煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊元成 高 杰 程光顯

（烏蘇市巴音溝叢龍煤礦，新疆 烏蘇 833300）

當(dāng)前，部分煤礦井下人員定位系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)存在一定不足，如定位效果差、通信質(zhì)量低，而且成本高昂、維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)時費(fèi)力等[1]。為避免這一情況，提升礦井人員定位與通信功能，應(yīng)結(jié)合礦井下作業(yè)人員管理需求，設(shè)計(jì)功能豐富、定位可靠、成本較優(yōu)的系統(tǒng)，以適應(yīng)新環(huán)境、新標(biāo)準(zhǔn)、新要求。

一、煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)概念價(jià)值及原則

1．精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)基本概念

精準(zhǔn)定位系統(tǒng)主要指基于礦井人員安全管理、作業(yè)管理需求，結(jié)合現(xiàn)代通訊基站、通訊系統(tǒng)所編制的人員定位、通訊融合系統(tǒng)，即能夠系統(tǒng)擁有多種功能、多種樣式，能夠滿足管理人員不同管理需求，如人員呼叫、任務(wù)傳遞、安全管理等[2]。因此兩者的設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)而積極的意義：第一，可優(yōu)化礦井管理系統(tǒng)，降低管理壓力，提升管理穩(wěn)定性。由于礦井在作業(yè)過程中，環(huán)境較為復(fù)雜、人員分布較散，若缺乏必要的定位、通訊系統(tǒng)，必然會影響作業(yè)人員與上面管理人員的通訊效果。而通過設(shè)計(jì)更加現(xiàn)代、可靠的定位和通信系統(tǒng)能夠有效避免這一要點(diǎn)，如及時了解底部人員作業(yè)狀態(tài)、及時收集底部作業(yè)環(huán)境并依據(jù)信息數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時調(diào)整任務(wù)方向、人員分布等；第二，可提升底部人員作業(yè)安全性，通過更加快速的通信系統(tǒng)、精準(zhǔn)的定位系統(tǒng)，能夠?yàn)榈撞孔鳂I(yè)人員提供更加可靠的作業(yè)方式與方向，提升其作業(yè)安全性，防止其不規(guī)范作業(yè)，這樣便能有效提升作業(yè)安全性[3]。

2．煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

結(jié)合煤礦井下人員定位與無線通信系統(tǒng)功能、目標(biāo)等需求，在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意：一是遵循安全性原則。其主要是指結(jié)合礦井管理、礦井生產(chǎn)制度，保障工作人員、工作設(shè)備等的安全，以避免事故影響作業(yè)人員的人身安全?；蛟诎踩鹿拾l(fā)生后，能夠快速定位并聯(lián)系礦井作業(yè)人員；二是功能性原則。功能要符合礦井實(shí)際工作需求，如結(jié)合上下人員通訊需求，設(shè)計(jì)對講功能。或結(jié)合人員安全管理、作業(yè)管理需求，設(shè)計(jì)人員動態(tài)監(jiān)測功能?；蚪Y(jié)合運(yùn)輸設(shè)備參數(shù)需求，設(shè)計(jì)安全管理能力，對管理人員預(yù)警區(qū)域超員、作業(yè)人員脫離崗位預(yù)警等[4]；三是要堅(jiān)持反饋性原則，即能夠及時通過系統(tǒng)構(gòu)架對管理人員進(jìn)行信息反饋，以幫助安全管理人員更好地實(shí)施管理措施，如通過LED 顯示屏展示各個節(jié)點(diǎn)人員工作情況等；四是要堅(jiān)持精準(zhǔn)性原則。由于礦底作業(yè)人員區(qū)域限制，若定位系統(tǒng)不準(zhǔn)確，必然會影響管理或救助效果，據(jù)此為提升安全管理效果，應(yīng)提升管理系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，如部署一套精度高于1 米的定位系統(tǒng)；五是要堅(jiān)持聯(lián)動性原則。聯(lián)動性主要包含兩個方面，一方面聯(lián)動企業(yè)應(yīng)急管理部門等，用以及時反應(yīng)，如處理突發(fā)安全事故，另一方面聯(lián)動醫(yī)院、消防等單位，用以快速處理突發(fā)特殊事件，以進(jìn)一步事故救助效果和質(zhì)量[5]。

二、煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)路徑

為保障設(shè)計(jì)有效性與可靠性，特結(jié)合烏蘇市巴音溝叢龍煤礦項(xiàng)目具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，如其系統(tǒng)設(shè)備陳舊，線纜老化，現(xiàn)系統(tǒng)不能滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及煤礦管理要求，亦不能滿足礦業(yè)生產(chǎn)管理需要，同時也不符合煤礦未來工業(yè)發(fā)展的需要等[6]。具體而言：

