煤矿井下作业人员高精度定位系统设计

王国亮

摘要：煤炭开采行业是长期以来的高危行业，在恶劣的地层下开展煤炭开采面临着瓦斯、水灾、爆炸等安全生产事故的威胁。在煤矿恶劣的环境中，对安全生产提出了更高的要求，其中对于作业人员的保护应排在首位，应及时对矿井人员进行精确定位，能够实现及时有效地联系、救援等相关需求。针对目前现有矿井作业人员定位系统的缺陷，分析了目前常用的定位技术方法，总结出井下作业人员定位的特点，设计出了基于SDS-TWR定位技术的矿井井下作业人员的高精度定位系统。实验结果显示，SDS-TWR定位技术能够精确地对井下作业人员进行定位。

关键词：煤矿;定位系统;人员;高精度

中图分类号：TD76 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0247—03

0引言

煤炭资源一直是我国的主要能源，根据近期对能源储量占比进行统计分析，可以得出煤炭储量的总占比接近95%。在富煤、少油气的能源大环境下，可以推测得出，在未来很长的时间段内，煤炭将继续作为我国能源的主要形式而存在。然而作为我国主要的能源物资，在大力开发煤炭资源的同时，也对在煤炭开采过程中的安全生产提出了更严格的要求。虽然目前随着煤炭现代化发展进程的开启，各地高科技现代化开采设备也在不断地应用于煤炭开采过程中，但是真正实际执行决策操作的还是矿井作业人员，如何保障作业人员的生命健康安全是煤矿行业技术人员所应关注的热点问题。煤矿企业在对作业人员进行日常安全监管时，必须及时掌握人员的位置，了解每个作业人员的工作动态以及工作轨迹，便于在发生紧急情况时可以采取有效的措施，精确完成救援工作。为了高精度地实现对人员的精确定位，需借助目前先进的定位方法，但目前煤矿企业常用的定位技术方法均存在一定的缺陷。通过查阅相关资料，结合现场实际工况的情况下，得出了采用SDS-TWR定位技术设计出矿井井下人员定位系统。在现场实际应用的试验结果得出了该定位系统能够高精度地完成对矿井作业人员的定位，为促进煤矿企业安全生产常态化发展以及矿井作业技术人员定位技术研究提供了依据。

1煤矿井下测距方法

1.1定位特点

定位特点如下：

（1）矿井内各个开采巷道分布广泛，每一个分支的长度都比较长，某个巷道的长度最长可以达到10km，对于矿井内作业人员的定位需覆盖工作面的每一个角落，因此相比于在地上进行定位具有更高的难度;

（2）矿井内的设备复杂，具有较多的机械设备和电气设备，例如掘进机、带式输送机、支撑设备等，各类设备均会对定位信号产生偏差，要求对作业人员的信号能够实现非视距传输;

（3）信号在矿井巷道内传播，容易受到巷道的截面形状、地层属性、地质构造、表面粗糙程度等因素的不利影响，会对定位信号的无线传播造成衰减影响，并且影响的机理复杂多变，无法有效通过技术进行根本性控制;

（4）煤矿井下有易燃易爆的气体，要求矿井内的所有电气设备均为防爆型设备;

（5）电磁波在矿井无法进行有效传播，在户外的GPS等定位设备无法应用于地下的人员定位，因此在技术的应用方面具有局限性;

（6）矿井环境恶劣，具有煤炭粉尘颗粒浓度大、工作面温度和湿度较高等特点，严重制约了定位设备相关部件选型的范围。

1.2定位方法研究

通过对目前常用的定位技术进行研究，得出了每个技术的短板。AOA定位技术方法主要是用于在无障碍物的环境进行测距，在矿道分布复杂且弯曲的地质形态内无法进行使用。TOA技术方法所受到的巷道环境影响较小，理论上可以应用于井下作业人员的定位，但是要求定位卡与分站进行实时的同步，在技术和成本上要求较高，经济性不好。然而SDS-TWR技术方法不要求定位卡与分站进行实时的同步，同时可以降低整个系统集成的复杂程度，这种异步测时法在进行矿井人员定位时能够具有更高的自由度，因此选用SDS-TWR技术方法作为矿井人员测距定位的方法。

