基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

高麗聰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

隨著煤礦領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注煤礦安全問題。人員定位系統(tǒng)是保障煤礦井下工作人員安全的重要措施，由于煤礦作業(yè)環(huán)境的特殊性決定了對人員定位系統(tǒng)具有相對較高的要求[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，顯著提升了定位系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，以及定位精度[3-4]。當(dāng)前階段Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢在很多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，包括煤礦領(lǐng)域[5-6]。

1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 所示為煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。定位系統(tǒng)總體上可以劃分成為兩大部分，第一部分為井下數(shù)據(jù)信息采集，第二部分為井上數(shù)據(jù)信息處理。數(shù)據(jù)信息采集過程中需要用到Wifi技術(shù)，采集得到的數(shù)據(jù)信息通過Wifi無線傳輸技術(shù)和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄喜糠帧?/p>

1.1 井下人員跟蹤定位部分

這部分主要包括Wifi接入節(jié)點(diǎn)（AP）和Wifi移動節(jié)點(diǎn)、直流供電電源、交換機(jī)、光纖等。井下人員跟蹤定位部分的主要作用是對整個礦井區(qū)域內(nèi)部的所有工作人員位置信息進(jìn)行收集與傳輸。移動節(jié)點(diǎn)基于Wifi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息，接入節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息傳輸至交換機(jī)，最終傳輸至地面部分。系統(tǒng)中配備了直流供電電源，作用是在緊急情況下為人員定位系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。地面部分和井下部分之間通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴Ｏ到y(tǒng)中的Wifi移動節(jié)點(diǎn)包含多種類型，從圖1 中可以看出主要包括Wifi手機(jī)、Wifi PAD、Wifi標(biāo)簽等。

1.2 地面集中控制中心

圖1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

地面集中控制中心將井下采集得到的人員信息，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面集中控制中心，由服務(wù)器對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，判斷得到人員的位置坐標(biāo)，并且可以將分析所得結(jié)果顯示在顯示屏中，以供工作人員隨時查看。此外所有的數(shù)據(jù)信息會存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)調(diào)取使用。

2 煤礦井下Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃研究

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，如何布置Wifi無線網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃質(zhì)量好壞直接決定著人員定位系統(tǒng)定位效果和精度。但是煤礦井下空間較小、各個巷道之間相互交錯，整體環(huán)境比較復(fù)雜，這對無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提出了較高要求。設(shè)計的人員定位系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型主要以文字和語音數(shù)據(jù)為主，因此對傳輸速度和數(shù)據(jù)量的要求不是非常高。基于相關(guān)理論和實踐經(jīng)驗，并考慮煤礦井下實際情況，最終將相鄰兩個Wifi接入點(diǎn)的距離設(shè)置為300 m，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井全區(qū)域覆蓋。但是在一些特殊區(qū)域需要對Wifi接入點(diǎn)進(jìn)行特殊處理，以保障人員定位系統(tǒng)沒有盲區(qū)。如下頁圖2 所示為幾種常見位置的Wifi接入點(diǎn)布置情況。

3 人員定位系統(tǒng)主要硬件的選型

在對人員定位系統(tǒng)的主要硬件進(jìn)行選型時，不僅要考慮到當(dāng)前階段煤礦的實際使用需要，同時還要考慮到煤礦在未來一段時間的發(fā)展需要，下面對主要的硬件選型進(jìn)行介紹。

圖2 煤礦井下特殊位置的WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)布置示意圖

3.1 建立Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)時用到的硬件

用到的光纖為兩根12 芯單模光纖，通過該光纖實現(xiàn)井上部分和井下部分之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)中使用的硬件主要包含兩個方面，分別為交換機(jī)和Wifi 接入點(diǎn)。

1）交換機(jī)。從上頁圖1 中可以看出，交換機(jī)是實現(xiàn)井下與工業(yè)以太網(wǎng)連接的重要部分，Wifi 無線接入點(diǎn)采集得到的數(shù)據(jù)信息，需要傳輸至交換機(jī)中，然后通過光纖傳輸至地面集中監(jiān)控中心?？紤]到煤礦企業(yè)未來的發(fā)展，所以在選用交換機(jī)型號時，要求交換機(jī)的性能較高。具體而言，必須要有較高的轉(zhuǎn)發(fā)率、超過100 m/s 的傳輸速度等。系統(tǒng)中最終選用的交換機(jī)型號為CISCOWS-C3560G-24PS-S。該型號交換機(jī)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境濕度和溫度分別在10%～85%和-5～45 ℃范圍內(nèi)時，均能夠正常穩(wěn)定工作[5-6]。

