分则是煤矿企业在得知检查信息后，提前对私挖滥采区域的巷道进行了临时密闭，导致检查时一无所获。

研发新型人员定位系统可以有效预防煤矿私挖滥采现象，结合视频监控系统，在井口通过视频监控系统清点的人数与人员定位系统识别器识别到的人数进行对比，杜绝矿工不带射频卡入井现象。如果视频监控系统清点的人数大于人员定位系统识别器识别到的人数，则系统进行报警，通过这种技术手段，使煤矿企业不敢进行私挖滥采，这有利于煤矿企业进行合法开采和提升安全管理水平，因此更有利于保护矿工的生命财产安全。