關(guān)于煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)的設(shè)計研究

肖 震

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100）

引言

煤礦井下人員定位系統(tǒng)在確保井下人員安全方面有著非常重要的作用，尤其是在開展應(yīng)急救援工作時，人員定位精度直接決定了救援的速度和效率[1-2]。人員定位系統(tǒng)要求覆蓋整個開采區(qū)域，對所有人員進(jìn)行精確定位，為了達(dá)到系統(tǒng)覆蓋的廣度要求，會用到大量的讀卡器[3]。某煤礦當(dāng)前階段使用的讀卡器通過RS485 總線和分站進(jìn)行連接，但整體數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)。為實現(xiàn)讀卡器與分站之間的連接，要在煤礦井下建設(shè)長距離的通信電纜，施工難度大、成本高。且當(dāng)井下人員遇到緊急情況時，需要通過手動方式啟動求救信號，地面接收到求救信號后才會開展相關(guān)的應(yīng)急救援工作。如果井下人員無法通過手動模式啟動求救信號，地面就無法及時獲知井下實際情況，很有可能會錯過黃金救援時間，最終引發(fā)井下人員傷亡情況[4]。鑒于當(dāng)前使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)存在的不足之處，本文充分利用UWB 超寬帶定位技術(shù)以及LoRa 無線通信技術(shù)對人員定位系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計研究，極大提升了系統(tǒng)的智能化水平，可有效避免人員傷亡事故的發(fā)生。

1 人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)工作原理可以概述如下：所有井下人員都配備有對應(yīng)的人員標(biāo)簽，該標(biāo)簽上設(shè)置有求救按鈕，通過人員標(biāo)簽可以向外部發(fā)出求救信號，由讀卡器讀取信號并根據(jù)信號來獲得人員具體位置、求救信息等具體信息。在獲得井下人員位置信息后，通過無線通信技術(shù)及時將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒终?，然后由分站將?shù)據(jù)信息進(jìn)一步傳輸至地面集中監(jiān)控中心，中心根據(jù)具體情況以及相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案立即組織應(yīng)急救援工作。圖1 所示為煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)工作原理框圖，該系統(tǒng)可以顯著提升井下人員定位的效果和速度。

圖1 煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 人員定位系統(tǒng)主要技術(shù)

2.1 UWB 超寬帶定位技術(shù)

當(dāng)前RSSI、Zig-Bee、CSS 等定位技術(shù)在煤礦行業(yè)中都有一定程度的應(yīng)用，但這些技術(shù)在實際應(yīng)用過程中存在一些問題，其中最顯著的問題是信息數(shù)據(jù)傳輸速度較慢且定位精度有待提升[5-6]。而UWB超寬帶定位技術(shù)正好能克服上述兩方面問題，即能達(dá)到及時性和精確性要求。本文通過UWB 超寬帶定位技術(shù)來完成煤礦井下人員的定位，通過該技術(shù)能快速準(zhǔn)確地計算得到讀卡器與人員標(biāo)簽之間的間距，確保了人員定位的精確性，緊急情況下系統(tǒng)可自動發(fā)送報警信號。

具體而言，本文采用的是TOA 測距方法，即利用定位技術(shù)測量讀卡器與人員標(biāo)簽之間的距離，整個定位過程需要測量2 次距離。第1 次距離測量過程：讀卡器主動向人員標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)信號，直到讀卡器自動應(yīng)答，計算這段時間差為T1，讀卡器發(fā)出自動應(yīng)答到人員標(biāo)簽接收數(shù)據(jù)信號，整體時間差為T2。第2 次距離測量過程：人員標(biāo)簽對輸送過來的包含T1的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動應(yīng)答，這段時間差為T3，人員標(biāo)簽向讀卡器發(fā)送包含T3的數(shù)據(jù)信息，整體時間差為T4。信號在媒介中傳輸時有一定的傳輸速度，煤礦井下環(huán)境相對較復(fù)雜，假設(shè)數(shù)據(jù)信號在煤礦井下傳輸?shù)乃俣葹関。那么就可以通過理論方法計算得到人員標(biāo)簽與讀卡器之間的距離d=v（T2-T1+T4-T3）/2。

2.2 LoRa 無線通信技術(shù)

傳統(tǒng)人員定位通信系統(tǒng)采用的是有線通信模式，這種模式不僅施工成本高且施工難度大，在實際應(yīng)用中存在一定的局限性。對于讀卡器采集到的數(shù)據(jù)信息，可以通過LoRa 無線通信技術(shù)實施頻譜擴(kuò)寬處理，可顯著提升無線通信距離，接受靈敏度也有一定程度的改善，同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸，該項技術(shù)通過SX1278 芯片來構(gòu)建無線通信模塊。需要指出的是，通過LoRa 無線通信技術(shù)可對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行長距離傳輸，但無線傳輸模式與有線傳輸模式相比較存在一定劣勢，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速度相對較低。所以在本文設(shè)計的通信系統(tǒng)中，設(shè)立一套數(shù)據(jù)流量控制算法，對傳輸數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮控制，有效規(guī)避了無線傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低的問題，確保了長距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃??？梢钥闯觯疚脑谧畲笙薅壬侠昧薒oRa 無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，并通過一定的手段有效規(guī)避了該項技術(shù)的劣勢。

