基于三维GIS 的煤矿井下人员精确位置地图管理系统_洪玉玲.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 基于三维 GIS 的煤矿井下人员精确位置 地图管理系统 洪玉玲 1,2 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对煤矿井下人员定位系统二维 GIS 模拟图对井下巷道空间表现不直观、 人员位置不 精确、 底图更新后需要手工导图等问题， 依托煤矿井下人员定位系统的精确位置监测数据， 基于 三维 GIS 设计了煤矿井下人员精确位置地图管理系统。系统应用大地坐标系， 具有精确的三维 坐标， 可通过二维或三维的模式为人员与设备精确定位提供地理信息和图形交互界面。实际应 用表明 系统可以快速构建煤矿井下巷道三维空间并准确表现， 实时展示煤矿井下人员和设备 的位置信息， 具有空间测距、 多图层多区域展示、 区域报警、 人员报警、 人员活动轨迹回放等功 能， 能够更好的满足煤矿井下人员定位系统关于地图管理的需求。 关键词 三维 GIS； 人员定位系统； 地图管理平台； 三维空间； 井下巷道 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0144-03 Management System for Precise Location Map of Underground Personnel Based on 3D GIS HONG Yuling1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract Aiming at the problems that the spatial perance of underground tunnels in two-dimensional GIS simulation maps of coal mine underground positioning systems is not intuitive and the location of personnel is inaccurate, based on the monitoring data of underground coal mine personnel positioning systems, a map management system for the precise location of underground coal mine personnel is designed based on 3D GIS. The system has precise three -dimensional coordinates, and can provide geographic ination and graphical interactive interfaces for precise positioning of personnel and equipment through two - dimensional or three-dimensional modes. Practical application shows that the system can quickly construct the three-dimensional space of coal mine tunnels and accurately display the real-time location ination of coal mine personnel and equipment, with space ranging, multi-layer and multi-region display, regional alarm, personnel alarm, personnel activity trajectory playback and other functions can better meet the map management needs of the underground personnel positioning system. Key words 3D GIS; personnel positioning system; map management plat; three-dimensional space; underground roadway 煤矿井下人员定位系统是专业用于井下移动目 标 （人员、 车辆等） 的无线定位、 路径跟踪和考勤管 理的系统[1]。迄今为止， 煤矿井下人员定位系统已经 发展到了第四代，即基于 UWB 技术的精确定位系 统， 定位精度可达 30 cm[2-4]， 达到了精确定位的水 平， 被誉为井下 “北斗” 系统。2019 年 11 月 20 号， AQ 62102020煤矿井下人员定位系统通用技术 条件 （征求意见稿） 并向各相关企业单位及专家征 求意见，提出了煤矿井下人员精确定位系统最大静 态定位误差不大于 30 cm 的要求[5]。