煤矿井下无线通信及人员精准定位系统的融合应用

崔振杰 杨 晴

（山东能源临矿集团菏泽煤电公司彭庄煤矿，山东 菏泽 274700）

2019 年11 月16 日，山东省煤矿安全监察局发文《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》（下称《技术要求》），规定山东省内所有煤矿，2020 年3 月底前完成人员精准定位系统建设工作，并规定“系统应支持多系统融合，应优先实现与安全监控系统、考勤系统、通讯系统、井下应急广播系统的融合”。

目前省内大部分煤矿的人员定位系统、通信联络系统均为独立系统，未能融合联动，且人员定位系统、通信联络系统仍采用落后的ZigBee 定位技术、485 有线通信技术，不仅定位效果差、通信质量低，而且成本高昂、维护复杂、费时费力[1-3]。为坚决杜绝类似“梁宝寺火灾事故”等安全事故的发生，并提高事故应急处理能力，彭庄煤矿提前布局，在山东省煤监局下文前即开始着手建设煤矿井下人员精确定位系统，并规划其与井下通信联络系统进行融合联动。

1 融合应用系统的功能实现

1.1 多系统融合

融合应用系统运用了行业领先的UWB 精确定位技术、WIFI 通信技术，定位效果好，通信质量高，人员精准定位的静态定位精度能够达到30 cm。并且融合基站留有数个功能拓展接口，后期可以把安全监控系统、考勤系统、井下应急广播系统等系统加入其中，实现多系统融合联动。通过人员定位系统、通信联络系统共用统一基站，实现人员定位系统、通信联络系统的融合应用。

该系统由人员精确定位系统、井下无线通信系统融合应用而成，现共有94 个分站，每个分站由融合基站、本安电源、定位天线、无线天线、光纤熔接盒等组成。系统电源引就近电源，网络使用井下万兆环网。现选取该系统的一个分站作为展示，如图1。新建融合应用系统的无线通信部分实现了井上下WIFI 信号全覆盖，配合矿用本安防爆手机，实现了井下、井上下的实时通信。

图1 融合应用系统分站

1.2 极高精度定位功能

融合应用系统除采用现阶段最新的UWB 精确定位技术外，还采用了最前沿的数字传输技术、GIS 地理识别技术等前沿技术，使采煤工作面及顺槽、掘进工作面人员定位精度达到了1 m，其他重要地点人员定位精度不超过3 m，全面达到了《技术要求》规定。

1.3 超员报警及联动实时监控功能

融合应用系统在各头面限员管理站安装超员报警装置，实现了超员报警，并在调度室实时显示各超员报警站信息。

该系统实现了彭庄煤矿原有的唯一性检卡及井口LED 显示设备的联动，可实时动态显示井下作业人员信息，并可根据区队/科室或区域等显示井下人员信息，如图2。

图2 联动监测装置

1.4 施工过程中的硬件整合

项目实施过程中，因系统元件过多、井下条件复杂，相关设备的安装效果一度达不到矿安全生产标准化要求。在此情况下，彭庄煤矿调度室施工人员利用旧电缆槽单独制作背板70 余块，成功将两系统元件整合在一起，整合后的系统干净整洁，效果良好，达到了矿安全生产标准化要求。

2 融合应用系统的技术要点

2.1 网络及传输方式

系统主干网络采用万兆工业以太环网，分站至主干网采用千兆工业以太网，分站至读卡器采用无线传输方式。

2.2 精准定位技术

人员精准定位技术采用UWB 定位技术中的ToF 测距技术（基于飞行时间测距—Time Of Fligh），如图3。该技术是一种适用于煤矿巷道空间的双向测距技术，主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)（或被反射面）之间往返的飞行时间来测量节点间的距离，它具有以下优点：

