露天矿山爆破施工现场人员监管系统研究

白 爽，杨 巍，陈伟华，白 宇＊

（成远矿业开发股份有限公司，辽宁 辽阳 111299）

提高爆破工作人员安全管理能力，保障爆破生产工作安全进行，是矿山工程建设中的首要问题。过去，在进行爆破活动之前，矿山安全管理人员无法实时获取爆破工作人员身份和位置信息，“喊话式”的人员撤离通知办法效率低且信息传达范围小，使得人员安全的管理工作存在盲目性，易引发重大事故。随着我国矿山建设规模的不断发展，传统的人员安全管理方法已无法满足需求，矿山爆破工作亟需一种高精度、高效率、大范围的人员安全管理技术。

近年来，无人机测量定位技术日益成熟，基于无人机的测绘、遥感、摄影测量等技术被广泛应用于矿山建设工作中。王昆[1]等介绍了无人机遥感技术在矿业领域的应用现状和发展前景，指出与传统数据收集方法相比，利用无人机遥感技术结合GPS定位技术进行矿山作业的相关信息采集过程，具有明显的效率和精度优势。任艳丽[2]等提出使用测绘无人机，可在各类灾害救援中提供多源数据和辅助决策。这也为矿山爆破的设计和管理工作提供了方法。

为解决爆破人员安全管理工作存在的效率低、效果差等问题，建立了爆区工作人员定位管理系统。该系统以LoRa通讯技术和4G通讯网关作为通讯平台，结合无人机人员定位技术，对爆区工作人员身份信息、行动轨迹等数据的实时动态获取和共享。该系统的开发与实现，消除了传统管理方法存在的漏洞和隐患，极大地降低了爆破生产风险，为矿山工程建设的顺利开展提供了重要参考。

1 人员活动范围监测技术

1.1 系统总体结构设计

人员位置实时动态识别系统是机载人员识别技术、GPS定位技术以及多功能信息显示的人机交互系统。采用无人机搭载人员定位模块，对爆破工作区域进行持续监测，机载定位模块感应并识别作业人员佩戴的定位标签，获取人员位置信息，并通过4G传输模块将监测传输至远程监管部门，信息显示端将人员实时位置和运动轨迹等信息在爆破作业区域的特定地图上显示。

1.2 人员定位技术原理

在无人机持续巡航并获取作业人员位置等相关信息的被动式测量技术上，加上定位模块，感应并识别爆区作业人员定位标签，位置信息地获取由GPS定位系统接收卫星信号，并进行实时差分计算，快速获取位置信息。其包含五个重要模块，原始数据读取模块、基站单点伪距定位模块、数据预处理模块、RTK定位解算模块、结果输出模块[1]。

整个系统最重要的模块为RTK定位解算模块，通过已知整周模糊度的整数特性并建立双差观测方程，再由高斯最小二乘法得到基线向量和整周模糊度向量的浮点解，然后进行整周模糊度搜索[1]，可以得到基线向量的固定解。双差模型通过卫星间做差，消除了地面接收站间的时钟差，对比单差方程，双差方程的未知数明显减少。

同时观测n个卫星时，观测方程个数为n-1，未知数为n-2个，无法进行求解，此时需要观测多个历元，m个历元可构成m（n-1）个观测方程，观测开始时，观测方程个数几乎与待定未知数个数不相上下。目前利用GPS载波相位定姿需要较长的初始化时间来确定整周模糊度。

2 试验数据处理及分析

2.1 数据采集

利用RTK（载波相位差分技术）获取路径的精确坐标数据，在相同地点分别利用人员卡与手机定位获取坐标，通过对比计算得出人员卡的定位精度。将RTK、人员卡、手机测得坐标数据绘制成路径图像，

如图1所示，可以看出，RTK测得的数据与人员卡坐标数据相对平缓，且误差相差较小。而手机定位坐标与两者相差较远，且位置变化曲线呈阶梯状，数值波动性较大。因此人员卡定位精度要优于手机精度，而略低于RTK定位精度。

图1 RTK、人员卡及手机坐标精度对比

2.2 定位精度分析

图2 晴天阴雨天对定位精度的影响

通过对阴天、晴天等不同天气8次采样，每次44个数据点，对同一地点的定位数据进行误差分析，可以看出，晴天时候定位误差标准差在最高在3.36以内，平均误差在左右。阴天时候误差标准差在4.35，平均误差2.7m。说明阴雨天气对定位精度有一定的影响。

图3 不同时段对定位精度的影响

通过对早上8：00、中午12：00、晚上18：00三个时间段8次采样，每次采样30个数据点，对同一地点的定位数据进行误差分析，可以看出从早到晚误差标准差在分别为2.9、2.8、2.9，平均误差均在2.3m左右，说明不同时间按段对于定位精度影响不大。

图4 不同建筑环境对定位精度影响

通过采集不同地址环境下的定位数据，选取了学校、城市、矿山3种场景进行多次采样，每次58个数据点，进行对比分析，可以看出，三个地点误差标准差依次为2.5、3.2、3.0，平均误差依次为2.24m、2.64m、2.46m，可以推断出，城市高楼大厦等设施对定位精度有一定影响，整体表现满足需求。

3 结论

通过定位模块、数据收集网关以及云数据服务平台、智能软件等分别构建出人员监管的硬件和软件系统搭配方案，通过对不同天气、不同时间、不同地质环境下的人员监管系统进行测试，计算出其定位精度在2.24m～2.7m，基本满足精确定位需求，利用人员活动范围监测技术与爆破警戒预警技术进行结合，形成的爆破施工现场无人机人员监管技术的智能化管理手段，达到先进且智能化的管理水平，实时掌握作业现场动态，可有效避免潜在危险的发生以及为事故后的应急救援工作提供信息化辅助手段，促进矿场的安全生产。