一城一北斗|基于地理圍欄的煤礦安全生產(chǎn)管控系統(tǒng)

申報(bào)單位：國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司智能技術(shù)中心智能創(chuàng)新研究所

聯(lián)合申報(bào)單位：

主要完成人：王頊、楊東、韓鑫、王騰、張鶴瀟、胡子旋

一、案例簡介

本方案設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用于井工煤礦的實(shí)時(shí)地理圍欄管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過建立虛擬的地理邊界來 遠(yuǎn)程監(jiān)控和檢測物體在這些區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)情況，通過結(jié)合地理信息技術(shù)、室內(nèi)三維定位技術(shù)和流式計(jì)算框 架，開發(fā)了適用于井工煤礦環(huán)境的實(shí)時(shí)地理圍欄管控系統(tǒng)。解決了井工煤礦的定位坐標(biāo)系問題，三維定位 問題以及海量定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理問題3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)過在神東煤炭集團(tuán)石圪臺煤礦的實(shí)際應(yīng)用， 能夠顯著提高煤礦作業(yè)區(qū)域的安全管理水平，通過精確的地理圍欄設(shè)定和實(shí)時(shí)位置監(jiān)控，能夠有效預(yù)防事 故發(fā)生，提升作業(yè)人員的安全。此外，系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以在更多礦區(qū)推廣使用，以提升整個(gè) 行業(yè)的安全管理水平。

二、技術(shù)方案

本方案探討了如何將地理圍欄技術(shù)——一種在位置服務(wù)(LBS)中廣泛使用的創(chuàng)新方法，應(yīng)用于井下 煤礦生產(chǎn)的安全監(jiān)控中，并著重解決了3個(gè)核心問題：

1)通過使用北斗定位和井下定位系統(tǒng)對同名控制點(diǎn)聯(lián)系測量的方式構(gòu)建了井工煤礦的地上地下一體 化坐標(biāo)系統(tǒng)，將地面的大地坐標(biāo)系統(tǒng)引入到了煤礦井下定位系統(tǒng)中。

2)區(qū)別于北斗定位系統(tǒng)的下行定位，在礦區(qū)地面布設(shè)位置解決服務(wù)器，通過邊緣計(jì)算的方式，采用 上行定位的計(jì)算過程，為井下定位系統(tǒng)的解算位置賦予開采煤層深度信息，實(shí)現(xiàn)了井下煤礦的分層定位。

3)針對井下定位系統(tǒng)上報(bào)的海量時(shí)空數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性的位置監(jiān)控需求，使用事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和分布式計(jì) 算框架Flink,構(gòu)建了一套近實(shí)時(shí)的地理圍欄管控系統(tǒng)，以滿足煤炭生產(chǎn)中的安全監(jiān)管需求。

在解決了以上問題的基礎(chǔ)上，本文以神東煤炭集團(tuán)石圪臺煤礦的為試點(diǎn)，將地理圍欄技術(shù)應(yīng)用于該礦 的日常生產(chǎn)監(jiān)管業(yè)務(wù)中。通過實(shí)地驗(yàn)證表明，地理圍欄技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下道路封禁管理，井下變電所， 水泵房等重點(diǎn)區(qū)域禁入管理以及井下安全巡檢圍欄監(jiān)管等對煤礦安全生產(chǎn)極為重要的監(jiān)管業(yè)務(wù)，通過部署 和使用實(shí)時(shí)地理圍欄管控系統(tǒng)，可以顯著的提升了煤礦生產(chǎn)的安全管理水平，為確保煤礦作業(yè)的安全性提 供了有力的技術(shù)支持。

三、創(chuàng)新亮點(diǎn)

1)地上地下統(tǒng)一定位：井工煤礦不僅包括地下的不同深度的開采水平，還包括地面上一系列附屬設(shè) 施，主要包括地面站房，車輛停放站房，地面配電室，地面水泵房等。這些地面重點(diǎn)區(qū)域決定了井下的供 水，供電，通風(fēng)等至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行，因此通常也需要通過地理圍欄來進(jìn)行監(jiān)控和管理。在地面 上，人們通常使用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)來獲取實(shí)時(shí)位置。這類衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得坐標(biāo)通常是WGS84/國家2000 坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)。然而在井下，建立在Zigbee/UWB技術(shù)上的人員定位系統(tǒng)通常獲取的是工程坐標(biāo) 系或自定義坐標(biāo)系的坐標(biāo)，無法與地面上的定位數(shù)據(jù)坐標(biāo)系融合。為了解決該問題，本文通過在井口處選 擇了3個(gè)同名點(diǎn)，分別計(jì)算這3個(gè)點(diǎn)在北斗經(jīng)緯度坐標(biāo)系的坐標(biāo)。然后再在這3個(gè)點(diǎn)上掛載定位卡，計(jì)算 在人員定位系統(tǒng)的工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過這3個(gè)同名點(diǎn)的不同坐標(biāo)，即可計(jì)算兩種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化的坐標(biāo)統(tǒng)一。