2定位系统设计研究

2.1功能要求

煤矿井下人员精确定位系统的功能要求如下。

（1）人员实时精确定位功能。系统应具有矿井人员位置实时监测与精确定位功能，包括掘进巷道和采煤工作面等重点区域。

（2）数据处理与报警功能。系统应具有矿井人员定位数据处理与报警功能，如矿井及重点区域超定员判别与报警功能、进入危险区域判别与报警、超时作业判别与报警、定位卡唯一性检测与报警、违章乘坐皮带判别与报警、与胶轮车和电机车近距离（不含乘坐）判别与报警、特种作业人员巡检路线与时间判别与报警等。

（3）实时数据存储与查询功能。系统应具有矿井人员实时定位数据存储功能。系统应具有矿井人员定位历史信息查询和统计功能。

（4）显示与打印功能。系统应具有矿井人员位置、路径和有关信息显示与打印功能。

（5）信息和数据管理功能。系统应具有井下人员定位相关信息管理功能，包括信息添加、修改和更新等功能。

（6）监控服务功能。系统应支持现场和远程监控服务。

2.2总体架构设计

设计的煤矿井下人员精确定位系统组成如图1所示。系统分为井上部分和井下部分，井上部分包括监控终端、各数据服务设备和网络通信设备等;井下部分包括定位卡、定位分站和矿用网络交换机等。

2.3定位分站设计

高精度定位系统的定位分站设计如图2所示，其中为确保数据处理计算的精确性，应选用高性能的处理器，处理器型号选择为西门子公司所生产的A13X新型处理器，该类型的处理器功耗较低，适用于工业环境。由于高精度定位系统的传输数据量较大，针对储存单元采用型号为26CC11的存储单元。

通过设置定位芯片与天线相结合，实现通讯单元的构架，通过配置摩托罗拉公司的DD1200芯片，使整个通讯支持IEEE802.15.4协议内容，为了防止内部芯片的相互干扰，采用机壳外置式的陶瓷天线。

由于矿井内作业环境恶劣，对于电源设备的要求较高，能够有效抵制恶劣的作业环境，并提供稳定的电能供应。因此采用锂电池为核心结合MAX1724芯片的整体设计方案，并且能够通过后台管理系统实现对锂电池的充電管理。

3定位系统应用效果分析

通过矿井内实际作业人员位置与软件通讯位置所传出的数据进行对比分析，从水平方向与竖直方向的数据偏差分析得出定位系统是否具有高精度属性。

水平方向的定位信号数据曲线如图3所示。由图可知，信号在水平方向不会随着矿井巷道长度延伸的距离而逐渐减弱，并且在矿井内的信号是呈均匀分布，数据结果显示误差偏差率仅为1.16%，远小于国家、行业相关标准。通过对数据进行拟合，水平方向的定位信号数据是呈曲线分布，有助于对矿井人员位置进行预测。

垂直方向传输的定位信号数据曲线如图4所示，垂直定位信号是从45。角的直线输入，数值与矿井空间结构数据是呈线性关系。数据误差偏差率为2.19%，符合国家相关标准，能够满足对矿井下各个角度位置作业人员的定位工作要求。

4结束语

煤矿企业安全生产常态化发展一直是国家相关部门所要求的，其中矿井作业人员的生命安全应放在煤矿企业进行日常作业生产的首位。在进行煤炭开采过程中，应随时掌握一线作业人员的位置状态，如发生突发事故，能够及时开展救援并取得信息联系。

本文通过实际工况条件，设计出了井下作业人员高精度定位系统，并通过现场实际应用研究得出该定位系统能够满足实际安全生产工作需要，对井下作业人员实施高精度的定位。高精度定位系统的研制对于煤矿行业研发高科技的矿井作业人员定位设备提供了依据。