煤礦精確人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用

張文波

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺(tái) 054102

根據(jù)國(guó)家安監(jiān)總局[2010]146號(hào)，關(guān)于《建設(shè)完善井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知》的文件要求，建立完善煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員定位、緊急避險(xiǎn)、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”，提高煤礦安全保障能力。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

人員定位系統(tǒng)采用基于UWB TDOA高精度定位技術(shù)，定位精度小于0.3米，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的實(shí)時(shí)定位、考勤管理、限員管理和事故救援。定位系統(tǒng)主要由定位分站、定位模塊、人員標(biāo)識(shí)卡、信息化礦燈等組成。定位模塊信號(hào)覆蓋范圍為半徑400米，由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，一般情況下每隔400-600米布置一臺(tái)分站（含定位模塊），實(shí)現(xiàn)井下必要區(qū)域定位信號(hào)覆蓋。當(dāng)攜帶定位卡的人員進(jìn)入井下定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，無論任何時(shí)刻任意一點(diǎn)，定位分站都可以接收到定位卡周期性自發(fā)的信號(hào)，并經(jīng)過井下環(huán)網(wǎng)把定位數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)計(jì)算中心，經(jīng)過軟件分析處理后，得出各定位卡具體信息，同時(shí)可把定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心的大屏幕或電腦上，并儲(chǔ)存?zhèn)浞?，井上管理人員可隨時(shí)了解井下的狀況。

2 人員定位系統(tǒng)建設(shè)的作用和意義

入井人員攜帶一一對(duì)應(yīng)的識(shí)別卡，人員行走在巷道中，通過安裝在所有巷道中的識(shí)別器，就可以實(shí)時(shí)掌握每個(gè)人在井下的位置和活動(dòng)軌跡。井下一旦發(fā)生事故，救援中心就可以在調(diào)度臺(tái)查到人員位置分布，通知相關(guān)人員撤離，亦可以只知道事故位置被困礦工數(shù)量及所處位置，給災(zāi)變情況下準(zhǔn)確施救提供技術(shù)支持，從而提供企業(yè)的自動(dòng)化、信息化管理水平。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）攜卡人員入井和升井時(shí)間的監(jiān)測(cè)，進(jìn)入和走出重點(diǎn)區(qū)域時(shí)間的監(jiān)測(cè)。

（2）可在地面監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)查閱井下某段時(shí)間的下井人數(shù)、分布情況以及某人的活動(dòng)軌跡。

（3）每人攜帶一張一一對(duì)應(yīng)的識(shí)別卡，在入井大屏上顯示，識(shí)別卡的狀態(tài)，對(duì)缺電、損壞或是無法識(shí)別情況進(jìn)行報(bào)警提示。

（4）標(biāo)識(shí)卡由嵌入式微處理器、發(fā)射和接收天線、收發(fā)電路、電池和軟件組成，平時(shí)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)工作區(qū)域后，激活識(shí)別卡，發(fā)射無線電信號(hào)。

（5）標(biāo)識(shí)卡采用超低能耗設(shè)計(jì)，大容量鋰電池供電，正常情況下可以使用兩年以上。

（6）系統(tǒng)能依據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)按需調(diào)整，識(shí)別距離 從零到200米可調(diào)。

（7）井下分站由采集信息模塊、人員信息處理模塊，隔爆電源，通訊模塊組成，實(shí)現(xiàn)人員識(shí)別、信息采集、處理和傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)終端與地面監(jiān)控中心的雙向通訊功能。

（8）該系統(tǒng)能識(shí)別多張不同號(hào)碼的識(shí)別卡，具備高速識(shí)別的功能，能識(shí)別移動(dòng)速度小于100Km/h的高速移動(dòng)目標(biāo)或是靜態(tài)目標(biāo)。

