基于地理围栏的煤矿安全生产管控的解决方案
一、案例简介
本方案设计并实现了一个用于井工煤矿的实时地理围栏管控系统。该系统通过建立虚拟的地理边界来远程监控和检测物体在这些区域内的移动情况，通过结合地理信息技术、室内三维定位技术和流式计算框架，开发了适用于井工煤矿环境的实时地理围栏管控系统。解决了井工煤矿的定位坐标系问题，三维定位问题以及海量定位数据的实时处理问题3个技术难点。系统经过在神东煤炭集团石圪台煤矿的实际应用能够显著提高煤矿作业区域的安全管理水平，通过精确的地理围栏设定和实时位置监控，能够有效预防事故发生，提升作业人员的安全。此外，系统具有广泛的应用潜力，可以在更多矿区推广使用，以提升整个行业的安全管理水平。
二、技术方案
本方案探讨了如何将地理围栏技术一煤矿生产的安全监控中，并着重解决了3个核心问题:
1)通过使用北斗定位和井下定位系统对同名控制点联系测量的方式构建了井工煤矿的地上地下一体化坐标系统，将地面的大地坐标系统引入到了煤矿井下定位系统中。
2)区别于北斗定位系统的下行定位，在矿区地面布设位置解决服务器，通过边缘计算的方式，采用上行定位的计算过程，为井下定位系统的解算位置赋予开采煤层深度信息，实现了井下煤矿的分层定位。3)针对井下定位系统上报的海量时空数据和实时性的位置监控需求，使用事件驱动架构和分布式计算框架 Flink，构建了一套近实时的地理围栏管控系统，以满足煤炭生产中的安全监管需求。
在解决了以上问题的基础上，本文以神东煤炭集团石圪台煤矿的为试点，将地理围栏技术应用于该矿的日常生产监管业务中。通过实地验证表明，地理围栏技术可以实现煤矿井下道路封禁管理，并下变电所水泵房等重点区域禁入管理以及井下安全巡检围栏监管等对煤矿安全生产极为重要的监管业务，通过部署和使用实时地理围栏管控系统，可以显著的提升了煤矿生产的安全管理水平，为确保煤矿作业的安全性提供了有力的技术支持。
三、创新亮点
1)地上地下统一定位:井工煤矿不仅包括地下的不同深度的开采水平，还包括地面上一系列附属设施，主要包括地面站房，车辆停放站房，地面配电室，地面水泵房等。这些地面重点区域决定了井下的供水，供电，通风等至关重要的基础设施的运行，因此通常也需要通过地理围栏来进行监控和管理。在地面上,人们通常使用北斗卫星定位系统来获取实时位置。这类卫星定位系统获得坐标通常是 WGS84/国家 2000坐标系下的经纬度坐标。然而在井下，建立在Zigbee/UWB 技术上的人员定位系统通常获取的是工程坐标系或自定义坐标系的坐标，无法与地面上的定位数据坐标系融合。为了解决该问题，本文通过在井口处选择了3个同名点，分别计算这3个点在北斗经纬度坐标系的坐标。然后再在这3个点上挂载定位卡，计算在人员定位系统的工程坐标系下的坐标。通过这3个同名点的不同坐标，即可计算两种坐标系下的坐标转换参数，实现地上地下一体化的坐标统一
2)井工煤矿分层定位:目前井下的人员定位系统，一般通过 TDOA 算法来获取定位卡的坐标位置。但是由于矿井的地理特性，定位基站在高程方向上无法拉开距离，构建一个高强度的三维定位网络。因此即使定位卡能够接受到4个以上定位基站的信号,通过 TDOA 算法生成的高程Z坐标不具有准确的测量精度。由于 Zigbee/UWB 的定位特点和井工矿长巷道的地理特点，导致现有的人员定位系统，从定位组网原理上，无法获取准确的高程乙轴坐标。传统的人员定位系统的应用领域对高程Z轴坐标并无需求，但是在地理围栏场景下，会导致上层的物体闯入不同层级的地理围栏的误报现象。用户在 22煤开采水平设置了一个地理围栏，但是由于现有的煤矿定位系统无法返回准确的高程信息，因此活动在 22 煤下方的 31煤的人员和车辆会错误的触发上层的 22 煤地理围栏。为了解决这个问题，本文使用上行定位的手段，即在矿区地面机房布设位置解算服务器。定位基站接收到定位卡的数据后，将基站，定位卡D，RSSI值，利用井下布设的 5G 网络，发送到地面的位置解算服务器，由位置解决服务器统一计算定位卡位置。位置解算服务器在获取到定位基站发送的数据后，首先根据标准的TDOA 算法流程，构建定位卡最大 RSSI 值的4个定位基站数据，获取定位基站的坐标，最后使用最小二乘算法求取定位卡的位置坐标。所不同的是,在获取定位卡的坐标后，会基于定位网络所使用的基站位置数据，获取定位卡所在的开采水平，作为定位卡当前位置的乙轴坐标。
3)基于事件驱动和流式计算框架的实时地理围栏:传统的地面上的地理围栏应用场景，如货车禁止驶入路段等，是一种后处理的过程。即货车已经闯入禁止的地理围栏一段时间后，系统才会发出告警信息。此类地理围栏处理系统一般使用一个定时的批处理任务，比如在每日凌晨1点对上一日的所有货车轨迹数据和地理围栏数据进行空间相交计算，获取围栏限行规则的货车数据。而对于煤矿生产场景来说，由于地下煤矿开采作业的危险性，需要一种能够尽量实时的对违反地理围栏规则的情况进行处理和告警的机制。本文使用事件驱动架构和分布式流式计算框架，将人员定位系统上报的实时位置数据作为一个数据流来进行处理,围绕着违反地理围栏的事件来构建整个系统的数据流。在上游数据来源层面,本文使用 Apache NIFI来实时的从位置解算服务器上抽取位置数据，然后发布到Apachekafka 消息队列，作为实时的位置消息。之后，本文使用 Apache Flink 流式计算框架，根据位置数据的定位卡号，将位置分配到 Flink 的多个计算节点。计算节点是所有计算逻辑发生的物理区域，计算节点首先会对位置数据进行坐标修改，将工程坐标系下的定位坐标，根据第一步求解到的坐标变换参数，进行坐标变换到经纬度下的大地坐标。然后不断的判断位置坐标是否违反了地理围栏的规则，若违反，则输出到错误信息表中进行告警。