该技术条件将 替代 AQ 62102007煤矿井下作业人员管理系统 通用技术条件 ， 由 “人员管理系统” 变更为 “人员定 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.031 洪玉玲. 基于三维 GIS 的煤矿井下人员精确位置地图管理系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 144-146. HONG Yuling. Management System for Precise Location Map of Underground Personnel Based on 3D GIS ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 144-146.移动扫码阅读 144 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 位系统” 也体现了对井下人员 “定位” 的更高要求。 山东省煤矿安全监察局印发了山东煤矿人员精确 定位系统技术要求 （试行） 的通知， 规定了 “煤矿人 员精确定位系统应具备或通过融合系统具备三维展 示功能， 地面中心站实时展示井下各水平、 各采区、 各工作面人员、设备的位置信息，采用具有精确三 维坐标的 GIS 平台， 展示上述精确位置信息” [6]。由 此可见，具有精确三维坐标的地图管理平台是煤矿 人员精确定位系统重要的建设内容。目前，大多数 的煤矿井下人员定位系统仍然采用基于二维 GIS 的 模拟图，存在井下巷道空间表现不直观，人员位置 不精确等问题，三维 GIS 地图能够很好的解决这些 问题。针对上述需求， 依托 KJ405T 煤矿井下人员定 位系统采集的井下人员相对基准点的方向及距离的 监测数据，基于三维 GIS 平台开发了一个煤矿井下 人员精确位置地图管理平台[7-10]， 介绍了三维 GIS 平 台的选择依据，提出了平台的架构设计及功能模块 设计， 并给出系统的应用实例。 1三维 GIS 平台架构 LongRuan GIS 是龙软科技集 20 年地下空间信 息管理服务和研发经验，推出的一套具有完全自主 知识产权的 GIS 平台产品，可以无缝支持二三维一 体化的空间数据集成和管理， 可以兼容 AutoCAD 各 版本文件、 ArcGIS、 MapGIS 等主流数据格式。 相较其 它三维 GIS 平台， LongRuan GIS 更加专注于煤炭行 业的需求，具备完善的符合煤炭行业规范的便准岩 性编码和专业符号库，提供了煤矿井下巷道三维自 动化建模技术，只需要在煤矿采掘工程平面图的基 础上， 绘制出巷道的中心线， 并提供关键 GIS 导向点 的高度坐标即可生成井下巷道的三维空间地图， 并 自动完成巷道贴图。二次开发用户，只需在此基础 上开发具体的业务应用即可，无需关注专业的底层 GIS 技术。另外， LongRuan GIS 地图服务器可以对 LongRuan GIS 客户端编辑的地图进行自动更新与 发布，无需手动操作，可以大大减少用户的维护工 作量， 因此， 选择 LongRuan GIS 平台。 系统基于 LongRuan GIS 平台设计， 采用 B/S 二 三维一体化架构，技术架构采用前后端分离技术。 前端技术采用 Vue JavaScript 框架，后端服务采用. net core 3.0， 传输数据格式采用 Json 格式， 消息队 列采用 MQTT 协议， 数据库使用 SQL Server。平台在 总体设计上引入最新的中台策略，平台总体架构如 图 1。 1） 计算后台。 系统通过 KJ405T 煤矿井下人员定 位系统后台数据库获取设备的三维坐标，通过巷道 地图文件获取巷道中间线的空间数据。 2） 数据中台。通过数据技术， 对数据提供统一 标准和口径。数据中台把数据统一后， 会形成标准数 据， 再进行存储， 形成数据资产层， 进而提供高效服 务。数据中台是基于跨域数据的分析， 洞察， 训练产 生的数据服务， 给前台系统提供实时决策数据。主要 有精准数据服务、 空间数据搜索引擎、 数据中间件。 3） 业务中台。主要实现业务流程的管控， 将地 图服务、位置服务和坐标转换服务共性的服务抽象 出来， 创建可复用的流程类， 形成通用的服务能力， 让前台系统更标准， 更规范， 迭代速度更快。业务中 台让前台系统更敏捷，数据中台让前台业务系统更 智慧。 4） 业务前台。主要分为两部分应用， 业务应用 （地图漫游、 精确定位、 区域展示、 基站展示、 区域集 合查询、 轨迹回放、 声光报警和地图工具） 和个性应 用 （个性推荐、 个性定制） 。 2系统功能模块 根据 煤矿井下人员定位系统通用技术条件 （征求意见稿） 及 山东煤矿人员精确定位系统技术 要求 （试行） 等相关标准关于人员定位系统地图管 理平台的要求， 结合 KJ405T 煤矿井下人员定位系统 的精确定位功能， 设计了地图平台的主要功能模块， 包括位置服务引擎、 地图编辑客户端、 地图服务、 地 图监测 4 个功能模块。 1） 位置服务引擎。