抽水蓄能电站地下洞室人员定位装置研究

史文龙 颜志恒 李军 王波 陆长亮

摘 要：根据地下洞室施工特性及地质条件，本研究对地下洞室人员定位装置进行重新设计。其间详细介绍了洞口检卡系统的安装、调试注意事项，指出了洞室内分站、读卡器的安装位置要求，确保系统可靠运行和监测人员位置信息准确;结合人员定位同步显示系统，将地下洞室内部情况和进出洞室通过显示屏方式反映出来;对定位管理系统进行系统的模块化规划，避免人员操作不当而导致信息不能及时传送，保证人员定位系统运行安全，有效提高工作效率。

关键词：地下洞室;人员定位;同步显示;安全施工

中图分类号：TV736文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）03-0063-03

Research on Personnel Positioning Device for Underground

Cavern of Pumped Storage Power Station

SHI Wenlong1 YAN Zhiheng1 LI Jun1 WANG Bo2 LU Changliang2

（1. Sinohydro Bureau Co.， Ltd.，Chengdu Sichuan 610213;2. North China Institute of Science & Technology，Langfang Hebei 065201）

Abstract： According to the construction characteristics and geological conditions of underground caverns， this study redesigned the personnel positioning device of underground caverns. In the meantime， the installation and debugging precautions of the hole inspection card system were introduced in detail， and the requirements for the installation location of the substation and the card reader in the cave were pointed out to ensure the reliable operation of the system and the accurate location information of the monitoring personnel; combined with the personnel positioning synchronization display system， the underground cave room and the entrance and exit of the cave room were reflected through the display screen; the positioning management system was systematically modularized to avoid improper operation of personnel and the information cannot be transmitted in time， so as to ensure the safe operation of the personnel positioning system， and effectively improve work efficiency.

Keywords： underground cavern;personnel positioning;synchronous display;safe construction

抽水蓄能電站地下洞室复杂，建立完善的地下洞室施工人员定位系统，有助于保障施工开挖过程中的工作人员安全。诸多学者对人员定位系统开展了大量研究，赵军等[1]对矿井开采过程进行分析，以Zigbee为基础，提出了一种精确度较高的人员定位系统;董捷[2]结合水电站建设与运行特点，以人员定位系统为基础，提出水电站施工人员定位系统结构与功能要求;李旺旺[3]基于WiFi技术提出一种应用于煤矿的人员定位系统，该系统结合以太网等实现数据通信，采用最近邻法进行位置计算，并借助Android平台开发客户端应用程序，最终实现系统功能。

诸多学者对煤矿人员定位系统开展了较为深入的研究，得出有意义的成果，但抽水蓄能电站地下洞室人员定位系统的相关研究较少。抽水蓄能电站地下洞室复杂，单元体结构众多，在施工开挖过程中，工作人员安全尤为重要。因此，分析地下洞室结构特征，研究抽水蓄能电站地下洞室人员定位系统具有重要的现实意义。

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站地下洞室结构比较复杂，主体结构由上、下水库及各单元体结构等组成。地下厂房系统位于滦河左岸，地形上总体表现为“两梁夹一沟”，其东侧与走向为NE30°的山梁近垂直相交。“一沟”即为鞭子沟，冲沟总体方位为SE117°，沟底宽度为10～35 m，沟底高程为1 050～1 300 m;冲沟两岸坡度为40°～45°，发育有5条窄浅支沟，与主沟多呈60°左右斜交。鞭子沟左侧山梁，即临滦河山梁总体走向为SE115°，梁顶高程为1 165～1 420 m，邻河岸坡坡度为38°～45°，发育有3条与河谷近垂直的支沟。鞭子沟右侧山梁总体走向为SE115°，梁顶高程为1 402～1 535 m。地下厂房处于鞭子沟沟脑部位，轴线为近SN向，与鞭子沟呈近60°角度斜交，上层覆盖岩体平均厚度介于250～330 m。

丰宁地下洞室结构复杂，各单元体施工周期较长且相互影响，洞室中车辆及机械设备施工产生振动多，对施工人员构成安全隐患。如果地下洞室发生事故，那么受错综复杂的洞室环境影响，施工人员很难及时逃离，致使洞室内人员安全得不到保障。因此，建立完善的人员定位系统极为重要。

2 地下洞室人员定位系统

本研究设计的定位装置如图1所示，主要包括主支撑、围栏板和弹簧。其中，主支撑右侧安装有伺服电机。

地下洞室定位装置安装有锥形齿轮和钻头。启动伺服电机驱动连接杆旋转，带动锥形齿轮旋转，然后带动钻头旋转，钻头钻入，使得固定板固定在地面上，此结构使得所有并排的钻头同时向地底下旋转钻进且固定在地面上，增加了整体的稳固性，避免了主支撑在长期使用中出现松动现象。

3 人员定位系统工作原理及功能

3.1 地下洞室卡器安装位置要求

目前，工程定位装置只能对特定区域进行定位，地下洞室安装的定位装置也无法跟踪与识别人员方向。如果地下洞室设置大量基站，就可以提高安全效果，但成本巨大;如果设置较少，就无法确保人员安全。如何解决这一问题值得深入研究，人們要设置合理数量的基站，满足地下洞室人员安全要求。需要合理了解地下洞室的地质特征与分布结构。