1．煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)及無線通信系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

1.1“一站、一線、一網(wǎng)、一平臺”的技術(shù)架構(gòu)

設(shè)計(jì)井下和地面雙融合的模式，井下設(shè)計(jì)一個融合基站，同步實(shí)現(xiàn)多種功能，可就近接入其他系統(tǒng)。同時，在一個融合調(diào)度軟件上實(shí)現(xiàn)有線、無線、人員、車輛、視頻等多系統(tǒng)的“調(diào)度”功能。

1.2 支持千兆自組網(wǎng)

在基站內(nèi)部設(shè)計(jì)千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)模塊，在基站間設(shè)計(jì)環(huán)形鏈路，支持VLAN 劃分，支持鏈路冗余，地面可查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)；同時，基站也可將千兆接口接入現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)千兆鏈路傳輸，確保數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)傳輸需求。

1.3 井下本安一體化融合基站

基于井下部分區(qū)域?qū)o線信號覆蓋需要，設(shè)計(jì)井下WIFI6 融合基站。其中，融合基站運(yùn)用本安型基站，體積小重量輕，融合基站內(nèi)含有WIFI6 模塊、UWB 精確定位模塊、紅綠燈控制模塊及千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)模塊，后期支持?jǐn)U展增加4G 無線通信模塊無需再重新布站[7]。

1.4 厘米級高精確定位

采用北路UWB 定位技術(shù)。這種技術(shù)具有超低功耗、休眠與自動喚醒和抗干擾技術(shù)等優(yōu)勢，采用TDOA 算法，最大靜態(tài)定位誤差不大于0.3m，最大動態(tài)定位誤差不大于1m，能夠提升定位精準(zhǔn)性。

1.5 電源遠(yuǎn)程智能管理功能

基于系統(tǒng)基站配套的后備電源遠(yuǎn)程管理需求，賦予電源遠(yuǎn)程智能管理功能。例如，能夠在軟件中遠(yuǎn)程查看當(dāng)前電池電量，支持遠(yuǎn)程的充放電管理。

1.6 標(biāo)識卡超低功耗設(shè)計(jì)

精確定位識別卡采用可更換電池供電，標(biāo)識卡采用微功耗器件與智能節(jié)電設(shè)計(jì)，電池使用壽命不小于6 個月；依據(jù)系統(tǒng)軟件功能要求和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)針對性的校驗(yàn)和算法處理程序，保證無線數(shù)據(jù)高度可靠傳輸，確保定位精度。

1.7 區(qū)域限員管理

對于高瓦斯礦井、沖擊地壓嚴(yán)重礦井，在采煤工作面及順槽，以及掘進(jìn)工作面，需要進(jìn)行限員管理。據(jù)此，精確定位系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合礦用顯示屏，實(shí)現(xiàn)多區(qū)域、對部門聯(lián)動，達(dá)到區(qū)域人數(shù)精確統(tǒng)計(jì)，就地顯示和超限語音告警的功能。

1.8 超遠(yuǎn)覆蓋距離

精確定位模式下，定位分站的無線覆蓋半徑應(yīng)超過300～400 米（視巷道情況調(diào)整）。

1.9 系統(tǒng)唯一性識別

本系統(tǒng)主要由人像識別、人員定位數(shù)據(jù)庫、語音提示及報(bào)警裝置等部分構(gòu)成。其原理為：入井人員攜帶人員定位識別卡通過該裝置時，安檢門上方的攝像頭自動掃描人員臉部特征信息，并把掃描信息上傳至檢測主機(jī)進(jìn)行判斷，如識別出不帶卡、多帶卡、替代卡、攜帶壞卡等情況，立即進(jìn)行聲光報(bào)警并禁止通行。

1.10 分類查詢功能

在實(shí)時監(jiān)控及查詢統(tǒng)計(jì)報(bào)表中，系統(tǒng)可按員工工號、卡號、姓名、職務(wù)、工種、部門、巷道位置、時間段等進(jìn)行分類查詢。

2．技術(shù)系統(tǒng)總體構(gòu)成設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)果

基于上述分析結(jié)果，系統(tǒng)整體的結(jié)果應(yīng)報(bào)站精準(zhǔn)定位系統(tǒng)和無線通信（如圖1所示）。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)保持多樣，組網(wǎng)靈活，支持光纜自組網(wǎng)及接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)等多種組網(wǎng)方式，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

圖1 礦井人員精準(zhǔn)定位及通信融合系統(tǒng)構(gòu)架

利用融合基站的千兆光接口組成系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)能夠很輕易地組成較大的定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，滿足礦方的較大規(guī)模的使用需求。

