2022年人员精确定位系统报告

1、井下精确定位系统可行性 研究报告机电装备研究所2018.4.3 一、义煤集团目前存在的问题1、矿用电机车 煤炭生产过程中， 矿用电机车是井下轨道煤炭运输及辅助运输重要的动 力设备，电机车按供电方式分为架线式和蓄电池式两种，轨道数量有单轨道 和双轨道两种。由于电机车具有结构简单，维护方便，运输费用低等特点，在煤矿水平巷道中， 作为运输工具起着很大作用， 得到广泛应用。 为确保煤矿井下运输安全， 煤矿安全规程 对电机车运输的轨距、 轨型、运行速度、机车的制动距离以及两台机车在同一轨道同一方向行驶时，必须保持不小于100m 的距离等做出了明确的规定。由于煤矿井下运输巷道沿途灯光昏暗，工况恶劣，如果电

2、机车司机注意力稍有不集中， 反应迟钝， 观察判断失误以及道岔错位等原因，电机车很容易出现事故， 轻者掉轨， 误开到其它轨道上， 重者使两电机车行驶到同一轨道上造成迎面相撞或追尾事故， 特别是迎面相撞事故由于极大的惯性，造成的后果更加严重。可能会损毁轨道、路基、车辆和运送的设备，甚至会造成冒顶塌方、 火灾瓦斯事故。 若是运送人员的车辆相撞后果更为严重，将造成大量人员受伤。而目前电机车的制动一般都是人工操作电阻制动和手闸制动两种，刹车时易产生剧烈抖动或刹车过猛而造成人为事故。这种机车相撞事故一旦发生危害巨大， 后果惨重，极大地影响了煤矿企业正常有序的安全生产。除电机车之间出现碰撞事故外， 电机车撞

3、人事故也常有发生。 长期以来大巷机车运输事故在主巷运输事故中所占比例一直较大，其发生的类型一般有以下几类： 大巷作业人员避让列车不及被碰挂致伤；大巷人行道宽度不够，使巷道内人员无法安全避让列车，被列车碰挂致伤； 无乘车候车室的大巷，下班后候车的工人因劳累睡在线路旁，被列车碰挂致伤； 乘车人员乘坐人车时，未挂好防护链且因劳累睡着后，意外被列车甩出车外摔伤；跟车工摘挂钩时， 因与司机联络失误或机车司机操作失误，兑车不当， 被挤碰致伤；行人在从石门巷道快速跨越大巷轨道时，被运行中的列车碰伤等。巷道欠维护，上顶冒落，机车和矸石相撞，也时有发生。要消除以上事故， 一是要完善巷道设施； 二是职工要做好自我

4、保护； 更重要的是要在完善机车安全设施，主动做好大巷行车安全防范工作。2、人员定位煤矿安全生产事关煤矿系统人员的生命和财产安全，各级政府一贯高 度重视煤矿安全生产问题，并采取了一系列措施不断加强安全生产工作。通过不断的努力，煤矿安全生产状况总体上趋于稳定好转，但煤矿生产的 主体集中在井下，随着机械化开采程度的普及，井下巷道不断向四面延伸，巷道纵横交错，人流、车流错综复杂。作为地面生产指挥控制核心部门，实时了解井下人员、车辆、原煤及材料的流动运行情况和跟踪监测就显得 尤为重要，一旦遭遇各种井下事故，必须在最短的时间内获取事故现场的 人员状况及分布情况，将为后续工作提供主要参考依据，以减少盲目性，

5、因此，改变目前煤矿企业对井下人员的管理模式，优化井下人员定位管理 系统，实现井下人员的精确定位和管理信息的精确化、精细化已成为所有 煤矿企业日趋关心的问题。煤矿井下人员定位系统能够及时、 准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况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、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事 故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况， 及时采取相应的救援措施， 提高应急救援工 作的效率，但目前使用的定位系统经过运行发现了系统存在一定的问题，如：识别卡电池没有电， 导致无法统计下井人