在地下洞室中，读卡器应满足以下原则：能够精准读取某个区域人员信息;能够准确识别各单元体人员运行轨迹;将识别盲区尽可能降到最低。

地下洞室出入处安装2个读卡基站来对人员轨迹进行跟踪，读卡基站D1安装在洞口处，读卡器D2应设置在洞室内，D1、D2两者之间的距离大于2L，D1距离洞口处距离大于L（L为读卡基站识别半径），如图2所示。与直岔洞口相比，分岔洞口更加复杂。当分岔洞口长度大于1 000 m时，读卡基站必须增加数量;当洞室内出现岔口时，在洞室内分叉口（F为设置距离）处设置读卡基站。

3.2 人员定位同步显示系统

将LED大屏幕设置在洞室进、出口旁边，靠近门房或值班室为佳。屏幕上的内容有标签号、姓名、施工进出时间和总人数等，监管人员不用到洞室下面，也不必查看监控室计算机，就能及时了解洞室内施工人员情况。

数据服务设备选用的是矿井专用设备，管理主机内主板选用的是特定工控机主板，设备机箱具有较高的散热功能，为了确保主机的流畅度，本设计选用Intel四核处理器，运行内存为16 G。选用容量较大的硬盘，确保数据有效存储。地下洞室各设备均采用防腐蚀外壳，符合国家对地下洞室设备的使用要求[4]，将采集的地下洞室信息通过各读卡基站发送过来，然后利用通信接口进行信号转换，将地下洞室传输的信息投放到LED显示设备上。

系统建立后，其能够有效记录工作人员进出洞室的时间以及在洞室中的运行轨迹，具有科学有效的分析能力。如果系统突然出现问题，洞室工作人员又未按时进出时，主机会自动弹出报警提示窗口，提醒工作人员排除故障，进行洞室内人员核实，然后实施相关救援，主机界面及功能要求如下。

（1）管理界面模块。操作管理人员必须设置验证账号与密码才能进入该管理系统界面，设置管理权限能够有效地保存数据信息。

（2）显示区。该管理系统的核心部分为显示区，其承载着人员定位系统所有的监测内容。显示区可以显示地下洞室工作人员所处的地点，而且能够详细显示出某个特定时间工作人员停留的位置，还可以循环播放工作人员的运行轨迹。

（3）数据储存、查询及统计模块。该模块能够使管理人员准确了解员工当前位置、地下洞室人数及进出洞室时间，在指定时间对地下洞室工作人员所处位置进行查询;有效地对洞室内工作人员人数和工作时间进行统计。

（4）其他模块。除上述模块外，该系统还具有动态识别卡管理模块、人员活动规律管理模块、报警管理模块及系统维护模块。

3.3 视频监控系统

地下洞室是一个较大的封闭空间，由于工作人员位置、岩体变形量等信息不断变化，管理者无法准确掌握工作人员的运行轨迹、围岩变形量、施工进度等信息，因此安装视频监控系统是非常必要的。视频监控系统通过运用无线网络技术来完成地下洞室新建监控点的视频无线网络传输。通常将新建监控点的视频通过无线网络传输至就近中继点，然后将所有视频传输至数据中心，再通过有线方式传输至监控中心。

丰宁抽水蓄能电站地下洞室方案依据《中华人民共和国无线电管理条例》等进行设计和规划，模拟分为两种模式，分别为直行模拟和弯行模拟。在监控位置布置无线传输设备时，无线基站的位置较高，目的是避免洞室中各种遮挡物遮住基站的信号源，准确监测地下洞室内人员、施工过程等变化情况，以保证信息传输质量和效率。

4 结论

通过分析地下洞室地质特征与各单元体结构，本研究对地下洞室定位装置进行重新设计，以免开挖、机械等产生振动而引起地下洞室定位装置结构不稳定。定位装置同步显示系统将地下洞室人员具体位置和何时进入洞室工作等信息清楚地展现在屏幕上，同时合理规划人员定位系统功能，为第一时间了解洞室内人员信息提供有利保障，以便实施最为有效的救援工作，使人员伤亡率降至最低。人员定位系统拥有自我维护功能，能够进行自我检测和预警，充分保障自身的正常运行，大大降低了设备维修费用。同时，该系统的引入基本实现了人员定位的信息化和数字化。

参考文献：

[1]赵军，吕瑞腾，范新虎，等.人员定位系统的设计[J].电子质量，2103（10）：40-42.

[2]董捷.室内人员定位系统在水力发电厂中的应用研究[J].云南水力发电，2017（2）：173-177.

[3]李旺旺.李家壕煤矿井下人员定位系统研究[J].信息化与数字化，2018（5）：161-162.

[4]梁皓，张显羽，楼标昌，等.抽水蓄能电站工程建设安全监测数据管理系统展现研究[C]//2018智能电网新技术发展与应用研讨会.2018.