基于WIFI技術的煤礦井下人員定位安全系統的研究

李 浩

（山西潞安集團潞寧煤業有限責任公司， 山西 寧武 036706）

引言

煤礦井下開采的環境相對比較惡劣，若監控不全面，存在較多的盲區。實現井下與井上信息的有效傳遞，并準確定位井下作業人員，是安全、可靠、高效煤礦生產活動的首要任務。近年來，煤礦開采行業逐步發展起來人員定位系統，并得到不斷發展[1-2]。文本在已有的定位系統基礎上，對原系統進行了升級改造，以WIFI無線通信技術為基礎，成功搭建了人員定位系統。

1 現有監控系統存在問題

1）軟件操作界面顯示單一，不能及時有效進行數據自動傳輸交互，特別是系統使用一段時間后發現數據交互延遲非常明顯。容易導致系統監測的人員位置與實際人員位置存在較大差異[3-4]。

2）傳感器使用的無線網絡傳輸系統信號滯后，在實際使用中存在響應不及時的問題。

3）系統所采用的無線傳感網絡（WSN）是一種比較便宜、落后的無線組織網絡，數據的傳輸依靠每個傳感器所構建起來的節點網絡，其通信能力有限，而且系統計算與處理能力較差，導致系統整體精度低，時延長[5]。

4）傳感器、網絡通信等硬件設備在使用相當一段時間之后，故障率高，對系統本身構成了嚴重的安全隱患。因此，為了解決現有井下人員定位安全系統存在的不足，對其進行優化改進設計迫在眉睫。

2 井下定位系統需求分析

井下環境復雜，地面通信設備信號無法傳輸到下端，且在相對密閉的環境中容易出現瓦斯濃度偏高、環境溫度、空氣質量等問題。在設計人員定位系統時，為了滿足定位精確、信息傳輸能力強、操作方便的要求，對系統的設計需要進行分析。

1）功能需求。井下人員定位系統具備如下幾個功能：對井下所有人員位置的定位、顯示；對位置信號的記錄；查詢指定區域內，在一段時間內所有定位對象的分布情況；發生安全事故，系統能進行報警，并準確提供人員位置信息。

2）系統性能需求。礦井人員定位應用WIFI技術，并結合企業自身的實際需求，以及通信特點，要求系統應具備如下的性能要求：高定位精度要求；低時間延遲；系統的容量大等，以備后續拓展。

3 系統的總體設計

基于WIFI技術的井下人員定位系統主要包括WIFI通信技術與地面硬件設備，井下作業人員位置信息的獲取和信息傳輸均通過WIFI無線網絡技術來實現。圖1所示為井下人員定位系統架構示意圖。

圖1 井下人員定位系統架構圖

3.1 WIFI網絡的設計

潞寧煤礦礦井南北長約4.8 km，該區域東西寬約5.3 km，其中包括南北方向6條主要進回風巷道，3條東西走向的主要進回風巷道。該煤礦設定位系統主干網絡由太網采用兩根12芯單模光纖組建。巷道內采用POE交換機實現各條光纖數據的連接，每條巷道布置一條可延伸光纖。副井中的通信網與各個橫穿東西的巷道內通信網構成環狀網結構，由此可以保證確網絡信號傳輸的穩定性以及網絡結構的穩定性，圖2所示為主干網絡的拓撲結構。

圖2 井下主干網絡拓撲結構

將WIFI網絡地址配置為C類IP，對網咯中終端IP地址進行分配，使用C類IP的優勢在于避免以后在接入公網時地址沖突。利用WIFI虛擬局域網劃分技術，將交換機網絡根據使用功能的不同，劃分為三個區，分別對應于定位、通信、監控數據等模塊。

3.2 系統主要硬件的選取

根據潞寧煤礦自身特點，并結合人員定位系統功能需求所設定目標，進行系統硬件的設計。既滿足系統的設計目標，同時也要考慮到設備可靠性，經濟性等，下面對該系統中主要硬件做簡要說明。

1）POE交換機。POE交換機是以太網通信的樞紐，根據煤礦的實際情況，與將來可能的擴展；選擇POE交換機應具備包轉發率高，同時支持100 Mvps及以上的網絡數據傳輸速率；POE交換機型號可選用GSDXH DF-M2475G-30HS-W，其所有端口上都能夠提供40 W功率。

2）監控中心服務器。服務器是整體系統的大腦，負責對各種信號數據進行處理，保障各定位傳感器數據傳送和處理各種網絡服務請求。服務器高性能主要體現在高效、快速的信號傳輸、信號處理；具有比較強的外部數據吞吐能力。根據以上原則，選擇聯想Think version E3-1220V6服務器，CPU頻率2.5 GHz；8 G的處理器；四個核心處理器，自帶Windows10專業版操作系統。

3）定位終端硬件選取。首先，定位終端必須具有WIFI通信模塊，可以實現在WIFI網絡下數據的傳輸。因為，T301型定位終端具有雙向通信功能，且能夠滿足自動定位和請求定位兩種工況，提高求系統對于人員定位的識別率，圖3所示為T301定位終端。

4 人員定位系統功能的實現

軟件操作系統是基于Ekahau環境下，對煤礦井下人員定位管理系統進行了開發設計，依據潞寧煤礦自身特點，改進系統硬件配置，網絡傳輸硬件設備以及服務器。參考煤礦需求和網絡部署，在已有的煤礦井下定位管理系統設計基礎上進行改進，完善對潞寧煤礦井下安全定位系統設計。

操作界面上進行了集約化設計，創建將新增設的工具欄，圖4所示為井下人員定位系統主界面，設置用戶登錄窗口，下側有人員監控、報警管理、人事管理、用戶管理、考勤情況、復雜系統、請假公示等信息。

圖3 T301型定位終端

圖4 WIFI技術煤礦井下人員定位安全系統

煤礦井下人員定位安全系統軟硬件的設計搭建成功，為煤礦礦井人員監測提供了可靠有力的措施。針對煤礦礦井的特殊環境，提出基于WIFI通信技術的監測系統。巷道內采用POE交換機實現各條光纖數據的連接，副井中的通信網與各個橫穿東西的巷道內通信網構成環狀網結構，由此可以保證確網絡信號傳輸的穩定性以及網絡結構的穩定性。在系統后期的使用中也證實系統升級達到了預期設定目標，系統在硬件、軟件層面均得到了改進優化，很好地滿足了煤礦井下人員定位的實際需求，具有較好的可靠性，為井下人員定位系統的后續深入研究提供了有力參考。

5 結論

1）綜合改進了系統通信傳輸硬件、位置定位傳感器、服務器等，同時對軟件層進行集約化處理，新增報警管理模塊，完成定位系統總體設計并達到設計指標。

2）井下人員定位系統基于WIFI通信技術，巷道內采用POE交換機實現各條光纖數據的連接，保證確網絡信號傳輸的穩定性以及網絡結構的穩定性。系統升級達到了預期設定目標，系統在硬件、軟件層面均得到了改進優化，提高了系統的精度與可靠性。