6、员人数； 软件功能不完善， 统计下 井人员信息混乱； 分站不同不容易找到问题， 影响范围比较大； 识别卡损坏 的比较多，分站接受信号弱；系统软件记录上、下井时间不准确，主要区域 人数统计不清楚； 对井下人员定位不精确只能定位在某个区域，具体不到精 确位置；管理信息不够清晰、 无法对井下运输原煤及材料的车辆和物流进行 管理。因此，将目前矿井人员定位系统的功能进一步拓展，加强对井下人员、车辆、物流和生产的管理，精确实现灾害预防、事故救助，提升煤矿安全生 产管理的信息化将显得优为重要。综上所述 ，为了实现这一目标，设计一套井下安全实时精确定位系统。系统的核心无线定位设备采用了具有国际先进水平的无线宽

7、带定位技术。该技术是采用的是调频体制的宽带无线通信技术，它使无线定位技术的性能和原来的无线定位技术相比有了本质的改进，解决了远距离、 大流量、 超低功耗、高速移动的标识物的定位和数据传输难题，量识别定位精度差的致命弱点。同时也解决了原来以信号能本井下人员及设备定位系统能够及时、 准确的将井下各个区域人员及设 备的动态情况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、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，救援工作的效率。及时采取相应的救援措施， 提高应急井下人员

8、及设备定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、 灾后急救、 日常管理等一体的综合性运用系统，集合国内识别技术、 传输技术、 软件技术等最顶尖的产品和技术， 是目前国内技术最先进、 运行最稳定、 设计最专业 化的井下人员定位系统。 这一科技成果的实现， 将为煤矿企业的安全生产和 日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。3、已作工作 义马煤业（集团）有限责任公司现有耿村矿、 常村矿、 新安矿、千秋矿、宜络矿、曹窑矿等 16 座现代化大型生产矿井以及数十家整合矿井，基本都 具 已经安装人员定位系统， 但对井下人员定位不精确只能定位在某个区域，体不到精确位置； 管理信息不够清晰、 无法对井下运输原煤及材

9、料的车辆和 物流进行管理。 16 座现代化大型生产矿井只有耿村矿和千秋矿上了信息闭 系统，即使如此，但电机车之间出现碰撞事故，电机车撞人事故时有发生，这样就需要将电机车系统设备定位，能够及时、 准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况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、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理，为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契 机。和中国航空第 802 所合作的“ 井下精确定位系统” 合作意向一达成，并 在 2014 年 4 月 23 日下午 14:20-17:00 在耿村矿 13180 平面的巷道，距离采

10、矿作业线不到 200 米区域内进行实验 （见实验报告） 。通过实验可以初步得出以下几个结论：本系统在复杂矿下环境里的相对2D 定位精度优于 2 米。本系统复杂矿下环境里的绝对 2D 定位精度优于 2.5 米，满足区域监控与高精度定位的要求。本系统基站覆盖距离大于100 米。在两个基站距离为120 米时未能解算出标签的位置信息的原因是巷道有明显的起伏，两个基站间有障碍物， 严重阻挡无线电波的传输，根据 100 米时信号强度分析，在视距情况系统基站覆盖距离应该大于200 米。本系统可同时进行定位的标签数量大于 1000（按照实际使用情况， 标签 和基站的通信定位频率为 1Hz），满足现在煤矿上下班

11、高峰期进行人员考勤的要 求。目前国内外还没有一家能达到如此精确水平。处于国际领先地位。二、市场需求 1、国家相关文件 2010 年 7 月 19 日，国务院为进一步加强国家安全生产工作，全面提高 企业安全生产水平，下发了国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通 知（国发201023 号）。提出了煤矿和非煤矿山企业 3 年内建设完成 “六 大系统 ”的要求。2010 年 8 月 24 日，国家安全监管总局国家煤矿安监局按照国务院关 于进一步加强企业安全生产工作的通知中关于“煤矿和非煤矿山要制定和 实施生产技术装备标准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和

12、通信联络系统等技术装备，并于 3 年之内完成 ”的要求，为建设完善煤矿井下安全避险“六大系统 ”，全面提升煤矿安全保障能力，下发了国家安全监管总局国家煤矿安监局关于建设完善煤矿井下安全避险 “六大系统 ”的通知（安监总煤装2010146 号）。2011年 3 月 21 日，为深入贯彻落实国务院关于进一步加强企业安全 生产工作的通知 精神，规范和推进煤矿井下安全避险“六大系统 ”建设完善工作，国家安全监管总局、 国家煤矿安监局研究制定了 煤矿井下安全避险“六大系统 ”建设完善基本规范（试行），并下发了国家安全监管总局国家煤矿安监局关于印发煤矿井下安全避险“ 六大系统 ” 建设完善基本规范(试行

