史文龍 顏志恒 李軍 王波 陸長亮

摘 要：根據(jù)地下洞室施工特性及地質(zhì)條件，本研究對地下洞室人員定位裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。其間詳細(xì)介紹了洞口檢卡系統(tǒng)的安裝、調(diào)試注意事項(xiàng)，指出了洞室內(nèi)分站、讀卡器的安裝位置要求，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行和監(jiān)測人員位置信息準(zhǔn)確;結(jié)合人員定位同步顯示系統(tǒng)，將地下洞室內(nèi)部情況和進(jìn)出洞室通過顯示屏方式反映出來;對定位管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化規(guī)劃，避免人員操作不當(dāng)而導(dǎo)致信息不能及時傳送，保證人員定位系統(tǒng)運(yùn)行安全，有效提高工作效率。

關(guān)鍵詞：地下洞室;人員定位;同步顯示;安全施工

中圖分類號：TV736文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0063-03

Research on Personnel Positioning Device for Underground

Cavern of Pumped Storage Power Station

SHI Wenlong1 YAN Zhiheng1 LI Jun1 WANG Bo2 LU Changliang2

（1. Sinohydro Bureau Co.， Ltd.，Chengdu Sichuan 610213;2. North China Institute of Science & Technology，Langfang Hebei 065201）

Abstract： According to the construction characteristics and geological conditions of underground caverns， this study redesigned the personnel positioning device of underground caverns. In the meantime， the installation and debugging precautions of the hole inspection card system were introduced in detail， and the requirements for the installation location of the substation and the card reader in the cave were pointed out to ensure the reliable operation of the system and the accurate location information of the monitoring personnel; combined with the personnel positioning synchronization display system， the underground cave room and the entrance and exit of the cave room were reflected through the display screen; the positioning management system was systematically modularized to avoid improper operation of personnel and the information cannot be transmitted in time， so as to ensure the safe operation of the personnel positioning system， and effectively improve work efficiency.

Keywords： underground cavern;personnel positioning;synchronous display;safe construction

抽水蓄能電站地下洞室復(fù)雜，建立完善的地下洞室施工人員定位系統(tǒng)，有助于保障施工開挖過程中的工作人員安全。諸多學(xué)者對人員定位系統(tǒng)開展了大量研究，趙軍等[1]對礦井開采過程進(jìn)行分析，以Zigbee為基礎(chǔ)，提出了一種精確度較高的人員定位系統(tǒng);董捷[2]結(jié)合水電站建設(shè)與運(yùn)行特點(diǎn)，以人員定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出水電站施工人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能要求;李旺旺[3]基于WiFi技術(shù)提出一種應(yīng)用于煤礦的人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合以太網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采用最近鄰法進(jìn)行位置計(jì)算，并借助Android平臺開發(fā)客戶端應(yīng)用程序，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

諸多學(xué)者對煤礦人員定位系統(tǒng)開展了較為深入的研究，得出有意義的成果，但抽水蓄能電站地下洞室人員定位系統(tǒng)的相關(guān)研究較少。抽水蓄能電站地下洞室復(fù)雜，單元體結(jié)構(gòu)眾多，在施工開挖過程中，工作人員安全尤為重要。因此，分析地下洞室結(jié)構(gòu)特征，研究抽水蓄能電站地下洞室人員定位系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站地下洞室結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主體結(jié)構(gòu)由上、下水庫及各單元體結(jié)構(gòu)等組成。地下廠房系統(tǒng)位于灤河左岸，地形上總體表現(xiàn)為“兩梁夾一溝”，其東側(cè)與走向?yàn)镹E30°的山梁近垂直相交?！耙粶稀奔礊楸拮訙?，沖溝總體方位為SE117°，溝底寬度為10～35 m，溝底高程為1 050～1 300 m;沖溝兩岸坡度為40°～45°，發(fā)育有5條窄淺支溝，與主溝多呈60°左右斜交。鞭子溝左側(cè)山梁，即臨灤河山梁總體走向?yàn)镾E115°，梁頂高程為1 165～1 420 m，鄰河岸坡坡度為38°～45°，發(fā)育有3條與河谷近垂直的支溝。鞭子溝右側(cè)山梁總體走向?yàn)镾E115°，梁頂高程為1 402～1 535 m。地下廠房處于鞭子溝溝腦部位，軸線為近SN向，與鞭子溝呈近60°角度斜交，上層覆蓋巖體平均厚度介于250～330 m。

