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(chuàng)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(tǒng)。該系統(tǒng)通過建立虛擬的地理邊界來 遠程監(jiān)控和檢測物體在這些區(qū)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(fā)了適用于井工煤礦環(huán)境的實時地理圍欄管控系統(tǒng)。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(tǒng)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(yè)區(qū)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(jiān)控，能夠有效預防事 故發(fā)生，提升作業(yè)人員的安全。此外，系統(tǒng)具有廣泛的應用潛力，可以在更多礦區(qū)推廣使用，以提升整個 行業(yè)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(chuàng)新方法，應用于井下 煤礦生產的安全監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)，將地面的大地坐標系統(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(tǒng)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(tǒng)上報的海量時空數據和實時性的位置監(jiān)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(tǒng)，以滿足煤炭生產中的安全監(jiān)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(jiān)管業(yè)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(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極為重要的監(jiān)管業(yè)務，通過部署 和使用實時地理圍欄管控系統(tǒng)，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(yè)的安全性提 供了有力的技術支持。

三、創(chuàng)新亮點

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 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(qū)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(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)來獲取實時位置。這類衛(wèi)星定位系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(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(tǒng)，從定位組網原 理上，無法獲取準確的高程Z軸坐標。傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(qū)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(fā)送到地面的位置解算服務器，由位置解決服務器統(tǒng)一計算定位卡位置。位置解 算服務器在獲取到定位基站發(fā)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(tǒng)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(tǒng)才會發(fā)出告警信息。 此類地理圍欄處理系統(tǒng)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(guī)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(yè)的危險性，需要一種能夠盡量實時的對違反地理圍欄規(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(jié)點。計算節(jié)點是所有計算邏輯發(fā)生的物理區(qū)域，計算節(jié)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(guī)則，若違反，則輸出到錯誤信息表中進行告警。