（9）系統(tǒng)可容納不低于 64個(gè)位置監(jiān)測(cè)分站，單臺(tái)位置監(jiān)測(cè)分站可瞬間同時(shí)識(shí)別 200 個(gè)以上的人員標(biāo)識(shí)卡。乘架空乘人裝置或是送人車的職工無需下車，在識(shí)別卡進(jìn)入監(jiān)控分站的探測(cè)區(qū)域后，就可瞬間完成人員的自動(dòng)識(shí)別和定位。

（10）識(shí)別區(qū)域無方向性、無盲區(qū)，分站射頻場(chǎng)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于手機(jī)的射頻功率，對(duì)周圍環(huán)境無電磁污染，對(duì)人體健康沒有影響。

（11）井下監(jiān)控分站安裝獨(dú)立的備用電池組，當(dāng)井下監(jiān)控分站由于通訊故障或是供電故障不能與地面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊后，分站仍可以獨(dú)立工作，自動(dòng)存貯人員定位信息兩個(gè)小時(shí)，當(dāng)通訊恢復(fù)后，地面監(jiān)控主機(jī)自動(dòng)讀取監(jiān)控分站人員信息，從而實(shí)現(xiàn)不間斷監(jiān)控。

（12）系統(tǒng)可進(jìn)行職工信息記錄、 顯示、查詢、編輯、增減、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

（13）可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和查詢各類數(shù)據(jù)。

（14）門禁功能。由于當(dāng)前實(shí)現(xiàn)區(qū)域限員的規(guī)定，該系統(tǒng)可以根據(jù)要求自動(dòng)識(shí)別進(jìn)去重點(diǎn)區(qū)域人員及權(quán)限，如超過限制人數(shù)或是不具備權(quán)限人員進(jìn)入該區(qū)域，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并將該報(bào)警信息及人員信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

（15）假如下井人員超時(shí)進(jìn)入某區(qū)域或是長(zhǎng)期不運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并將該報(bào)警信息及人員信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

（16）當(dāng)攜卡人員遭遇緊急情況時(shí)，可向上位機(jī)發(fā)出緊急呼救或告急報(bào)警信息。

（17）礦井某一區(qū)域發(fā)生安全事故，監(jiān)控中心可依據(jù)本系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確位置信息，在第一時(shí)間掌握被困人員的具體位置，便于開展事故救援工作，同時(shí)向相關(guān)人員發(fā)出撤離信息。

4 于UWB TDOA高精度定位技術(shù)

基于UWB TDOA的定位方法又稱為雙曲線定位，其原理是通過測(cè)量不同監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的天線單元時(shí)間差，來對(duì)發(fā)射無線電信號(hào)的發(fā)射源進(jìn)行精確定位，是一種先進(jìn)的定位技術(shù)，根據(jù)兩站之間的時(shí)間差轉(zhuǎn)換成距離差，可以得到一條雙曲線，通過三個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)分站得到的時(shí)間差，可以得到多個(gè)雙曲線從而提高來定位精度。再利用相關(guān)函數(shù)法、廣義相關(guān)法、相位譜法、高階累計(jì)算法計(jì)算出精確的位置信息。

TOA即“到達(dá)時(shí)間”，這種方式定位是通過Anchor和Tag之間的多次通信實(shí)現(xiàn)的，如下圖：

（1）Anchor首先發(fā)給Tag一個(gè)包，同時(shí)記錄下Anchor當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T1。

（2）Tag收到基站的信息，返回一個(gè)ACK。

（3）Anchor收到Tag的ACK，記錄當(dāng)前的時(shí)間信息，記為T2。

（4）Anchor計(jì)算時(shí)間差Tr = T2- T1，并且根據(jù)此計(jì)算出距離。

d = c * Tr / 2其中c為光速。

結(jié)束語(yǔ) 高精度的人員定位系統(tǒng)是集嵌入式系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、自動(dòng)控制、精確定位技術(shù)等多學(xué)科綜合應(yīng)用的自動(dòng)定位信息技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。