2.2 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體功能主要包含工作業(yè)務(wù)、人員管理等層面。首先，業(yè)務(wù)功能，主要用于語音和視頻通話，其能夠支持有線調(diào)度通信系統(tǒng)，擴(kuò)展調(diào)度固話直撥，具備井下無線信號數(shù)據(jù)的高速率傳輸，支持多路高清視頻同時傳輸，不卡頓延時低等特性；其次，匯接功能。系統(tǒng)提供多種中繼接口，E1 中繼信令齊全，如PRI，SIP，VOIP 等信令，可為用戶提供多種組網(wǎng)。匯接方式多樣，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)字中繼和SIP 中繼的中繼匯接、中繼分組、中繼局向管理等功能；其三，管理功能，其主要包含錄音、熱線、會議、綜合功能、匯接功能、網(wǎng)管功能等；其四，對講功能，全數(shù)字化設(shè)計(jì)。如抗干擾能力強(qiáng)，通話清晰；不需要主機(jī)、基地臺等控制中心，只要有Wi-Fi 基站，接入后即可實(shí)現(xiàn)喊話對講功能；其五，人員動態(tài)監(jiān)測功能與查詢考勤功能，如可查詢一定時間段內(nèi)人員下井信息、可查看具體日期各部門下井人數(shù)等；其六，安全管理功能，如生命安全監(jiān)測預(yù)警、生命安全監(jiān)測預(yù)警、生命安全監(jiān)測預(yù)警、生命安全監(jiān)測預(yù)警等。

3．系統(tǒng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)礦井人員精準(zhǔn)定位、人員通訊需求，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，細(xì)化設(shè)計(jì)相關(guān)管理系統(tǒng)。而匯總井下定位與通訊共性和個性需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)把控調(diào)度室、井口顯示、唯一性檢測、基站四個層面。具體而言：

3.1 設(shè)計(jì)調(diào)度室

定位設(shè)備可安裝在調(diào)度室機(jī)柜，數(shù)據(jù)服務(wù)器配置2 臺，通過交換機(jī)相連，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備方式，滿足1min 鐘內(nèi)自動切換的要求。為滿足WEB 發(fā)布的需求，配備1 臺服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)定位信息的WEB 發(fā)布。WIFI6 無線系統(tǒng)配置一臺支持500 門用戶的IP 語音交換機(jī)、一臺綜合網(wǎng)管服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)分部門調(diào)度、監(jiān)控、管理等功能；同時配置一臺數(shù)字中繼媒體網(wǎng)關(guān)，提供數(shù)字E1 口，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。具體如圖2所示

圖2 調(diào)度室構(gòu)成細(xì)節(jié)圖

3.2 井口顯示設(shè)計(jì)

將LED 屏安裝在井口附近，經(jīng)過軟件處理與人員定位系統(tǒng)中的人事庫和卡表關(guān)聯(lián)，將調(diào)出的識別卡對應(yīng)的人員信息顯示在與電腦相連的LED 電子屏幕上?？娠@示下井總?cè)藬?shù)、人員的所屬部門與部門人數(shù)、姓名、上井標(biāo)志和卡的電量等。用于攜卡人員通過該覆蓋區(qū)域時，系統(tǒng)自動檢測識別卡信息。

3.3 唯一性檢測設(shè)計(jì)

唯一性檢測裝置由：不銹鋼通道門、攝像機(jī)、顯示屏、主機(jī)、屏蔽門等組成。攜卡人員入井前先經(jīng)過屏蔽門，被井口讀卡器讀取到標(biāo)識卡后，再經(jīng)過人臉識別，如入井人員出現(xiàn)不帶卡、多帶卡、替代卡、攜帶壞卡等情況，立即進(jìn)行聲光報(bào)警并禁止通行。如核對標(biāo)識卡和人臉信息一致且符合唯一性原則，則閘機(jī)打開放行。

3.4 基站分布

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)KT162-F8 融合基站27 臺（含備用4 臺），配套電源27 臺（含備用4 臺）；配備1 個KJ1626J-S1 井下手持搜索儀，用于井下人員的搜索識別；配備礦用本安型顯示屏2臺，用于限員區(qū)域告警；配備燈繩皮帶一體識別卡240 張。如表1所示。

表1 分站在各區(qū)域的分布表

綜上所述，相關(guān)單位應(yīng)在井下無線通信及人員精準(zhǔn)定位在相關(guān)原則基礎(chǔ)上，明確井下工作人員通訊與定位功能需求，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架，提升管理效果，以在實(shí)現(xiàn)管理需求的同時，大幅度削減了經(jīng)濟(jì)與人工成本。據(jù)此，本文以相關(guān)案例為基點(diǎn)，設(shè)計(jì)了安全監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、井下應(yīng)急廣播等系統(tǒng)的聯(lián)動系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用效果。