豐寧地下洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各單元體施工周期較長且相互影響，洞室中車輛及機(jī)械設(shè)備施工產(chǎn)生振動多，對施工人員構(gòu)成安全隱患。如果地下洞室發(fā)生事故，那么受錯綜復(fù)雜的洞室環(huán)境影響，施工人員很難及時逃離，致使洞室內(nèi)人員安全得不到保障。因此，建立完善的人員定位系統(tǒng)極為重要。

2 地下洞室人員定位系統(tǒng)

本研究設(shè)計(jì)的定位裝置如圖1所示，主要包括主支撐、圍欄板和彈簧。其中，主支撐右側(cè)安裝有伺服電機(jī)。

地下洞室定位裝置安裝有錐形齒輪和鉆頭。啟動伺服電機(jī)驅(qū)動連接桿旋轉(zhuǎn)，帶動錐形齒輪旋轉(zhuǎn)，然后帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭鉆入，使得固定板固定在地面上，此結(jié)構(gòu)使得所有并排的鉆頭同時向地底下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)且固定在地面上，增加了整體的穩(wěn)固性，避免了主支撐在長期使用中出現(xiàn)松動現(xiàn)象。

3 人員定位系統(tǒng)工作原理及功能

3.1 地下洞室卡器安裝位置要求

目前，工程定位裝置只能對特定區(qū)域進(jìn)行定位，地下洞室安裝的定位裝置也無法跟蹤與識別人員方向。如果地下洞室設(shè)置大量基站，就可以提高安全效果，但成本巨大;如果設(shè)置較少，就無法確保人員安全。如何解決這一問題值得深入研究，人們要設(shè)置合理數(shù)量的基站，滿足地下洞室人員安全要求。需要合理了解地下洞室的地質(zhì)特征與分布結(jié)構(gòu)。

在地下洞室中，讀卡器應(yīng)滿足以下原則：能夠精準(zhǔn)讀取某個區(qū)域人員信息;能夠準(zhǔn)確識別各單元體人員運(yùn)行軌跡;將識別盲區(qū)盡可能降到最低。

地下洞室出入處安裝2個讀卡基站來對人員軌跡進(jìn)行跟蹤，讀卡基站D1安裝在洞口處，讀卡器D2應(yīng)設(shè)置在洞室內(nèi)，D1、D2兩者之間的距離大于2L，D1距離洞口處距離大于L（L為讀卡基站識別半徑），如圖2所示。與直岔洞口相比，分岔洞口更加復(fù)雜。當(dāng)分岔洞口長度大于1 000 m時，讀卡基站必須增加數(shù)量;當(dāng)洞室內(nèi)出現(xiàn)岔口時，在洞室內(nèi)分叉口（F為設(shè)置距離）處設(shè)置讀卡基站。

3.2 人員定位同步顯示系統(tǒng)

將LED大屏幕設(shè)置在洞室進(jìn)、出口旁邊，靠近門房或值班室為佳。屏幕上的內(nèi)容有標(biāo)簽號、姓名、施工進(jìn)出時間和總?cè)藬?shù)等，監(jiān)管人員不用到洞室下面，也不必查看監(jiān)控室計(jì)算機(jī)，就能及時了解洞室內(nèi)施工人員情況。

數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備選用的是礦井專用設(shè)備，管理主機(jī)內(nèi)主板選用的是特定工控機(jī)主板，設(shè)備機(jī)箱具有較高的散熱功能，為了確保主機(jī)的流暢度，本設(shè)計(jì)選用Intel四核處理器，運(yùn)行內(nèi)存為16 G。選用容量較大的硬盤，確保數(shù)據(jù)有效存儲。地下洞室各設(shè)備均采用防腐蝕外殼，符合國家對地下洞室設(shè)備的使用要求[4]，將采集的地下洞室信息通過各讀卡基站發(fā)送過來，然后利用通信接口進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，將地下洞室傳輸?shù)男畔⑼斗诺絃ED顯示設(shè)備上。