2.3 緊急狀況處理方案

為確保煤礦井下人員的絕對安全，煤礦管理人員應(yīng)該對各種潛在的風(fēng)險問題制定對應(yīng)的緊急處理預(yù)案。當(dāng)井下人員遇到突發(fā)情況需要救援時，一方面可通過手動方式按下求救按鈕，人員標(biāo)簽會立刻向外發(fā)出求救信號，信號通過一系列傳輸會在第一時間到達(dá)管理人員處，進(jìn)而展開救援工作。如果井下人員遇到突發(fā)情況發(fā)生跌倒，無法通過手動方式按下人員標(biāo)簽中的求救按鈕時，人員標(biāo)簽會對人員狀態(tài)進(jìn)行自動檢測，如果發(fā)現(xiàn)人員出現(xiàn)跌倒，會立即向外發(fā)出跌倒信號，讀卡器接收到跌倒信號后將數(shù)據(jù)信號傳輸至地面集中監(jiān)控中心，并開始計時。如果超過了系統(tǒng)設(shè)置的時間閾值后人員仍然處于跌倒?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)會判定該人員處于危險狀態(tài)并向外發(fā)出警報，管理人員在接收到報警信號后立即開展救援工作。本系統(tǒng)中準(zhǔn)確判斷人員標(biāo)簽狀態(tài)非常重要，這是決定是否啟動緊急救援的關(guān)鍵所在。2 個相鄰采樣點間人員移動距離用d表示，系統(tǒng)設(shè)置的定位精度用Dmax表示。當(dāng)d

3 人員定位系統(tǒng)測試結(jié)果

在完成人員定位系統(tǒng)的搭建工作后，對系統(tǒng)的有效性和可靠性開展了一系列測試實驗。將10 個人員標(biāo)簽隨機(jī)分布在一個長度為200 m 的井下巷道內(nèi)，在巷道端部位置設(shè)置有讀卡器以讀取巷道內(nèi)部人員標(biāo)簽信號。

3.1 系統(tǒng)定位精度測試結(jié)果

為檢驗本文設(shè)計的智能人員定位系統(tǒng)工作精度，通過本系統(tǒng)每間隔1 s 對巷道內(nèi)的10 個人員標(biāo)簽進(jìn)行位置定位，與此同時標(biāo)記10 個人員標(biāo)簽的實際位置，將系統(tǒng)檢測到的位置與實際位置進(jìn)行比較，可得到系統(tǒng)的檢測誤差。每次檢測中統(tǒng)計10 個人員標(biāo)簽中誤差的最大值。圖2 所示為100 s 時間范圍內(nèi)系統(tǒng)的檢測誤差統(tǒng)計結(jié)果，從圖中可以看出，本系統(tǒng)的定位誤差沒有超過1 m，這樣的測量誤差完全能滿足工程實際應(yīng)用需要。

圖2 煤礦井下智能人員定位系統(tǒng)定位精度測量結(jié)果

3.2 系統(tǒng)無線通信距離測試結(jié)果

無線通信技術(shù)必須在一定的距離范圍內(nèi)才能正常穩(wěn)定工作，無線通訊距離越長，其在通訊過程中越容易出現(xiàn)誤碼情況。為測試本文設(shè)計系統(tǒng)的無線通信距離，將讀卡器和數(shù)據(jù)集中器的初始距離設(shè)置為600 m，測試數(shù)據(jù)傳輸過程中的信號強度和通信誤碼率，然后不斷擴(kuò)大兩個設(shè)備之間的距離，再次測試信號強度和通信誤碼率。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個設(shè)備之間的距離不超過1 500 m 時，通信誤碼率為0，可見當(dāng)通信距離不超過1.5 km 時本系統(tǒng)具有非常高的可靠性。當(dāng)兩者之間的距離不超過2 km 時，通信誤碼率未超過3%。主要是因為本系統(tǒng)采用SX1278 芯片，使得在進(jìn)行長距離無線數(shù)據(jù)傳輸時仍然具有很高的接受靈敏度?；跍y試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)即便是遠(yuǎn)距離傳輸也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

3.3 系統(tǒng)緊急狀況處理結(jié)果

對于手動觸發(fā)求救按鈕模式，經(jīng)過100 次測試發(fā)現(xiàn)每次都能夠準(zhǔn)確將求救信號傳輸至地面集中監(jiān)控中心。對于自動求救模式，將時間閾值設(shè)置為10 min，同樣經(jīng)過100 次測試，發(fā)現(xiàn)有96 次能夠準(zhǔn)確將求救信號傳輸至地面集中監(jiān)控中心?？梢姳疚脑O(shè)計的井下智能化人員定位系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中必須通過手動模式進(jìn)行求救的缺陷，在很大程度上提升了井下人員的安全性。

4 結(jié)論

煤礦井下人員定位系統(tǒng)精度對于保障人員安全有著非常重要的意義?？紤]到某煤礦井下人員定位系統(tǒng)存在的現(xiàn)實問題，基于先進(jìn)的UWB 超寬帶定位技術(shù)和LoRa 無線通信技術(shù)對人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造。改造后的定位系統(tǒng)定位精度較高，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸和煤礦井下人員的自動求救，確保了人員安全。