煤礦井下安全避險之人員定位

煤礦井下安全避險之人員定位

文｜劉雷

礦難，自十八世紀以來，煤炭這種“黑色的金子、工業的食糧”成為人類世界使用的主要能源之后，就從未中斷。人們也一直在為防范礦難作著種種努力。

2014年4、5月間，云南省煤礦井下事故頻發，數十人遇難。4月7日，曲靖麒麟區黎明實業有限公司下海子煤礦發生重大透水事故，造成21人遇難，1人失蹤。4月21日，曲靖市富源縣后所鎮紅土田煤礦一個工作面發生瓦斯爆炸事故。事發時當班下井56人，安全升井42人，14人被困井下，經確認已經遇難。5月8日寧蒗縣寧利鄉石筍溝煤礦探礦井發生一起煤礦事故，3死1傷。遇難、死傷，這簡單的幾個名詞代表著的是一條條本該鮮活生命的逝去。云南礦難，觸目驚心，是一地之失，還是普遍現象？不禁讓人們對煤礦井下安全現狀心存疑慮，倍加關注。

礦難，自十八世紀以來，煤炭這種“黑色的金子、工業的食糧”成為人類世界使用的主要能源之后，就從未中斷。人們也一直在為防范礦難做著種種努力。

在國外，2006年1月，美國西弗吉尼亞查爾斯頓城西北塞格煤礦（Sago Mine）爆炸，14名礦工的死亡促使美國國會立法，要求美國所有煤礦在2009年前必須安裝無線跟蹤定位系統，希望以此拯救更多的生命。

在中國，為提高安全生產保障能力，2010年7月，《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》提出要強制推行先進適用的技術裝備。要求煤礦、非煤礦山要制定和實施生產技術裝備標準，安裝監測監控、人員定位、緊急避險、壓風自救、供水施救和通信聯絡系統等技術裝備。同年8月，國家安全監管總局國家煤礦安監局提出2010年底前，中央企業和國有重點煤礦企業的所有煤礦要完成井下人員定位系統的建設完善工作；2011年底前，其他所有煤礦要完成井下人員定位系統的建設完善工作。由此可見我國政府對井下安全的重視程度及井下人員定位系統在煤礦安全方面的重要性。

煤礦井下人員定位系統是指應用現代無線通信技術，集成數據通信、數據處理及圖形展示等相關技術的監控管理系統。該系統可實現基于電子地圖的煤礦井下人員實時定位和監管。并應具有煤礦巷道電子地圖瀏覽、區域人數分析、人員監測管理、人員定位、人員實時軌跡監控、人員歷史軌跡回放等功能。從而為實現煤礦的安全生產提供及時有效的井下人員定位和監控功能，并提供事故發生時人員逃生的最佳路徑分析，以信息化手段提高了煤礦的安全生產能力。

一、無線通信技術

人員定位系統所應用的無線通信技術以RFID、WiFi、 ZigBee、Mesh、GIS等為主。國外發達國家的井下跟蹤設備成本高，且因采煤機械化程度較高，安全性強，對于井下人員跟蹤系統的研發也比較少。

目前中國廣泛使用的礦井人員定位系統大多數是應用RFID、ZigBee、WiFi及GIS 技術實現的，因其不同的技術特點，存在其相應的優點及完善和提高的空間。

1.基于RFID的定位系統

射頻識別即RFID（Radio Frequency Identification）技術，可通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

RFID井下人員定位系統是由井下人員攜帶RFID電子標簽，當標簽進入磁場后，可接收設置在礦井進出口、巷道分支處、重點區域等關鍵點的解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的信息（無源被動式）；或者由標簽主動發送信號（有源主動式），解讀器讀取信息并解碼后，對下井人員進行登記記錄。

RFID技術有讀取數據方便快捷、實時性好、使用壽命長、安全性好、信號的穿透能力強等特點，是目前大部分井下人員定位系統所采用的技術。包括KJ251、KJ69J、KJ237、KJ128A、KJ133、KJ139、KJ280等。

然而RFID技術在精準定位方面略有不足，在遠距離傳輸時速率較低，而且其超高頻技術的不完善和成本瓶頸也在一定程度上制約了該技術的發展。

2.基于WiFi技術的定位系統

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術，是一個高頻無線電信號。是IEEE802.11b標準，具備帶寬廣，信號強，功耗小，安全易用等特性，其主要優勢在于短距離無線數據傳輸能力，非常適合移動辦公的需要，具有廣闊市場前景。井下采用WIFI技術的系統相對較少，如KJ361 等。

定位系統在井下通道設WiFi基站，井下人員攜帶WiFi身份碼或WiFi手機，通過存有人員信息的WiFi終端與基站交換信息 從而對煤礦井下人員實現精確的定位。WiFi技術也可與RFID、ZigBee、GIS等技術結合應 用。

3.基于ZigBee技術的定位系統

ZigBee技術是由Invensys 公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦等公司共同研究開發的，是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技 術。

基于ZigBee的人員定位系統是在井下合理布置基站，由井下人員隨身攜帶ZigBee無線終端，在接收到基站信號時或定時向基站發送信號，基站接收信號并根據信號強度計算出人員位置，實現精確定位、實時更新。具有低成本、安全可靠、低功耗、低數據速率、精準定位等多種優勢，他解決了RFID面臨的環境干擾問題，并通過直序擴頻的信噪比增益，大大地降低了系統的功耗，達到提高電池使用壽命的目的。正逐漸為我國更多的井下人員定位系統所采用。采用ZigBee技術的系統包括KJ236、KJ571、KJ399等。

