煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

覃中順，趙四海，胡云蘭，李 雷，蘇輝，楊波凱

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.冀中能源井陘礦業(yè)集團(tuán)大有機(jī)電有限公司，河北 衡水 053100)

降低煤礦井下事故發(fā)生后的死亡率，避免因?yàn)榫峦话l(fā)事故時(shí)，由于安全生產(chǎn)管理培訓(xùn)不到位等原因造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失有重要的研究意義[1]。國(guó)內(nèi)目前有語(yǔ)音交互的應(yīng)急救援系統(tǒng)，它利用語(yǔ)音合成、語(yǔ)音交互等來(lái)實(shí)現(xiàn)更加便捷的交流，縮短救援時(shí)間[2，3]。但是沒(méi)有比較成熟的井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)，井下人員自救援、自撤離能力沒(méi)有較大的提升[4，5]。所以引入一種煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)為井下人員在突發(fā)事故時(shí)指明最優(yōu)撤離路徑是必要的。

本文基于WIFI(Wireless-Fidelity)定位技術(shù)，采用語(yǔ)音合成的導(dǎo)航模式，通過(guò)WIFI信號(hào)實(shí)時(shí)語(yǔ)音導(dǎo)航，來(lái)確定逃生路線。使井下人員在突發(fā)災(zāi)害情況時(shí)，通過(guò)應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)管理平臺(tái)達(dá)到自救援、自撤離的目的，從而降低人員傷亡率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

煤礦井下應(yīng)急語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理為：煤礦井下人員通過(guò)隨身攜帶的移動(dòng)終端經(jīng)由井下巷道內(nèi)布置的無(wú)線AP節(jié)點(diǎn)(即接入節(jié)點(diǎn))組成的通信網(wǎng)絡(luò)與地面進(jìn)行通信[6]；在井下日常生產(chǎn)工作中，該系統(tǒng)通過(guò)各AP節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)的位置和該AP節(jié)點(diǎn)與井下移動(dòng)終端之間的RSSI(Received Signal Strength Indication)值來(lái)確定人員位置，以便于井下人員的調(diào)配和作為應(yīng)急語(yǔ)音導(dǎo)航的參考起點(diǎn)[7-9]；在井下突發(fā)故事時(shí)，由井下人員通過(guò)移動(dòng)終端按鍵上報(bào)事故等級(jí)和位置信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)并迅速做出響應(yīng)，由語(yǔ)音合成的方法將地面應(yīng)急預(yù)案和導(dǎo)航路徑信息反饋給井下工作人員，完成緊急疏散[10]。

煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)部分構(gòu)成，其具體構(gòu)架如圖1所示。第一部分是井下移動(dòng)終端，主要由核心控制處理器、WIFI通信模塊和語(yǔ)音合成模塊組成；主要實(shí)現(xiàn)井下人員定位、通信數(shù)據(jù)的采集和接收、輔助人員應(yīng)急逃生等功能。第二部分是WIFI通信網(wǎng)絡(luò)，主要由無(wú)線AP節(jié)點(diǎn)和井下通信交換機(jī)組成；主要實(shí)現(xiàn)與井下移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)傳輸、為地面監(jiān)控管理系統(tǒng)采集井下數(shù)據(jù)和與地面監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流和通信。第三部分是地面監(jiān)控管理系統(tǒng)，由PC機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、井上核心交換機(jī)等組成；主要實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)分析和計(jì)算、可視化顯示井下定位情況、管理人員信息、存儲(chǔ)及處理應(yīng)急管理預(yù)案以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 井下定位設(shè)計(jì)布局

井下定位設(shè)計(jì)基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)，采用指紋定位的方法進(jìn)行定位。該方法將AP節(jié)點(diǎn)采集的RSSI值作為特征值與空間中某一位置進(jìn)行匹配即可得到該特征值的匹配坐標(biāo)[11，12]。由于井下巷道多為悠長(zhǎng)狹窄的室內(nèi)布局，采取沿巷道軸向每隔2m設(shè)置一個(gè)目標(biāo)位置，AP節(jié)點(diǎn)沿巷道軸向每隔40m布置一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，選取移動(dòng)終端所連接的AP節(jié)點(diǎn)中信號(hào)最強(qiáng)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為離線訓(xùn)練樣本，建立巷道目標(biāo)位置數(shù)據(jù)庫(kù)。待多次完善數(shù)據(jù)庫(kù)后，在線定位時(shí)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)采集的RSSI值與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)就能得到其位置，完成在線實(shí)時(shí)定位[13-15]。

圖2 指紋定位布局原理

2 硬件設(shè)計(jì)選型及軟件流程設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1.1 移動(dòng)終端設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端由三個(gè)部分的構(gòu)成：控制處理器和其外圍電路、WIFI通信模塊和語(yǔ)音合成模塊。為了保證系統(tǒng)的快速處理能力和較大的內(nèi)存，綜合考慮，選用STM32F103ZET6作為移動(dòng)終端CPU，LQFP144控制板作為終端控制處理器的載體。WIFI通信模塊選用ATK-ESP8266作為數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臉蛄?。語(yǔ)音合成模塊采用科大訊飛的YS-XFSV2中英文語(yǔ)音合成模塊作為語(yǔ)音導(dǎo)航的載體。移動(dòng)終端采用5V/2A的電源作為輸入端，控制芯片與ESP8266、YS-XFSV2模塊采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口通信連接，通信波特率為9600，端口號(hào)為5000，采用RS232的通信方式逐字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，其可靠性、通信效率優(yōu)良。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)終端硬件結(jié)構(gòu)

2.1.2 無(wú)線通信模塊連接電路

經(jīng)過(guò)板載降壓芯片后，接入3.3V電壓為WIFI模塊供電，模塊可以通過(guò)板載單片機(jī)復(fù)位，UART通信接口各外接一個(gè)電阻穩(wěn)壓，如圖4所示。

