基于WIFI技術(shù)的煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)的研究

李 浩

（山西潞安集團潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 寧武 036706）

引言

煤礦井下開采的環(huán)境相對比較惡劣，若監(jiān)控不全面，存在較多的盲區(qū)。實現(xiàn)井下與井上信息的有效傳遞，并準確定位井下作業(yè)人員，是安全、可靠、高效煤礦生產(chǎn)活動的首要任務(wù)。近年來，煤礦開采行業(yè)逐步發(fā)展起來人員定位系統(tǒng)，并得到不斷發(fā)展[1-2]。文本在已有的定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對原系統(tǒng)進行了升級改造，以WIFI無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，成功搭建了人員定位系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在問題

1）軟件操作界面顯示單一，不能及時有效進行數(shù)據(jù)自動傳輸交互，特別是系統(tǒng)使用一段時間后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互延遲非常明顯。容易導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測的人員位置與實際人員位置存在較大差異[3-4]。

2）傳感器使用的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)信號滯后，在實際使用中存在響應(yīng)不及時的問題。

3）系統(tǒng)所采用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種比較便宜、落后的無線組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的傳輸依靠每個傳感器所構(gòu)建起來的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，其通信能力有限，而且系統(tǒng)計算與處理能力較差，導(dǎo)致系統(tǒng)整體精度低，時延長[5]。

4）傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等硬件設(shè)備在使用相當(dāng)一段時間之后，故障率高，對系統(tǒng)本身構(gòu)成了嚴重的安全隱患。因此，為了解決現(xiàn)有井下人員定位安全系統(tǒng)存在的不足，對其進行優(yōu)化改進設(shè)計迫在眉睫。

2 井下定位系統(tǒng)需求分析

井下環(huán)境復(fù)雜，地面通信設(shè)備信號無法傳輸?shù)较露?，且在相對密閉的環(huán)境中容易出現(xiàn)瓦斯?jié)舛绕摺h(huán)境溫度、空氣質(zhì)量等問題。在設(shè)計人員定位系統(tǒng)時，為了滿足定位精確、信息傳輸能力強、操作方便的要求，對系統(tǒng)的設(shè)計需要進行分析。

1）功能需求。井下人員定位系統(tǒng)具備如下幾個功能：對井下所有人員位置的定位、顯示；對位置信號的記錄；查詢指定區(qū)域內(nèi)，在一段時間內(nèi)所有定位對象的分布情況；發(fā)生安全事故，系統(tǒng)能進行報警，并準確提供人員位置信息。

2）系統(tǒng)性能需求。礦井人員定位應(yīng)用WIFI技術(shù)，并結(jié)合企業(yè)自身的實際需求，以及通信特點，要求系統(tǒng)應(yīng)具備如下的性能要求：高定位精度要求；低時間延遲；系統(tǒng)的容量大等，以備后續(xù)拓展。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于WIFI技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)主要包括WIFI通信技術(shù)與地面硬件設(shè)備，井下作業(yè)人員位置信息的獲取和信息傳輸均通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)。圖1所示為井下人員定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 WIFI網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

潞寧煤礦礦井南北長約4.8 km，該區(qū)域東西寬約5.3 km，其中包括南北方向6條主要進回風(fēng)巷道，3條東西走向的主要進回風(fēng)巷道。該煤礦設(shè)定位系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)由太網(wǎng)采用兩根12芯單模光纖組建。巷道內(nèi)采用POE交換機實現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，每條巷道布置一條可延伸光纖。副井中的通信網(wǎng)與各個橫穿東西的巷道內(nèi)通信網(wǎng)構(gòu)成環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由此可以保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，圖2所示為主干網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 井下主干網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

將WIFI網(wǎng)絡(luò)地址配置為C類IP，對網(wǎng)咯中終端IP地址進行分配，使用C類IP的優(yōu)勢在于避免以后在接入公網(wǎng)時地址沖突。利用WIFI虛擬局域網(wǎng)劃分技術(shù)，將交換機網(wǎng)絡(luò)根據(jù)使用功能的不同，劃分為三個區(qū)，分別對應(yīng)于定位、通信、監(jiān)控數(shù)據(jù)等模塊。

