煤礦精確人員定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

張 靚

(山西國控集團信息工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

當前煤礦、非煤礦、隧道施工環(huán)境艱苦惡劣，工種危險系數(shù)高，工作人員多、設(shè)備多、車輛多，企業(yè)管理相對困難，特別是煤礦井下作業(yè)人員活動范圍和流動性大，若事故發(fā)生后沒有精準定位識別手段,就不能及時了解井下人員情況及所在位置，必將造成救援時間的延誤和救援資源的浪費。近年來，國家對煤礦安全生產(chǎn)工作的要求越來越高，目前煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)已無法滿足國家隊煤礦現(xiàn)代化的要求。為了加強煤礦信息化建設(shè)，提高安全生產(chǎn)水平，迫切需要提高監(jiān)測水平，配備高效且精準的人員、車輛等安全管理系統(tǒng)。經(jīng)研究，目前UWB(Ultra Wide band)超寬帶技術(shù)的第三代無線識別系統(tǒng)，其定位精度達10～30cm。本文基于UWB超寬帶技術(shù)研究并設(shè)計煤礦人員精確定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可綜合應用于煤礦人員日?？记凇⒍ㄎ桓?、災后急救、車輛軌跡追蹤等。

1 設(shè)計原則

1.1 自動化程度高

系統(tǒng)能自動實現(xiàn)考勤作業(yè)人員的統(tǒng)計與管理，實現(xiàn)檢測井下作業(yè)人員經(jīng)過監(jiān)測點的時間、地點信息；人員超出工作時間或班末發(fā)現(xiàn)井下作業(yè)人員統(tǒng)計異常，系統(tǒng)會自動報警等。

1.2 通信系統(tǒng)先進

井下各巷道安裝的識別系統(tǒng)，能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員通過時的數(shù)據(jù)，實時傳送給服務(wù)器，全過程實現(xiàn)自動識別。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與信息查詢功能

系統(tǒng)提供軟件配備有專用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，能夠完成井下作業(yè)工人通過各巷道的信息采集及統(tǒng)計分析；完成井下作業(yè)人員的考勤統(tǒng)計與管理分析；并能顯示、打印各種統(tǒng)計報表資料等。能夠為煤礦各級管理人員的查詢與管理提供完整準確的服務(wù)。

1.4 重點、限制區(qū)域安全監(jiān)測

系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€井下作業(yè)人員出入井口，尤其是重點區(qū)域出入口、限制區(qū)域等進行全方位監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域統(tǒng)計和出入方向判斷；并能重點對防沖開采工區(qū)域進行限員管理，為防沖開采工區(qū)礦井提供科學高效的管理手段，避免防沖開采工區(qū)域內(nèi)的安全隱患。

1.5 雙機熱備

主機若出現(xiàn)故障，備機實時啟動切換，自動投入工作，能夠確保數(shù)據(jù)的安全。

1.6 可靠性高，易于擴容，安裝維護簡便。

2 設(shè)計方案

2.1 地面中心站設(shè)備配置

地面中心站負責整個系統(tǒng)的設(shè)備及井上井下作業(yè)人員檢測數(shù)據(jù)管理、讀卡分站屏幕顯示、畫面編輯、網(wǎng)絡(luò)通訊、實時數(shù)據(jù)傳輸、存儲統(tǒng)計、打印查詢等任務(wù)。系統(tǒng)軟件主要完成井上井下作業(yè)人員識別、信息編碼、采集、存儲、顯示、加工、查詢和報表打印等。

配置Web發(fā)布服務(wù)器，對內(nèi)網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)Web發(fā)布，可以查詢，打印各類報表,同時發(fā)布三維GIS地圖服務(wù)。在三維GIS(Geographic Information System)地圖上顯示人員、車輛、設(shè)備各類元素的狀態(tài)?？梢栽谌SGIS地圖上實時定位、實時追蹤人員和車輛，也可以對人員車輛等以三維方式進行歷史軌跡回放。在副井口部署LED井口顯示大屏，重點顯示井下總?cè)藬?shù)，副井口人員明細、井下帶班領(lǐng)導、井下各部門人數(shù)、重點區(qū)域、限制區(qū)域、防沖區(qū)域人數(shù)等信息。各服務(wù)器操作終端均通過網(wǎng)線連接到調(diào)度中心核心交換機上，其余設(shè)備通過接入交換機匯入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中。

2.2 系統(tǒng)連接方式

系統(tǒng)傳輸信號設(shè)計通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)。礦用本安型分站、信息傳輸接口、讀卡器等全部與井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)相連接。