圖4 WIFI模塊接口電路

2.1.3 語(yǔ)音合成模塊連接電路

YS-XFSV2語(yǔ)音模塊與主控芯片采用UART串口通信方式連接，其原理如圖5所示。語(yǔ)音模塊的XFS5152CE芯片電源輸入、接地與主控制芯片的電源VCC、接地GND相通，其數(shù)據(jù)發(fā)射端口P39、數(shù)據(jù)接收端口P41分別與主控芯片的第一組串口通信端口的數(shù)據(jù)接收端口P30、數(shù)據(jù)發(fā)射端口P31相連，中間分別通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻穩(wěn)壓。

圖5 XFS5152CE芯片接口電路

2.1.4 其他設(shè)備選型

井下AP節(jié)點(diǎn)型號(hào)選用MZ-FBWX，其無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍最大可達(dá)500m，可用于井下在有甲烷、煤塵爆炸性氣體混合物的場(chǎng)合。

井下通信交換機(jī)選用KJJ127礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，該交換機(jī)具有光纖組網(wǎng)，以太網(wǎng)光、電信號(hào)接入，RS458信號(hào)和CAN信號(hào)接入功能，符合井下無(wú)線AP節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)要求，其防爆性能、信號(hào)傳輸、抗摔、耐腐蝕、耐磨損性均符合井下使用要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

井上核心交換機(jī)采用華為S5720系列千兆級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)管理功能、安全管理功能、QoS(Quality of Service)等均符合井上數(shù)據(jù)管理要求。

地面服務(wù)器選用Think Server RD40，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、運(yùn)算處理速度均滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為移動(dòng)終端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和后臺(tái)監(jiān)控管理軟件設(shè)計(jì)。移動(dòng)終端子系統(tǒng)是其內(nèi)置的嵌入式程序，主要負(fù)責(zé)和AP基站通信，返回位置信息和接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)并合成播放。在對(duì)硬件模塊進(jìn)行初始化及初始參數(shù)配置之后，移動(dòng)終端在接收到AP基站發(fā)送的指令或者自身按鍵指令時(shí)，對(duì)其分析判斷，實(shí)現(xiàn)人員位置數(shù)據(jù)采集并發(fā)送以及解析AP基站返回的語(yǔ)音數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)合成后播報(bào)。移動(dòng)終端子系統(tǒng)的軟件工作流程如圖6所示。

圖6 移動(dòng)終端工作流程圖

地面監(jiān)控管理軟件分為信息管理、跟蹤定位管理、應(yīng)急救援管理和系統(tǒng)管理等四部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。信息管理實(shí)現(xiàn)井下工作人員的人事、考勤等日常管理；人員定位管理實(shí)現(xiàn)顯示井下巷道信息界面和人員位置及軌跡管理；應(yīng)急救援管理實(shí)現(xiàn)礦井預(yù)警和應(yīng)急報(bào)警管理，并利用蟻群算法及時(shí)規(guī)劃應(yīng)急導(dǎo)航路線；系統(tǒng)管理主要是設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)和對(duì)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)人員管理信息、井下地圖、應(yīng)急預(yù)案、AP基站數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和導(dǎo)航預(yù)備數(shù)據(jù)等。

圖7 地面監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)在冀中能源井陘礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦井下進(jìn)行試運(yùn)行測(cè)試。該系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用VS2019的.NET窗體應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理器，設(shè)計(jì)了一個(gè)窗體應(yīng)用程序，地面管理人員通過(guò)人員定位模塊、應(yīng)急救援管理模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和跟蹤定位管理模塊對(duì)井下人員信息、井下巷道信息和應(yīng)急管理預(yù)案進(jìn)行監(jiān)控和管理。

跟蹤定位管理模塊下拉出人員定位導(dǎo)航管理界面，根據(jù)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的井下巷道地圖信息和AP節(jié)點(diǎn)信息，可以實(shí)時(shí)尋找人員位置、查看井下AP節(jié)點(diǎn)連接情況、變更井下巷道地圖信息等。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可以實(shí)時(shí)報(bào)警并列出事發(fā)位置信息和附近人員位置信息。

應(yīng)急救援管理模塊負(fù)責(zé)調(diào)用應(yīng)急導(dǎo)航預(yù)案和應(yīng)急管理文件，并且發(fā)送給井下移動(dòng)終端，通過(guò)語(yǔ)音合成模塊的數(shù)據(jù)合成轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信息，實(shí)時(shí)為井下工作人員導(dǎo)航播報(bào)。

煤礦井下試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)井下定位功能基本實(shí)現(xiàn)良好，導(dǎo)航預(yù)案與語(yǔ)音合成導(dǎo)航狀況良好。根據(jù)上文定位設(shè)計(jì)的指紋定位方法和AP節(jié)點(diǎn)的布局情況，以及訓(xùn)練好的離線樣本進(jìn)行在線測(cè)試，選取了9組在線應(yīng)急導(dǎo)航測(cè)試結(jié)果。由井下定位精度誤差所致，井下導(dǎo)航也出現(xiàn)了少許誤差，其精度控制在3m以?xún)?nèi)。導(dǎo)航單條路徑的平均誤差如圖8所示，縱坐標(biāo)為單路徑平均誤差，橫坐標(biāo)為路徑編號(hào)。

圖8 導(dǎo)航單條路徑的平均誤差

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件流程設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在煤礦井下進(jìn)行了試運(yùn)行，其定位能與導(dǎo)航功能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)狀況良好，導(dǎo)航精度控制在3m以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足井下人員自撤離的需要。下一階段將要對(duì)其井下定位精度進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高井下導(dǎo)航的精度。