一城一北斗|基于地理圍欄的煤礦安全生產管控系統

申報單位：國能神東煤炭集團有限責任公司智能技術中心智能創新研究所

聯合申報單位：

主要完成人：王頊、楊東、韓鑫、王騰、張鶴瀟、胡子旋

一、案例簡介

本方案設計并實現了一個用于井工煤礦的實時地理圍欄管控系統。該系統通過建立虛擬的地理邊界來 遠程監控和檢測物體在這些區域內的移動情況，通過結合地理信息技術、室內三維定位技術和流式計算框 架，開發了適用于井工煤礦環境的實時地理圍欄管控系統。解決了井工煤礦的定位坐標系問題，三維定位 問題以及海量定位數據的實時處理問題3個技術難點。系統經過在神東煤炭集團石圪臺煤礦的實際應用， 能夠顯著提高煤礦作業區域的安全管理水平，通過精確的地理圍欄設定和實時位置監控，能夠有效預防事 故發生，提升作業人員的安全。此外，系統具有廣泛的應用潛力，可以在更多礦區推廣使用，以提升整個 行業的安全管理水平。

二、技術方案

本方案探討了如何將地理圍欄技術——一種在位置服務(LBS)中廣泛使用的創新方法，應用于井下 煤礦生產的安全監控中，并著重解決了3個核心問題：

1)通過使用北斗定位和井下定位系統對同名控制點聯系測量的方式構建了井工煤礦的地上地下一體 化坐標系統，將地面的大地坐標系統引入到了煤礦井下定位系統中。

2)區別于北斗定位系統的下行定位，在礦區地面布設位置解決服務器，通過邊緣計算的方式，采用 上行定位的計算過程，為井下定位系統的解算位置賦予開采煤層深度信息，實現了井下煤礦的分層定位。

3)針對井下定位系統上報的海量時空數據和實時性的位置監控需求，使用事件驅動架構和分布式計 算框架Flink,構建了一套近實時的地理圍欄管控系統，以滿足煤炭生產中的安全監管需求。

在解決了以上問題的基礎上，本文以神東煤炭集團石圪臺煤礦的為試點，將地理圍欄技術應用于該礦 的日常生產監管業務中。通過實地驗證表明，地理圍欄技術可以實現煤礦井下道路封禁管理，井下變電所， 水泵房等重點區域禁入管理以及井下安全巡檢圍欄監管等對煤礦安全生產極為重要的監管業務，通過部署 和使用實時地理圍欄管控系統，可以顯著的提升了煤礦生產的安全管理水平，為確保煤礦作業的安全性提 供了有力的技術支持。

三、創新亮點

1)地上地下統一定位：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 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。這些地面重點區域決定了井下的供 水，供電，通風等至關重要的基礎設施的運行，因此通常也需要通過地理圍欄來進行監控和管理。在地面 上，人們通常使用北斗衛星定位系統來獲取實時位置。這類衛星定位系統獲得坐標通常是WGS84/國家2000 坐標系下的經緯度坐標。然而在井下，建立在Zigbee/UWB技術上的人員定位系統通常獲取的是工程坐標 系或自定義坐標系的坐標，無法與地面上的定位數據坐標系融合。為了解決該問題，本文通過在井口處選 擇了3個同名點，分別計算這3個點在北斗經緯度坐標系的坐標。然后再在這3個點上掛載定位卡，計算 在人員定位系統的工程坐標系下的坐標。通過這3個同名點的不同坐標，即可計算兩種坐標系下的坐標轉 換參數，實現地上地下一體化的坐標統一。

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

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，構建一個高強度的三維網絡。因此即使定位卡能夠接受到4個以上定位基站的信號，通過TDOA算法生成的高程Z坐標不具有準確的測量精 度。由于Zigbee/UWB的定位特點和井工礦長巷道的地理特點，導致現有的人員定位系統，從定位組網原 理上，無法獲取準確的高程Z軸坐標。傳統的人員定位系統的應用領域對高程Z軸坐標并無需求，但是在 地理圍欄場景下，會導致上層的物體闖入不同層級的地理圍欄的誤報現象。用戶在22煤開采水平設置了 一個地理圍欄，但是由于現有的煤礦定位系統無法返回準確的高程信息，因此活動在22煤下方的31煤的 人員和車輛會錯誤的觸發上層的22煤地理圍欄。為了解決這個問題，本文使用上行定位的手段，即在礦 區地面機房布設位置解算服務器。定位基站接收到定位卡的數據后，將基站ID,定位卡ID,RSSI值，利 用井下布設的5G網絡，發送到地面的位置解算服務器，由位置解決服務器統一計算定位卡位置。位置解 算服務器在獲取到定位基站發送的數據后，首先根據標準的TDOA算法流程，構建定位卡最大RSSI值的 4個定位基站數據，獲取定位基站的坐標，最后使用最小二乘算法求取定位卡的位置坐標。所不同的是， 在獲取定位卡的坐標后，會基于定位網絡所使用的基站位置數據，獲取定位卡所在的開采水平，作為定位 卡當前位置的Z軸坐標。

3)基于事件驅動和流式計算框架的實時地理圍欄：傳統的地面上的地理圍欄應用場景，如貨車禁止 駛入路段等，是一種后處理的過程。即貨車已經闖入禁止的地理圍欄一段時間后，系統才會發出告警信息。 此類地理圍欄處理系統一般使用一個定時的批處理任務，比如在每日凌晨1點對上一日的所有貨車軌跡數 據和地理圍欄數據進行空間相交計算，獲取圍欄限行規則的貨車數據。而對于煤礦生產場景來說，由于地 下煤礦開采作業的危險性，需要一種能夠盡量實時的對違反地理圍欄規則的情況進行處理和告警的機制。 本文使用事件驅動架構和分布式流式計算框架，將人員定位系統上報的實時位置數據作為一個數據流來進 行處理，圍繞著違反地理圍欄的事件來構建整個系統的數據流。在上游數據來源層面，本文使用Apache NIFI 來實時的從位置解算服務器上抽取位置數據，然后發布到Apache kafka消息隊列，作為實時的位置消息。 之后，本文使用Apache Flink流式計算框架，根據位置數據的定位卡號，將位置分配到Flink的多個計算 節點。計算節點是所有計算邏輯發生的物理區域，計算節點首先會對位置數據進行坐標修改，將工程坐標 系下的定位坐標，根據第一步求解到的坐標變換參數，進行坐標變換到經緯度下的大地坐標。然后不斷的 判斷位置坐標是否違反了地理圍欄的規則，若違反，則輸出到錯誤信息表中進行告警。