無線網絡技術在井下人員定位系統中的應用

李燕玲

（山西潞安集團潞寧煤業公司監測監控中心 ，山西 忻州 036000）

0 引言

無線網絡技術（WIFI技術）是目前應用較為廣泛的無線傳輸技術，基于WIFI網絡進行定位，相較其他定位技術，具有定位范圍廣、精度高、傳輸快、成本低和設備利用率高等諸多特點。因此，在井下人員定位中，采用WIFI無線傳輸定位系統進行跟蹤定位，不僅由于其覆蓋范圍廣的特點，可以減少井下安設的熱點數量，而且由于其精度高、傳輸快的優勢，可以縮小定位誤差，精確、快速的傳遞井下人員位置信息，在井下人員定位系統中具有重要意義。

本文以潞安潞寧礦井建立井下人員定位系統為研究背景，根據井下基本環境情況及礦井日常管理需求，采用無線網絡通信技術，通過對井下工作人員佩戴無線信號終端，實現井下人員的精確定位，以達到預警救援和安全監測等功能。無線網絡技術在井下人員定位系統中的應用，不僅可以在井下產生事故時，及時預警通知井下工作人員，在井下事故發生后，通知井上工作人員，迅速的制定解決方案，將損失降到最低，而且可以應用于平常的生產管理中，能夠滿足煤礦諸多的實際需求。

1 井下無線網絡設計

1.1 潞寧礦井下主干網絡部署

潞寧礦由于井田面積較大，巷道長度較長，UTP5類雙絞線無法完成遠距離的信號傳輸。因此，本次設計在潞寧礦設立系統主干網絡，在地面至井下及井下各巷道分布部署兩根12芯單模光纖組建的以太網。

兩根光纖穿過副井連接地面上下的網絡，在光纖兩端安裝光纖收發器以進行光電轉換，可以實現網絡覆蓋范圍的擴大。巷道內部同樣采用光纖材料設計主干網絡傳輸，通過巷道內的POE交換機實現連接，最終使得副井與井下各巷道內的主干網絡組成環狀網絡結構，保證了該主干網絡結構的穩固性。主干網絡拓撲結構示意圖見圖1。

圖1 主干網絡拓撲結構示意圖

本次設計的無線網絡需要配備專用的供電系統一套，用以防止其他井下機電設備的網絡干擾；網絡電源中心需使用UPS實現24h不間斷供電，可以保障在停電后網絡設備仍然可以運作，避免斷電引起的數據丟失等影響。井下主干網絡拓撲結構示意圖見圖2。

圖2 井下主干網絡拓撲結構示意圖

1.2 潞寧礦井下無線網絡規劃

井下巷道無線信號傳輸與生活中使用的無線網絡類似，無線電波傳輸時，受巷道斷面尺度、巷道表面粗糙程度、巷道布置情況等多種因素影響，傳輸效果也不盡相同。無線通信網絡在本系統中的作用是以文字和語音為載體進行數據傳輸，同時，對井下定位數據進行反饋。

802.11 g系列的無線網絡AP最大帶寬為54Mbps，可根據實際情況自動進行調整。井下工作人員佩戴的無線定位標簽僅占用不到10K/s的流量，而井下使用的WIFI手機最大也只占用64kbps的數據流量，因此，井下進行無線網絡部署時，不需要過多的考慮AP的覆蓋密度。

本次設計確定每隔300m在井下巷道內布置一個無線接入點，經檢驗，此時巷道內可以實現無線網絡的全覆蓋。要求AP信號的覆蓋區域之間要存在交叉布置，以實現無線網絡的無縫漫游。在岔道、彎道等無線信號傳遞薄弱的地方，應安設無線接入點，保障井下無線網絡信號不存在傳輸盲區。下圖3為井下直巷道、彎道等特殊巷道的AP部署情況示意圖。

根據潞寧礦井地質條件，本次無線網絡系統的主要設備包括：單模AP、雙模AP和POE交換機三部分。應時刻保證網絡系統具有足夠的帶寬，可以滿足井下人員定位通信等功能。無線網絡系統只允許進行一次橋接，以避免橋接時導致信號的缺失。潞寧煤礦井下無線網絡設備部署示意圖如圖4所示。

圖3 特殊巷道的AP部署情況示意圖

圖4 潞寧煤礦井下無線網絡設備部署示意圖

1.3 潞寧礦井下無線網絡配置

井下配置無線網絡系統時，首先應分配無線網絡中的終端IP地址。對于潞寧煤礦，應使用C類IP私有地址，該類IP地址適用于企業內部無線網絡的使用，與外界網絡無需連接。其主要目的是避免后期接入公網導致網絡地址的紊亂，而當需要接入公網時，則需要對私有地址進行翻譯，翻譯為合法可用的公用地址。

根據潞寧礦井下人員定位方案，利用虛擬網絡劃分技術，采用基于端口VLAN的劃分策略對核心交換機進行劃分，共劃分三個VLAN，主要用于通信、定位和處理及顯示監控數據。具體核心交換機劃分示意圖如圖5所示。

圖5 核心交換機劃分示意圖

同時，采用基于策略的SSID劃分對無線網絡的VLAN進行劃分，AP廣播三個SSID分別對應了三個不同的業務數據，通過井上無線網絡控制器對其進行設置。該種劃分方法，具有的優勢為：保障各業務之間數據在傳輸過程中互不影響，使煤礦管理人員對該無線網絡系統的管理更加便捷。

2 井下人員定位系統在潞寧礦的應用

2.1 潞寧礦井下人員定位系統登錄與定位查詢

圖6 潞寧礦井下人員定位登錄系統圖

圖6 為潞寧礦井下人員定位登錄系統圖，其中，左圖為無線網絡井下人員定位系統登錄界面圖，右圖為無線網絡井下人員定位系統選擇界面圖。

井下人員定位系統的核心是人員定位模塊，本次設計通過連接Ekahau定位控制器，以達到獲取定位信息的目的。操作界面可以通過滑動鼠標對地圖進行縮放，可以通過點擊井下定位對象，查看其具體的定位對象信息，同時，可以通過搜索關鍵詞，對定位的人及設備進行搜索。

2.2 井下定位管理系統預警和安全教育

根據潞寧礦的安全生產條例，將井下人員作業可能發生的危險事故由強到弱分為A、B和C三類。若危險等級為C類時，系統以感嘆號用以提示；若危險等級為B類時，系統通過彈出對話框提示；而當井下出現A類危險時，系統將以發出警報和彈出對話框的形式進行提示，同時，系統將在一定程度上，自發性的進行應急處理。

本次對潞寧礦井下人員定位進行無線網絡傳輸設計，以該礦安全生產管理理念為原則，系統的對礦井職工進行安全教育培訓，培訓內容主要為向礦工介紹井下巷道布置結構、井下工作應該注意的主要事項和發生危險時自救手段。同時，明確的標明礦井中存在的危險區，系統完整的對礦井工作人員進行安全教育培訓。

3 結 論

本文以潞安潞寧礦井建立井下人員定位系統為研究背景，根據井下基本環境情況及礦井日常管理需求，采用無線網絡通信技術，對井下人員定位系統進行設計，主要結論如下：

分別對潞寧礦井下主干網絡部署、井下無線網絡規劃和井下無線網絡配置進行設計，并將設計的無線網絡井下人員定位系統應用于潞寧礦，介紹了該系統的使用界面及預警指示。同時，提出了對礦井職工進行安全教育培訓的方法，用以提高煤礦的安全生產水平。