图3 ToF 测距技术（基于飞行时间测距——Time Of Fligh）原理图

（1）可以单基站进行测距，确定人员位置；

（2）两个基站即可确定人员行进方向，这是Zigbee 等传统定位技术所实现不了的。

2.3 技术指标的优化设计

（1）系统容量

系统可接入读卡器（基站）数量不小于512 台，识别卡数量不小于65 000 张。

（2）系统巡检周期

系统最大巡检周期不超过5 s。

（3）定位刷新频率

标识卡的定位刷新频率可调。采掘工作面定位刷新频率满足人员定位精度要求。

（4）定位精度

系统在理想状态下静态定位精度可达30 cm，动态定位精度不超过3 m。

采煤工作面及顺槽、掘进工作面人员定位精度达到1 m，其他地点人员定位精度不超过3 m。

（5）无线传输距离

分站（基站）、读卡器与标识卡之间无线传输距离不小于400 m。

（6）标志卡电源

精确定位识别卡采用电池供电，通过识别卡的超低功耗与智能节电设计，可以实现正常使用12月以上。

3 融合应用系统的运行情况

3.1 应用情况

该系统已成功运用于菏泽煤电公司彭庄煤矿，运行连续平稳，情况良好，达到了设计要求。

3.2 实现效果

（1）无线通信部分

实现了井上下WIFI 信号全覆盖，配合矿用本安防爆手机，实现了井下、井上下实时通信，提高了井下人员工作效率。

（2）人员精确定位部分

① 实现了对入井人员的精确定位跟踪（定位精度最高达30 cm）、报警求助、预警救援、考勤统计、区域禁入、历史数据记录查询以及唯一性检测等各项功能，极大增强了该矿的安全管理能力，同时解决了传统的“找人难、难找人”问题，这对提高该矿的事故应急处置能力具有重要意义。

② 创新加入了超员报警功能，解决了头面限员管理困难问题。

4 融合应用系统的效益产出

4.1 经济效益

（1）不采用融合系统，单独施工无线通信系统、人员精确定位系统，按每套200 万元计算，则合计费用400万元。采用的融合应用系统价格226.9万元，节约煤矿安全费用400-226.9=173.1 万元。

（2）井下无线通信系统与人员精确定位系统融合应用后，只需敷设一路线缆即可运行，在全矿范围内节省了一路线缆，按电缆、光缆各5 万m，电缆7 元/m，光缆6 元/m 计算，共节约材料费用5×7 ＋5×6=65 万元。

（3）该系统性能稳定可靠、自动化程度高，只需一组人工即可完成检修维护工作，这样就节约了一组人工（5 人）。按每人每年薪资6 万元计算，每年可节约人工费用5×6=30 万元。

综上所述，该融合应用系统累计效益：173.1+65+30=268.1 万元。

4.2 安全效益、社会效益、潜在效益

（1）安全效益

该系统完善了该矿安全管理体系，加强了井下作业人员的安全管理。特别是精度极高的人员精准定位功能，解决了事故发生时的“找人难、难找人”问题，提高了应对突发事件时的事故应急处置能力，对实现的安全生产具有重要意义。

（2）社会效益

该系统技术先进，功能多样，后续拓展能力强，后期可以把安全监控系统、考勤系统、井下应急广播系统等系统加入其中，实现多系统的融合联动，保证用户系统增值，节省用户投资，综合效益明显。该系统提高了该矿在事故发生时的救援能力，减少事故附加损失，降低社会负面影响。

（3）潜在效益

彭庄煤矿井下无线通信及工作面人员精准定位融合应用系统解决了彭庄煤矿缺少井下无线通信系统和人员定位不精、头面限员管理困难等诸多问题，同时满足了各岗位负责人、瓦检员、安全检查人员、流动岗位人员的通信需要，增强调度指挥能力，提高了工作效率。

该系统可对下井人员进行下井次数、时间等考勤信息分类统计，减少了出勤不出力现象，增加了工人的劳动效率。

5 结 论

井下无线通信及人员精准定位融合应用系统在实现高精度、高强度的井下实时定位与通信的基础上，创新加入了超员报警功能。经优化设计后，该系统平稳运行，在提高各相关技术指标的同时，大幅度削减了经济与人工成本。该系统支持多系统融合，后续工程逐渐实现了与安全监控系统、考勤系统、井下应急广播等系统的联动。