2)井工煤礦分層定位：目前井下的人員定位系統(tǒng)，一般通過TDOA算法來獲取定位卡的坐標(biāo)位置。

但是由于礦井的地理特性，定位基站在高程方向上無法拉開距離，構(gòu)建一個(gè)高強(qiáng)度的三維網(wǎng)絡(luò)。因此即使定位卡能夠接受到4個(gè)以上定位基站的信號，通過TDOA算法生成的高程Z坐標(biāo)不具有準(zhǔn)確的測量精 度。由于Zigbee/UWB的定位特點(diǎn)和井工礦長巷道的地理特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)，從定位組網(wǎng)原 理上，無法獲取準(zhǔn)確的高程Z軸坐標(biāo)。傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω叱蘘軸坐標(biāo)并無需求，但是在 地理圍欄場景下，會(huì)導(dǎo)致上層的物體闖入不同層級的地理圍欄的誤報(bào)現(xiàn)象。用戶在22煤開采水平設(shè)置了 一個(gè)地理圍欄，但是由于現(xiàn)有的煤礦定位系統(tǒng)無法返回準(zhǔn)確的高程信息，因此活動(dòng)在22煤下方的31煤的 人員和車輛會(huì)錯(cuò)誤的觸發(fā)上層的22煤地理圍欄。為了解決這個(gè)問題，本文使用上行定位的手段，即在礦 區(qū)地面機(jī)房布設(shè)位置解算服務(wù)器。定位基站接收到定位卡的數(shù)據(jù)后，將基站ID,定位卡ID,RSSI值，利 用井下布設(shè)的5G網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到地面的位置解算服務(wù)器，由位置解決服務(wù)器統(tǒng)一計(jì)算定位卡位置。位置解 算服務(wù)器在獲取到定位基站發(fā)送的數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的TDOA算法流程，構(gòu)建定位卡最大RSSI值的 4個(gè)定位基站數(shù)據(jù)，獲取定位基站的坐標(biāo)，最后使用最小二乘算法求取定位卡的位置坐標(biāo)。所不同的是， 在獲取定位卡的坐標(biāo)后，會(huì)基于定位網(wǎng)絡(luò)所使用的基站位置數(shù)據(jù)，獲取定位卡所在的開采水平，作為定位 卡當(dāng)前位置的Z軸坐標(biāo)。

3)基于事件驅(qū)動(dòng)和流式計(jì)算框架的實(shí)時(shí)地理圍欄：傳統(tǒng)的地面上的地理圍欄應(yīng)用場景，如貨車禁止 駛?cè)肼范蔚龋且环N后處理的過程。即貨車已經(jīng)闖入禁止的地理圍欄一段時(shí)間后，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出告警信息。 此類地理圍欄處理系統(tǒng)一般使用一個(gè)定時(shí)的批處理任務(wù)，比如在每日凌晨1點(diǎn)對上一日的所有貨車軌跡數(shù) 據(jù)和地理圍欄數(shù)據(jù)進(jìn)行空間相交計(jì)算，獲取圍欄限行規(guī)則的貨車數(shù)據(jù)。而對于煤礦生產(chǎn)場景來說，由于地 下煤礦開采作業(yè)的危險(xiǎn)性，需要一種能夠盡量實(shí)時(shí)的對違反地理圍欄規(guī)則的情況進(jìn)行處理和告警的機(jī)制。 本文使用事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和分布式流式計(jì)算框架，將人員定位系統(tǒng)上報(bào)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)流來進(jìn) 行處理，圍繞著違反地理圍欄的事件來構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流。在上游數(shù)據(jù)來源層面，本文使用Apache NIFI 來實(shí)時(shí)的從位置解算服務(wù)器上抽取位置數(shù)據(jù)，然后發(fā)布到Apache kafka消息隊(duì)列，作為實(shí)時(shí)的位置消息。 之后，本文使用Apache Flink流式計(jì)算框架，根據(jù)位置數(shù)據(jù)的定位卡號，將位置分配到Flink的多個(gè)計(jì)算 節(jié)點(diǎn)。計(jì)算節(jié)點(diǎn)是所有計(jì)算邏輯發(fā)生的物理區(qū)域，計(jì)算節(jié)點(diǎn)首先會(huì)對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)修改，將工程坐標(biāo) 系下的定位坐標(biāo)，根據(jù)第一步求解到的坐標(biāo)變換參數(shù)，進(jìn)行坐標(biāo)變換到經(jīng)緯度下的大地坐標(biāo)。然后不斷的 判斷位置坐標(biāo)是否違反了地理圍欄的規(guī)則，若違反，則輸出到錯(cuò)誤信息表中進(jìn)行告警。