位置服务引擎的主要功能是 图 1平台总体架构 Fig.1Plat overall architecture 145 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 将 KJ405T 煤矿井下人员定位系统采集的井下人员 相对方向及距离数据转换为三维坐标。 KJ405T 煤矿 井下人员定位系统的精确定位采用 UWB 定位技 术，系统获得的人员位置为人相对定位天线的方向 及距离， 且方向仅有前后两个方向， 无角度信息， 由 于人所在的井下巷道为狭窄的近似线型的结构， 因 此系统默认人沿着巷道的中线运动。 KJ405T 煤矿井 下人员定位系统采集到相对距离数据后，将数据通 过 UDP 数据包实时发送给位置服务引擎， 位置服务 引擎通过读取 LongRuan GIS 井下采掘工程地图文 件的巷道中心线三维坐标数据和定位天线的三维坐 标将相对位置数据通过三维空间坐标系下的位置计 算算法计算出井下人员的三维坐标，并将坐标信息 通过 MQTT 消息队列实时发送给地图服务用于地图 管理平台人员位置实时监测， 同时存储到 KJ405T 煤 矿井下人员定位系统后台数据库的实时表及精确位 置历史数据表， 用于 KJ405T 煤矿井下人员定位系统 的人员精确位置数据实时展示及归档。 2） 地图编辑客户端。地图编辑客户端是一个类 似 AutoCAD 的地图绘制工具， 主要功能是基于井下 巷道三维坐标数据，对井下巷道进行编辑，生成巷 道地图， 亦可以直接读取煤矿已有的 AutoCAD 格式 的采掘工程平面图。为了实现巷道的三维自动化建 模，地图绘制人员需要应用该工具手动绘制巷道的 中间线。 3） 地图服务。地图服务的主要功能是将地图编 辑客户端编辑后, 具有巷道中心线三维空间坐标与 定位系统井下基站、天线、交换机等设备的三维坐 标信息的矿图发布，向前端浏览器提供地图在线浏 览功能。地图及设备坐标修改后，前端浏览器通过 地图服务能够进行自动更新。 4） 地图监测。地图监测的主要功能是基于井下 巷道空间地图对系统井下基站、交换机、天线等设 备的设备名称、 相对位置、 精确位置信息进行展示， 并实时展示设备的运行状态、井下人员的精确位置 及姓名、 下井人员总数及人员、 重点区域人员总数及 人员、 超时报警人员总数及人员， 超员报警人员总数 及人员、限制区域报警人员总数及人员、超层越界 人员总数及人员，临近老孔去人员总数及人员， 临 近煤与瓦斯突出危险区人员总数及人员、临近冲击 地压危险区人员总数及人员特种作业人员工作异常 报警总数及人员等，并提供人员历史轨迹回放功 能。 地图监测采用 B/S 二三维一体化架构， 默认以二 维模式运行，用户可任意切换二维或三维运行模 式， 也可根据用户的需要选择发布二维或三维版本。 3结语 设计了一个基于三维 GIS 的煤矿井下人员精确 位置地图管理系统，重点研究了平台的总体架构及 功能模块。实际应用表明系统可以二维或三维模 式运行， 可以实时获取 KJ405T 煤矿井下人员定位系 统精确定位的监测数据，实现了在二维或三维地图 模式下展示井下空间、 设备及人员位置、 人员行走轨 迹、 区域及人员报警信息等， 达到了对井下人员精确 位置信息实时、 精确、 直观展示的目标， 系统地图更 新方便， 减少了用户的维护工作量。但是， 由于目前 煤矿井下人员定位系统采集的精确定位数据的方向 只有前后两个方向， 没有方位角， 因此井下人员的行 走轨迹只能默认位于巷道的中间线，这与实际情况 有一定差异。 参考文献 ［1］ 邓世群.浅谈煤矿井下人员定位系统的研究 ［J］ .山东 煤炭科技， 2016 （9） 173-174. ［2］ 孙哲星， 孙继平.异步测时矿井人员精确定位方法 ［J］ . 煤炭学报， 2018， 43 （5） 1464-1470. ［3］ 孙哲星.煤矿井下人员精确定位方法 ［J］ .煤炭科学技 术， 2018， 46 （3） 130-134. ［4］ 夏萍萍.基于UWB 的煤矿井下人员定位系统研究 ［D］ . 西安 西安科技大学， 2019. ［5］ AQ 62102020 煤矿井下人员定位系统通用技术条 件 （征求意见稿） ［S］ . ［6］ 鲁煤监技装 【2019】 55 号山东煤矿人员精确定位系 统技术要求 （试行） ［A］ . ［7］ 刘永立， 杨虎.煤矿火灾应急救援演练虚拟现实系统 研究 ［J］ .矿业安全与环保， 2013， 40 （6） 22-25. ［8］ 陈金川， 毛善君， 李小娟， 等.虚拟煤矿三维引擎架构 设计及实现 ［J］ .煤炭科学技术， 2012， 40 （7） 76-80. ［9］ 赵国宁.基于 GIS 煤矿井下电子地图系统的研究 ［D］ . 西安 西安科技大学， 2009. ［10］ 周胜梅， 黄廷磊.基于 GIS 的井下人员定位系统的设 计 ［J］ .桂林电子科技大学学报， 2013 （4） 296-299. 作者简介 洪玉玲 （1980） ， 女， 辽宁抚顺人， 副研究 员， 硕士， 2014 年毕业于煤炭科学研究总院， 主要从事煤矿 安全监控系统、矿用设备及煤矿事故软件开发和模拟仿真 研究工作。 （收稿日期 2020-04-24； 责任编辑 李力欣） 146 ChaoXing