2）WiFi 無線接入點(diǎn)。為了實現(xiàn)整個礦井區(qū)域WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，采用的是雙模Wifi 無線接入點(diǎn)，并且要求接入點(diǎn)符合802.11 b 標(biāo)準(zhǔn)。要求無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)具有良好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)盲區(qū)。系統(tǒng)使用的是Cisco Small Business Model WAP200型Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。此外，無線接入點(diǎn)中還使用了RangeBooster 技術(shù)，該項技術(shù)的使用能夠顯著提升接入點(diǎn)的覆蓋范圍以及每個接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)容量。接入點(diǎn)可以通過直流供電電源進(jìn)行供電，在外部供電線路出現(xiàn)故障問題，無法正常供電時，可以調(diào)用直流電源進(jìn)行供電，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。所選擇的硬件設(shè)備在濕度和溫度分別在10%～85%和0～45 ℃范圍內(nèi)都能夠安全穩(wěn)定工作，完全能夠滿足礦井實際使用需要。

3.2 Wifi 定位節(jié)點(diǎn)硬件選型

人員定位系統(tǒng)中Wifi定位節(jié)點(diǎn)佩戴在工作人員身上，所選擇的硬件設(shè)施必須要具備Wifi功能，可以實現(xiàn)與Wifi接入點(diǎn)之間的無線網(wǎng)絡(luò)通信?？梢宰鳛槎ㄎ还?jié)點(diǎn)的硬件設(shè)施類型比較多，常見的包括Wifi手機(jī)、Wifi PAD、Wifi筆記本、Wifi標(biāo)簽等，設(shè)計的人員定位系統(tǒng)中最終選用的Wifi定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)施主要包含兩種，分別為Wifi手機(jī)和Wifi標(biāo)簽。

1）Wifi 標(biāo)簽?？晒┻x用的Wifi標(biāo)簽類型有很多種，但考慮到煤礦企業(yè)未來的發(fā)展，系統(tǒng)最終選用的Wifi標(biāo)簽型號為EkahauT 301，該型號Wifi標(biāo)簽具有良好的兼容性和拓展性，可以滿足人員定位系統(tǒng)后續(xù)的升級改造。不僅需要符合Wifi通信協(xié)議，同時還需要符合Ekahau 串口協(xié)議。

2）Wifi 手機(jī)。同樣的，選用的Wifi手機(jī)也要符合Wifi通信協(xié)議和Ekahau 串口協(xié)議。當(dāng)前市場上很多手機(jī)都能夠滿足以上這些基本的要求，最終選用的是HTC 品牌手機(jī)，需要在手機(jī)內(nèi)安裝相關(guān)的軟件程序。

3.3 地面集中監(jiān)控中心服務(wù)器的選型

井下部分采集得到的人員位置信息需要傳輸?shù)降孛婕斜O(jiān)控中心，然后利用服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。因此服務(wù)器的質(zhì)量對數(shù)據(jù)分析效果和速度有非常重要的影響，這對服務(wù)器的性能提出了很高的要求，只有計算速度快才能滿足系統(tǒng)的實時性要求。選用的服務(wù)器為英特爾i5 處理器，工作頻率超過1.86 GHz，內(nèi)存為32 GB。另外，監(jiān)控中心還配備了LED 顯示屏，主要作用是對井下人員定位處理結(jié)果進(jìn)行實時顯示，以供工作人員查看。選用的是科泰公司設(shè)計加工的P8.0 型工業(yè)顯示器。為提升系統(tǒng)的可拓展性，還可以直接將筆記本電腦與系統(tǒng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析與查看。

4 人員定位系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計

對于煤礦井下人員定位系統(tǒng)而言，井下人員信息的采集與傳輸是最為關(guān)鍵和核心的內(nèi)容。Wifi接入節(jié)點(diǎn)可以對Wifi移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽，Wifi 移動節(jié)點(diǎn)也可以主動向外發(fā)射位置信息，并被接入節(jié)點(diǎn)接收，通過這樣的方式實現(xiàn)井下人員位置信息的采集。數(shù)據(jù)信息傳輸方面，Wifi 接入節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)的形式將信息傳輸至交換機(jī)，然后利用光纖網(wǎng)絡(luò)輸送至地面集中監(jiān)控中心進(jìn)行處理。下頁圖3 所示為人員定位系統(tǒng)的軟件工作流程圖。

Wifi移動節(jié)點(diǎn)在向外發(fā)送位置信息時需要一同發(fā)送對應(yīng)的人員編號，以便處理系統(tǒng)能夠識別位置信息對應(yīng)的工作人員。地面集中監(jiān)控中心在接收得到人員位置信息后，基于系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定的人員定位算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到具體的人員位置坐標(biāo)，從而達(dá)到煤礦井下工作人員定位的目的。

5 結(jié)論

1）將Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦井人員定位系統(tǒng)中，不僅能夠大大簡化整個系統(tǒng)，而且能夠提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。

圖3 人員定位系統(tǒng)的軟件工作流程圖

2）基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)可將人員定位精度可達(dá)到2 m，完全能夠滿足實際使用需要。