系統(tǒng)建立后，其能夠有效記錄工作人員進(jìn)出洞室的時間以及在洞室中的運(yùn)行軌跡，具有科學(xué)有效的分析能力。如果系統(tǒng)突然出現(xiàn)問題，洞室工作人員又未按時進(jìn)出時，主機(jī)會自動彈出報警提示窗口，提醒工作人員排除故障，進(jìn)行洞室內(nèi)人員核實(shí)，然后實(shí)施相關(guān)救援，主機(jī)界面及功能要求如下。

（1）管理界面模塊。操作管理人員必須設(shè)置驗(yàn)證賬號與密碼才能進(jìn)入該管理系統(tǒng)界面，設(shè)置管理權(quán)限能夠有效地保存數(shù)據(jù)信息。

（2）顯示區(qū)。該管理系統(tǒng)的核心部分為顯示區(qū)，其承載著人員定位系統(tǒng)所有的監(jiān)測內(nèi)容。顯示區(qū)可以顯示地下洞室工作人員所處的地點(diǎn)，而且能夠詳細(xì)顯示出某個特定時間工作人員停留的位置，還可以循環(huán)播放工作人員的運(yùn)行軌跡。

（3）數(shù)據(jù)儲存、查詢及統(tǒng)計(jì)模塊。該模塊能夠使管理人員準(zhǔn)確了解員工當(dāng)前位置、地下洞室人數(shù)及進(jìn)出洞室時間，在指定時間對地下洞室工作人員所處位置進(jìn)行查詢;有效地對洞室內(nèi)工作人員人數(shù)和工作時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（4）其他模塊。除上述模塊外，該系統(tǒng)還具有動態(tài)識別卡管理模塊、人員活動規(guī)律管理模塊、報警管理模塊及系統(tǒng)維護(hù)模塊。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

地下洞室是一個較大的封閉空間，由于工作人員位置、巖體變形量等信息不斷變化，管理者無法準(zhǔn)確掌握工作人員的運(yùn)行軌跡、圍巖變形量、施工進(jìn)度等信息，因此安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成地下洞室新建監(jiān)控點(diǎn)的視頻無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。通常將新建監(jiān)控點(diǎn)的視頻通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至就近中繼點(diǎn)，然后將所有視頻傳輸至數(shù)據(jù)中心，再通過有線方式傳輸至監(jiān)控中心。

豐寧抽水蓄能電站地下洞室方案依據(jù)《中華人民共和國無線電管理?xiàng)l例》等進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，模擬分為兩種模式，分別為直行模擬和彎行模擬。在監(jiān)控位置布置無線傳輸設(shè)備時，無線基站的位置較高，目的是避免洞室中各種遮擋物遮住基站的信號源，準(zhǔn)確監(jiān)測地下洞室內(nèi)人員、施工過程等變化情況，以保證信息傳輸質(zhì)量和效率。

4 結(jié)論

通過分析地下洞室地質(zhì)特征與各單元體結(jié)構(gòu)，本研究對地下洞室定位裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以免開挖、機(jī)械等產(chǎn)生振動而引起地下洞室定位裝置結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。定位裝置同步顯示系統(tǒng)將地下洞室人員具體位置和何時進(jìn)入洞室工作等信息清楚地展現(xiàn)在屏幕上，同時合理規(guī)劃人員定位系統(tǒng)功能，為第一時間了解洞室內(nèi)人員信息提供有利保障，以便實(shí)施最為有效的救援工作，使人員傷亡率降至最低。人員定位系統(tǒng)擁有自我維護(hù)功能，能夠進(jìn)行自我檢測和預(yù)警，充分保障自身的正常運(yùn)行，大大降低了設(shè)備維修費(fèi)用。同時，該系統(tǒng)的引入基本實(shí)現(xiàn)了人員定位的信息化和數(shù)字化。

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