煤礦精確人員定位系統的應用

張文波

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺 054102

根據國家安監總局[2010]146號，關于《建設完善井下安全避險“六大系統”的通知》的文件要求，建立完善煤礦監測監控、人員定位、緊急避險、壓風自救、供水施救和通信聯絡系統等安全避險“六大系統”，提高煤礦安全保障能力。

1 系統簡介

人員定位系統采用基于UWB TDOA高精度定位技術，定位精度小于0.3米，主要實現對井下人員的實時定位、考勤管理、限員管理和事故救援。定位系統主要由定位分站、定位模塊、人員標識卡、信息化礦燈等組成。定位模塊信號覆蓋范圍為半徑400米，由于礦山井下環境復雜，一般情況下每隔400-600米布置一臺分站（含定位模塊），實現井下必要區域定位信號覆蓋。當攜帶定位卡的人員進入井下定位網絡覆蓋范圍內，無論任何時刻任意一點，定位分站都可以接收到定位卡周期性自發的信號，并經過井下環網把定位數據上傳到數據計算中心，經過軟件分析處理后，得出各定位卡具體信息，同時可把定位數據實時傳輸至監控中心的大屏幕或電腦上，并儲存備份，井上管理人員可隨時了解井下的狀況。

2 人員定位系統建設的作用和意義

入井人員攜帶一一對應的識別卡，人員行走在巷道中，通過安裝在所有巷道中的識別器，就可以實時掌握每個人在井下的位置和活動軌跡。井下一旦發生事故，救援中心就可以在調度臺查到人員位置分布，通知相關人員撤離，亦可以只知道事故位置被困礦工數量及所處位置，給災變情況下準確施救提供技術支持，從而提供企業的自動化、信息化管理水平。

3 系統特點

（1）攜卡人員入井和升井時間的監測，進入和走出重點區域時間的監測。

（2）可在地面監控系統實時查閱井下某段時間的下井人數、分布情況以及某人的活動軌跡。

（3）每人攜帶一張一一對應的識別卡，在入井大屏上顯示，識別卡的狀態，對缺電、損壞或是無法識別情況進行報警提示。

（4）標識卡由嵌入式微處理器、發射和接收天線、收發電路、電池和軟件組成，平時處于休眠狀態。當進入系統工作區域后，激活識別卡，發射無線電信號。

（5）標識卡采用超低能耗設計，大容量鋰電池供電，正常情況下可以使用兩年以上。

（6）系統能依據客戶需求實現按需調整，識別距離 從零到200米可調。

（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，實現人員識別、信息采集、處理和傳輸的功能，實現終端與地面監控中心的雙向通訊功能。

（8）該系統能識別多張不同號碼的識別卡，具備高速識別的功能，能識別移動速度小于100Km/h的高速移動目標或是靜態目標。

（9）系統可容納不低于 64個位置監測分站，單臺位置監測分站可瞬間同時識別 200 個以上的人員標識卡。乘架空乘人裝置或是送人車的職工無需下車，在識別卡進入監控分站的探測區域后，就可瞬間完成人員的自動識別和定位。

（10）識別區域無方向性、無盲區，分站射頻場功率遠遠小于手機的射頻功率，對周圍環境無電磁污染，對人體健康沒有影響。

（11）井下監控分站安裝獨立的備用電池組，當井下監控分站由于通訊故障或是供電故障不能與地面實現實時通訊后，分站仍可以獨立工作，自動存貯人員定位信息兩個小時，當通訊恢復后，地面監控主機自動讀取監控分站人員信息，從而實現不間斷監控。

（12）系統可進行職工信息記錄、 顯示、查詢、編輯、增減、網絡通信等功能。

（13）可以通過網絡遠程訪問和查詢各類數據。

（14）門禁功能。由于當前實現區域限員的規定，該系統可以根據要求自動識別進去重點區域人員及權限，如超過限制人數或是不具備權限人員進入該區域，系統自動發出聲光報警信號，并將該報警信息及人員信息傳輸至地面監控中心。

（15）假如下井人員超時進入某區域或是長期不運行，系統自動發出聲光報警信號，并將該報警信息及人員信息傳輸至地面監控中心。

（16）當攜卡人員遭遇緊急情況時，可向上位機發出緊急呼救或告急報警信息。

（17）礦井某一區域發生安全事故，監控中心可依據本系統提供的準確位置信息，在第一時間掌握被困人員的具體位置，便于開展事故救援工作，同時向相關人員發出撤離信息。

4 于UWB TDOA高精度定位技術

基于UWB TDOA的定位方法又稱為雙曲線定位，其原理是通過測量不同監測地點的天線單元時間差，來對發射無線電信號的發射源進行精確定位，是一種先進的定位技術，根據兩站之間的時間差轉換成距離差，可以得到一條雙曲線，通過三個或多個監測分站得到的時間差，可以得到多個雙曲線從而提高來定位精度。再利用相關函數法、廣義相關法、相位譜法、高階累計算法計算出精確的位置信息。

TOA即“到達時間”，這種方式定位是通過Anchor和Tag之間的多次通信實現的，如下圖：

（1）Anchor首先發給Tag一個包，同時記錄下Anchor當前的時間信息，記為T1。

（2）Tag收到基站的信息，返回一個ACK。

（3）Anchor收到Tag的ACK，記錄當前的時間信息，記為T2。

（4）Anchor計算時間差Tr = T2- T1，并且根據此計算出距離。

d = c * Tr / 2其中c為光速。

結束語 高精度的人員定位系統是集嵌入式系統、信息采集系統、無線數據傳輸系統、網絡數據通信、自動控制、精確定位技術等多學科綜合應用的自動定位信息技術，具有廣泛的應用前景。