此外ZigBee自組織網通信特性在應對井下復雜地形時具有一定的優勢，如能充分運用，有著廣闊的應用前景。

4.基于GIS 結合的定位系統

地理信息系統（GIS，Geographic Information System）是一門結合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學的綜合學科，用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據。可集成地圖、地理分析功能與數據庫操作。可根據井下人員在巷道中的實時動態分布及井下的實際地理情況制作出相應的動態圖，使井下情況一目了然，能夠幫助應急計劃制定者在事故發生時快速作出路線規劃并計算出應急反應時間。該技術應用較廣泛，可單獨應用或與其他技術結合應用（GIS＋RFID；GIS＋WiFi；GIS＋ZigBee等）。

5.基于Mesh技術通信定位

無線Mesh網絡，由路由器和客戶端組成，其中路由器構成骨干網絡，并和有線的internet網相連接，負責為客戶端提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網絡也稱為“多跳（multi-hop）”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。是基于網狀分布的眾多無線接入點間的相互合作和協同，具有寬帶高速與高頻譜效率的優勢和動態自組織、自配置與自維護等突出特點。在該網絡中，任何設備節點都可以同時作為AP和路由器，都可以發送和接收信號，都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。基于無線Mesh能夠自動調整拓撲并維持連接，可采用靈活的多跳傳輸，隨需擴展，因此該網絡結構更適合應用于煤礦井下環境惡劣、組網復雜等特殊條件，為井下定位提供更可靠的技術支持。Mesh組網能力的用戶站成本較較低，可以節省網絡建設成本。較其他技術而言，更適合在我國煤礦環境中使用。

二、定位系統選擇

井下人員定位系統作為煤礦井下安全避險“六大系統”之一，選擇定位精度高、安全、穩定、續航時間長、性能齊備的定位系統至關重要，目前取得MA標志認證和防爆合格證的主要廠家、系統如表1所示。

表1

1.KJ280高精度井下人員定位系統

基于PHS無線小靈通技術和GIS地理信息系統技術的中礦華沃KJ280煤礦井下人員定位管理系統。集成了實時精確定位及緊急通話功能，可實現雙向通信及報警功能。具有識別距離遠、識別區域無方向性、無盲區、信號穿透力強、抗干擾能力強、無微波輻射等優點。已獲國家專利，為2006年全國瓦斯工作會議唯一推薦產品。

2.KJ272人員定位系統

深圳市翌日科技有限公司的礦用人員定位系統基于GIS技術的地理信息顯示、查詢系統，結合無線網絡傳輸技術ZigBee，定位專利技術及煤礦井下通信基站專利技術，真正實現了井下人員的精確定位和其他各業務的需要（手機通信、瓦斯等實際數據傳輸、無線視頻監控）。可提供直觀的巷道圖，礦井移動目標實時監視和屏幕顯示，實現各部門工作人員考勤、井下定點考勤、信息存儲和歷史數據回放、突發情況報警、發出報警信息、異常數據自動報警功能。

3.礦井定位通信一體化解決方案

泰普通信系統有限公司提供的KJ742W礦山人員管理系統基于RFID＋WiFi技術，由礦用分站、標識卡、礦用語音終端、調度平臺、定位引擎、人員管理系統軟件等組成。該系統產品緊貼礦井安全生產的實際需求，根據礦井安全生產的技術要求和國家安全標準進行獨立設計，實現了井下人員、車輛、設備的定位，并集成了井下人員語音對講、通信聯絡和無線數據傳輸等功能，具有安裝方便，覆蓋距離遠，安全性高、環境適應性強的特點。具有對講定位一體化，兼容環境監測、視頻傳輸的優點。

三、人員定位系統的應用

企業必須切實做好人員定位系統的維護和升級改造工作，必須保障系統安全可靠運行。

應按規定設置井下分站和基站，確保準確掌握井下人員動態分布情況和采掘工作面人員數量。所有入井人員必須攜帶定位終端。應在礦井各出入井口、巷道分支處、重點區域、限制區域及煤礦緊急避險設施出入口設置分站，確保及時、準確的將井下各個區域人員和移動設備情況動態反映到地面計算機系統，使管理人員能夠隨時掌握井下人員和移動設備的總數及分布狀況以及井下人員入井、出井時間及運動軌跡，實現對井下人員的實時監測。以便于企業對井下人員進行更加合理的調度和管理，并在事故突發時能夠及時高效的做出正確應對。礦井調度室應設系統地面中心站，配備顯示設備，執行24h值班制度。主管安監局應有同步顯示終端。

此外，井下定位系統可以進一步集成環境監測系統及通信聯絡系統。通過監測系統分布于井下的多種傳感器及視頻頭等完成監控終端對井下環境的動態監控，實時掌控井下瓦斯、粉塵、風速、溫濕度等重要數據，以便及時發現井下異常。如果條件成熟，可將手持PDA與井下終端集成，做到監控中心與井下人員可實現雙向可視通信，實現井下導航功能，為安全生產及通報險情、指揮井下避險提供保障。