2.2.1 硬件接入

系統(tǒng)中的礦用本安型分站可以就近接入環(huán)網(wǎng)交換機中，也可以通過分站級聯(lián)方式接入井下環(huán)網(wǎng)中，讀卡器可以就近接入環(huán)網(wǎng)交換機網(wǎng)絡(luò)接口，也可以通過通信電纜連接到礦用本安型分站中，本安型分站與本安型分站之間也可以通過分站自帶的無線橋接功能進行無線橋接(無線橋接距離不低于400m，帶寬不低于50Mbps)，以節(jié)省光纜、電纜等布線。本安型分站之間可以進行光纖級聯(lián)。

2.2.2 軟件接入

1000M以太網(wǎng)卡及數(shù)據(jù)交換接口由系統(tǒng)上位機提供；數(shù)據(jù)交換優(yōu)先采用數(shù)據(jù)庫共享方式；系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件全面提供共享數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)存取調(diào)用的接口程序清單及數(shù)據(jù)格式清單由各種自動化平臺提供。

2.3 井下設(shè)備配置

井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)進行設(shè)計，嚴格執(zhí)行《AQ1048-2007煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》的要求。礦用本安型分站設(shè)置分布原則如下：

1) 人員密集場所、人員正常工作行進路徑上設(shè)置礦用本安型分站。

2) 重要的工作場所設(shè)置礦用本安型分站。

3) 采煤工作面回風巷道和進風巷道都設(shè)置礦用本安型分站。監(jiān)測該工作面內(nèi)作業(yè)人員情況，同時具備限員管理功能，可以聲光提示現(xiàn)場報警、視頻聯(lián)動報警、地面軟件主動報警等方式進行人員進入限制，現(xiàn)場配置LED屏，顯示采煤工作面內(nèi)的人員詳細情況。

4) 掘進巷道設(shè)置礦用本安型分站。監(jiān)測各掘進巷道內(nèi)人員情況；同時具備限員管理功能，可以聲光提示現(xiàn)場報警、視頻聯(lián)動報警、地面軟件主動報警等方式進行人員進入限制，現(xiàn)場配置LED屏，顯示掘進工作面內(nèi)的人員詳細情況。

5) 各出入井口配置礦用本安型分站。監(jiān)測入出作業(yè)人員情況并進行下井作業(yè)人員考勤。

6) 特殊區(qū)域、重點區(qū)域入口如重點危險巷道、炸藥庫入口、變電所等區(qū)域，設(shè)置礦用本安型分站。檢測是否有人員進入；使用白名單制度，可以對進入人員進行識別，非白名單人員現(xiàn)場進行語音報警、識別卡聲光震動報警、地面上位機主動報警等方式進行管理。

7) 采取多煤層開采、多采區(qū)或者兩翼開采的礦井，要在每一個區(qū)域進出口設(shè)置礦用本安型讀卡分站。檢測每個區(qū)域的人員情況，以便管理。

8) 智能分站之間可采用電纜、光纜、無線橋接等多種連接方式，主傳輸線路接入環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，也可以由基站之間使用星型加樹型的混合拓撲結(jié)構(gòu)，方便在煤礦礦井下安裝部署。

9) 智能分站無線模塊采用開放的WIFI協(xié)議。使用標準WIFI協(xié)議的設(shè)備或移動終端都可接入到智能分站，實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)管理各個子系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸和無線通信功能。

10) 礦用本安型信息礦燈以本安礦燈為載體，采用模塊化設(shè)計集成UWB精準定位、信息顯示屏等模塊，具有精確定位、聲光、震動報警，文字信息，緊急呼叫，信息確認等功能。采用定位模塊可拆卸設(shè)計，可以把精確定位模塊進行單獨更換實現(xiàn)不換卡功能，節(jié)省用戶投資。

11)系統(tǒng)設(shè)備采用標準TCP/IP協(xié)議，具有遠程WEB管理功能，維護操作簡便，管理功能可獨立也可在系統(tǒng)整體管理界面實現(xiàn)。

3 功能及特點

3.1 可靠的信息識別

UWB定位技術(shù)利用超寬帶脈沖信號實現(xiàn)高精度的實時定位，采用TOF(Time of flight信號飛行時間)到達時間差的算法，同時結(jié)合其高帶寬、高波形分辨率，使其具有抗干擾性強、定位精度高等特點。達到實時靜態(tài)和動態(tài)精準定位，靜態(tài)狀態(tài)下小于30cm，動態(tài)狀態(tài)小于1m。