3.2 系統(tǒng)主要硬件的選取

根據(jù)潞寧煤礦自身特點，并結(jié)合人員定位系統(tǒng)功能需求所設(shè)定目標，進行系統(tǒng)硬件的設(shè)計。既滿足系統(tǒng)的設(shè)計目標，同時也要考慮到設(shè)備可靠性，經(jīng)濟性等，下面對該系統(tǒng)中主要硬件做簡要說明。

1）POE交換機。POE交換機是以太網(wǎng)通信的樞紐，根據(jù)煤礦的實際情況，與將來可能的擴展；選擇POE交換機應(yīng)具備包轉(zhuǎn)發(fā)率高，同時支持100 Mvps及以上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率；POE交換機型號可選用GSDXH DF-M2475G-30HS-W，其所有端口上都能夠提供40 W功率。

2）監(jiān)控中心服務(wù)器。服務(wù)器是整體系統(tǒng)的大腦，負責(zé)對各種信號數(shù)據(jù)進行處理，保障各定位傳感器數(shù)據(jù)傳送和處理各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求。服務(wù)器高性能主要體現(xiàn)在高效、快速的信號傳輸、信號處理；具有比較強的外部數(shù)據(jù)吞吐能力。根據(jù)以上原則，選擇聯(lián)想Think version E3-1220V6服務(wù)器，CPU頻率2.5 GHz；8 G的處理器；四個核心處理器，自帶Windows10專業(yè)版操作系統(tǒng)。

3）定位終端硬件選取。首先，定位終端必須具有WIFI通信模塊，可以實現(xiàn)在WIFI網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)的傳輸。因為，T301型定位終端具有雙向通信功能，且能夠滿足自動定位和請求定位兩種工況，提高求系統(tǒng)對于人員定位的識別率，圖3所示為T301定位終端。

4 人員定位系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

軟件操作系統(tǒng)是基于Ekahau環(huán)境下，對煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)進行了開發(fā)設(shè)計，依據(jù)潞寧煤礦自身特點，改進系統(tǒng)硬件配置，網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件設(shè)備以及服務(wù)器。參考煤礦需求和網(wǎng)絡(luò)部署，在已有的煤礦井下定位管理系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上進行改進，完善對潞寧煤礦井下安全定位系統(tǒng)設(shè)計。

操作界面上進行了集約化設(shè)計，創(chuàng)建將新增設(shè)的工具欄，圖4所示為井下人員定位系統(tǒng)主界面，設(shè)置用戶登錄窗口，下側(cè)有人員監(jiān)控、報警管理、人事管理、用戶管理、考勤情況、復(fù)雜系統(tǒng)、請假公示等信息。

圖3 T301型定位終端

圖4 WIFI技術(shù)煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)

煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計搭建成功，為煤礦礦井人員監(jiān)測提供了可靠有力的措施。針對煤礦礦井的特殊環(huán)境，提出基于WIFI通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。巷道內(nèi)采用POE交換機實現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，副井中的通信網(wǎng)與各個橫穿東西的巷道內(nèi)通信網(wǎng)構(gòu)成環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由此可以保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)后期的使用中也證實系統(tǒng)升級達到了預(yù)期設(shè)定目標，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進優(yōu)化，很好地滿足了煤礦井下人員定位的實際需求，具有較好的可靠性，為井下人員定位系統(tǒng)的后續(xù)深入研究提供了有力參考。

5 結(jié)論

1）綜合改進了系統(tǒng)通信傳輸硬件、位置定位傳感器、服務(wù)器等，同時對軟件層進行集約化處理，新增報警管理模塊，完成定位系統(tǒng)總體設(shè)計并達到設(shè)計指標。

2）井下人員定位系統(tǒng)基于WIFI通信技術(shù)，巷道內(nèi)采用POE交換機實現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)升級達到了預(yù)期設(shè)定目標，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的精度與可靠性。