13、)的通知（安监总煤装201133 号）。建立并完善煤矿井下安全避险“六大系统 ”是国家安全发展的需要， 煤矿井下紧急避险系统是国家强制推行的先进适用技术装备，为规范和促进煤矿井下紧急避险系统的建设、 完善和管理工作， 按照国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发【2010】23 号）、和安监总煤装【 2011】15 号文件国家安全监管总局国家煤矿安监局关于印发煤矿井下紧急避险 系统建设管理暂行规定的通知精神，根据煤矿井下安全避险“六大系统 ”的相关技术规范以及义煤集团相关文件规定，结合义煤集团煤矿实际情况，研制井下人员及（电机车）设备精确定位管理系统方案设计。2、现实需求 随着国家对煤

14、矿安全的日益重视和监管力度的不断加强，矿及广大乡镇小煤矿也大量装备了煤矿安全生产监控系统，推广应用在一定程度上大大改善了我国煤矿安全生产状况。我国大中型煤 这些安全装备的 但目前煤矿井下还普遍存在入井人员管理困难， 井上人员难以及时掌握井下人员的动态分布 及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低， 效果不理想。 如何改变目前煤矿对井下人员落后的管理模式，如何实现人员管理的现代化、 信息化也成为所有煤矿企业关心的问题，而开发新型矿井人员跟踪定位及考勤管理系统，就可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位， 随时清楚掌握每个人员在井下的位置及活动轨迹。如果 发

15、生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被 困人员数量、 遇险人员撤退线路等信息， 为事故抢险提供科学依据。 因此建 立以灾害预防、 事故救助、 电子信息化管理为主要目标的井下人员及（电机 车）设备信息化和智能化精确定位管理系统势在必行。三、可行性分析1义煤基础 义马煤业（集团）有限责任公司现有耿村矿、 常村矿、 新安矿、千秋矿、宜络矿、曹窑矿等 16 座现代化大型生产矿井人员定位系统和电机车系统都已上，下属有矿山电气化河南省工程实验室，验场所和技术支持。将为合作研究提供强有力地实2802 所技术储备 上海航天 802 所多年来一直致力于安全定位系统研究，单位依托强有力

16、的自动控制及无线通信技术研发平台，进行资源整合，不断加大安全产品的 研发投入。以建立海上渔民作业和汽车防撞、矿井作业的灾害预防、事故救 助、电子信息化管理为主要目标，致力于海上渔民作业和汽车防撞、矿井作 业的安全信息化、智能化的建设，建设了海上救援定位系统、汽车防撞系统和井下人员安全定位等先进安全系统，术。3主要技术路线具备开发和设计安全系统的能力和技（1）现场调查研究义煤集团 16 座现代化生产矿井各个矿人员定位系统 和电机车系统实际运行特性和实际存在的问题。（2）利用国际先进水平的无线宽带定位技术对井下人员及（电机车）设备研发出信息化和智能化精确定位管理系统，并在义煤集团安装调试。（3）为

17、尽快的转化为生产力，产生经济和社会效益，对产品进行防爆 认证，进行工业化生产，商业化运作。4井下人员及设备精确定位系统简介 4.1 定位管理系统基本功能 井下人员定位管理系统的基本要求，能够实时监测人员上井和下井记 录、实时监测重点区域、 限制区域的人员分布及时刻，并将井下各个区域人员的动态情况反映到地面计算机系统。使管理人员能够及时准确掌握入井人数和入井人员的工作区域， 随时掌握干部跟班下井情况、 井下人员的分布状 况和每个作业人员入井、 升井时间及运动轨迹， 以便于进行更加合理的调度 管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，救援工