3.2 分站語音報警

地面上位機可以通過輸入文字下發(fā)到分站的方式進行語音提示管理。無論是詢?nèi)?、報警、下發(fā)指令等管理均可編輯文字信息下發(fā)到礦用本安型分站，分站屏幕提示文字信息內(nèi)容，同時分站揚聲器播放語音(系統(tǒng)自動將下發(fā)的文字信息轉(zhuǎn)化為語音內(nèi)容)，播放次數(shù)可根據(jù)實際情況進行設(shè)置(1-100次)。

3.3 遠距離無線覆蓋

識別卡與無線礦用本安型讀卡分站的雙向通訊距離(空間無障礙)不小于400m。

3.4 實時顯示井下人員動態(tài)

礦用本安型讀卡分站通過采集識別卡的信息，把井下作業(yè)人員、車輛和設(shè)備信息實時收集、傳輸?shù)奖O(jiān)控主機，并實時、動態(tài)地顯示出來。該定位系統(tǒng)還具有強大的統(tǒng)計、查詢功能，井下一旦發(fā)生災變，可以根據(jù)定位系統(tǒng)人員分布情況，及時有效提供最佳救援路線。定位系統(tǒng)也可提供多種類型的報表，為管理人員提供井上井下作業(yè)人員活動等情況的智能分析。

3.5 人員考勤管理

每個下井人員的下井時間和升井時間都被系統(tǒng)實時記錄，按照不同井下作業(yè)工人工種的時間規(guī)定，判斷是否全勤足班，進而判斷該次下井是否正常有效。同時，系統(tǒng)可形成井下作業(yè)工人考勤統(tǒng)計報表，并能供財務(wù)軟件直接調(diào)用，減輕了人事管理部門的勞動強度，極大地提高了工作效率。在精確人員定位系統(tǒng)內(nèi)，還可以實現(xiàn)多種班次并存考勤，實現(xiàn)靈活考勤。

3.6 特殊工種管理

系統(tǒng)可以對特殊工種進行巡檢到位管理，特殊工種人員按照既定的計劃及路線進行巡檢工作，如有偏離，分站會立即發(fā)出語音提示，并發(fā)送至標識卡進行警示。同時也可以對領(lǐng)導干部帶班管理進行計劃設(shè)置和跟蹤執(zhí)行。每月可根據(jù)實際情況輸出統(tǒng)計分析報表供管理決策部門查閱。

3.7 井下設(shè)備管理

系統(tǒng)可以對需要管理的設(shè)備綁定標識卡進行定位，從而實現(xiàn)實時顯示井下設(shè)備的位置、使用單位等信息，統(tǒng)計設(shè)備數(shù)量、使用情況，可以有效避免設(shè)備丟失，為管理設(shè)備提供技術(shù)保障，也可為供應部門擬定采購計劃提供第一手可靠信息。

3.8 智能融合分站

智能分站為模塊化設(shè)計，集成了遠距離UWB精確定位模塊、WIFI無線AP、橋接模塊。相當于在精確人員定位系統(tǒng)建設(shè)時同時建設(shè)了一套WIFI無線通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸，設(shè)備統(tǒng)一供電，一套系統(tǒng)建設(shè)完成兩套系統(tǒng)功能，減少資金投入，減少系統(tǒng)維護，減少電纜敷設(shè)。

3.9 唯一性

當有人需要下井時通過虹膜識別獲取人員信息并能根據(jù)此人攜帶的標示卡信息進行管理。當人卡相符時，自動打開閘機并語音提示進行放行，將入井記錄上傳至數(shù)據(jù)平臺。當人卡不符、未攜帶卡(或卡損壞、缺電)、一人攜帶多卡時，進行語音提示并將現(xiàn)場視頻及人員(卡)信息記錄并上傳系統(tǒng)平臺。

3.10 三維實時動態(tài)展示

基于三維GIS全面展現(xiàn)井下巷道全景，管理人員可以在軟件界面上觀察人員實時動態(tài)情況及回放人員運動軌跡。

3.11 易擴容、區(qū)域化

系統(tǒng)具有多種組網(wǎng)方式為實現(xiàn)擴容和區(qū)域化及集中化管理，提供了可靠的技術(shù)保障。

4 結(jié)論

煤礦精確人員定位系統(tǒng)設(shè)計采用UWB超寬帶技術(shù)，結(jié)合三維GIS、以太網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)庫、軟件、圖形處理等技術(shù)，實現(xiàn)對井下作業(yè)人員考勤、定位、重點及限制區(qū)域的安全監(jiān)測、安全警示報警、應急快速搜尋等功能。煤礦配備這一系統(tǒng)將提高煤礦信息化管理水平，對保障煤礦安全生產(chǎn)，實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)有著重要的現(xiàn)實意義。