18、作的效率。及时采取相应的救援措施， 提高应急1、实时监测功能：地面管理人员能够及时掌握井下人员数量及工作人 员数量，对待定人员实时跟踪， 及时掌握有关人员的行动路线，并将其在计 算机桌面显示出来。2、查询功能：地面管理人员随时查询到某个人当前所在的区域，查询 该人员曾经走过的路线及经过分站探头的时间。并且管理人员随时能够查询 到某个人一年内任意一个月某一日在井下的活动轨迹。3、统计功能：显示人员下井时间和上井时间，记录下井人员在井下持 续工作时间，能够判断下井人员是否达到规定时间， 并在考勤表中体现出来。能够自动统计人员下井次数及班次，并进行累计统计。4、安全功能：要具备门禁功能，人员下井报警

19、功能、作业区域人员超 员报警功能、 发生紧急情况时， 能够快速查询井下遇困人员位置及该区域人 员数量，查询发生灾害前全部人员在各时段的位置及状态、显示避灾路线，为抢险救灾提供可靠依据。5、系统运行状态提示功能：分站出现故障或读卡器出现故障时，在监 控中心能够明确提示报警。 当有源卡缺电时能够提前提示， 交流电源中断时 能够及时提示直流供电报警。6、所有井下设备必须是本质安全型或隔爆兼本质安全型。42 系统总体结构 本井下人员定位系统支持灵活的网络架构，可以方便实现的树状多分支巷道定位。一个典型的井下定位网络由四部分构成：定位基站、移动标签、光纤网络传输通道、定位引擎服务器。其中定位基站分布 于

20、井下巷道侧边，并对所管理区域进行信号覆盖；移动标签附着在定 位对象表面，如人的手腕、安全帽、要带、设备的上盖、车辆的顶部；当标签进入基站的信号覆盖范围内，依据设定的刷新率，自动发送一 包数据与基站建立联系；基站依据内置规则完成 TDOA 数据的获取，并通过光纤网络传输通道发送至定位引擎服务器，进而计算出移动标签的实际位置；定 位引擎 服 务器支 持 大容量标签网络 的原始数据获取、位置解算与坐标输出。如下述定位网络结构示意图所示，本井下人员定位系统可以支持多种场景的应用；整个系统基于以太网实现高吞吐量TDOA数据传输，每台基站都需要连接到井下光纤网络；对于多分支巷道定位，系统 采 用 树 状

21、光 纤 网 络 时 间 同 步 方 式 ， 每 个 定 位 基 站 的 覆 盖 距 离 为150m，任意两个定位基站覆盖范围内支持200 个以上移动标签。图 1 井下人员跟踪定位系统网络构成示意图4.3、设计目标设计方案时，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保护等方面也进行了充分考虑。方案采用高吞吐量的以太网作为主传输平台，开发相应的井下人员跟踪定位基站、人员无线传输标签等设备与系统挂接，通过井下人员跟踪定位基站及软件引擎软件与主系 统以标 准 数据库 进 行后台数据交换 从而实现井下作业人员的跟踪定位和安全管理。系统总体设计主要体现在：1）实时定位。系统通过单向宽

22、带窄脉冲技术，发射一包普通定位数据仅需 0.5ms 即可完成定位功能；2）高精度定位。系统采用基于时间机制的 TDOA 定位技术，通过光纤千兆网实现 3-5ns 高精度的基站同步网络，可以实现稳定的1-3m 定位精度；3）系统容量大。系统通过光纤千兆网为的高吞吐量应用，在局域范围内（两个基站间）轻松实现 200 个以上标签密度的定位；整个系统容量不加限制。4） 低 功 耗 。 系 统 标 签 设 计 以 1HZ24H工 作 的 平 均 功 耗 低 达0.24mAH, 按需节能低至 0.1mAH 。如普通的 160mAh 充电锂电池， 工作在 17dBm1HZ/24H 时，能够工作 22-28 天；44 定位管理系统概述本井下人员安全定位系统采用宽带无线定位技术，通过到达时间差 (TDOA) 来进行测距和定位，其基本思想就是：首先所有的定位基站都是精确同步，当标签在任意两个基站之间运动时，标签以一定的频率向这个两个基站发射宽带窄脉冲信号，两基站通过测量接收标签发射的脉冲信号的到达时间差（图如下图所示。由于基站间的可以实现小于TDOA ）来计算标签的位置。定位示意 3ns 误差的基站网络时间同步精度，因此本方案可以实现最高 0.6m 的位置精度，这种方式与基于