關于煤礦井下人員定位系統的應用研究

李 冰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

隨著國家多元化結構的快速發展，煤礦資源的市場需求在逐年增加。由于煤礦作業環境具有復雜性及惡劣性，使得有效保證井下人員及設備的安全、提高煤礦生產率成為當前政府考核企業的重要安全指標[1]。據統計，俄羅斯單個井下事故造成的人員死亡為0.7人，而中國2018年的煤礦安全事故近300起，造成了近400人死亡。其中，礦井的智能化程度較低，無法實現對礦井中作業人員進行有效定位和監控，是導致人員傷亡的重要因素之一[2]。提高礦井的智能化程度，將當前成熟的智能化控制技術應用到煤礦開采生產中，實現對礦井人員的實時定位和實時救援，成為降低煤礦事故率及人員傷亡率的重要途徑。為此，對井下人員定位系統的總體方案研究及關鍵分系統進行設計。

1 現有人員定位系統存在問題

隨著國家技術水平的不斷提升，人員定位系統已在一定范圍內被應用到了礦井的人員實時定位作業中，雖在一定程度上提升了井下人員的作業安全，但此系統僅限于規模較大的煤礦企業，大部分中小煤礦企業均未安裝此系統。同時，由于井下環境復雜，此系統易受各類信號干擾，在使用中也出現了較大問題，具體如下：

1）定位系統的運行速度相對較慢。當井下人員數量相對較多時，系統存在讀卡速度慢、數據傳輸滯后、系統運行不暢等問題，造成了經常出現人員漏讀現象，人員定位的數據檢查全面性較弱[3]。

2）所傳輸的數據存在穩定性較差。井下環境中經常會有各類干擾信號，定位系統大多采用射頻卡讀取數據，運行時常受到此些干擾信號影響，整體抗干擾能力較弱。

3）整體智能化程度相對較低。當前系統僅能對人員的具體位置進行定位，且定位精度相對較低，當人員發生異常情況時，無法對人員實時應急救援，系統也無法對人員情況進行準確報警及界面顯示[4]。

因此，在現有人員定位系統基礎上，有必要設計一套數據傳輸速度快、定位精度高、響應迅速、聲光及顯示一體的新型人員定位系統，當井下發生故障災害時，實現對井下人員的精準定位和及時救援，這對保證井下作業安全及人員生命安全意義重大。

2 人員定位系統的總體設計

結合當前人員定位系統存在的問題，開展礦井人員定位系統的升級優化設計。該定位系統結構包括信息檢測分系統、信息接收分系統、數據處理與顯示分系統等部分，具體結構主要由定位標簽、定位基站、控制網井下交換機、信息傳輸接口、監控主機及LED顯示大屏等構成[5]，如圖1所示。其中，定位標簽及定位基站主要對井下人員或移動物的位置進行實時監測及信號采集，兩個部件之間的數據通過無線通訊模塊進行信號傳遞。控制網井下交換機、信息傳輸接口等對傳輸信號進行分析、計算處理，是整個定位系統的核心部分。經過分析處理后的數據信息通過RS485通訊方式被傳輸至地面監控主機及LED中得以實時顯示，當人員或移動物出現異常問題時，可通過定位標簽發出求救信號并在LED顯示屏中實時顯示。救援人員可通過此界面及異常信息有針對性地對人員開展及時救援工作。整套系統具有高效數據處理、異常問題報警、人員定位考勤及工作狀態實時監控等功能，大大提高了礦井的工作效率及作業安全性。

圖1 人員定位系統總體方案

3 定位系統中主要分系統的設計

3.1 定位基站的設計

定位基站作為定位系統的關鍵部分，通過設置的測距算法，與定位標簽進行實時通信，完成對人員位置信息的收集及距離測定工作。整個基站的硬件包括主控單元芯片、存儲芯片、時鐘單元模塊、定位通信模塊、通訊電纜及電源等部分。其中，所設計的基站主要采用32位的cortex芯片，工作頻率為168 MHz，具有待機、休眠或停機等多種功能模式，具有多個RS485通信接口，能實現對多路信號的實時通訊[6]。同時，采用32 kHz的石英晶體振蕩器作為其時鐘單元。定位通訊模塊是整個基站的核心，采用DW1000的射頻收發芯片，通訊距離可達500 m，射頻發生范圍為3～10 GHz，傳輸速度為7 Mbit/s，能較好地滿足定位系統的距離定位需求。對電源的設計采用12 V和24 V直流鋰電池，可滿足井下八小時的正常作業需求。對通訊模塊的設計則采用LAN8720A芯片，基于以太網進行通訊。在完成基站的建立后，通過RS485接口及其他端口與無線通信單元進行電路通訊，以獲取定位標簽中的具體數據信息，其連接電路圖如圖2所示。

3.2 定位標簽的設計

圖2 基站與無線通訊單元連接電路圖

圖3 定位標簽原理圖

在定位系統中設計定位標簽無線接收設備，此設備可隨身攜帶或被安裝于移動物品上，可對人員及移動物品的具體位置進行有效識別，所采集的數據信息通過無線定位通訊單元被發送至定位基站中。該無線接收設備包括定位芯片、天線、電源、處理器等部件，能通過處理器對數據進行分析處理及存儲，其原理如圖3所示。為此，選用市場上成熟的32位cortex型定位芯片，最高工作頻率為72 MHz；選用24C512的存儲芯片，可對定位數據進行存儲及識別。電源單元則主要由電池、電壓轉換及充電管理器等組成，可通過DC/DC轉換器，將電池中的直流電壓轉換為其他部件需要的電壓值，電源芯片型號為ASM1117，充電管理芯片型號為TP4056。在完成定位標簽對其設計后，需通過RS485通訊接口與無線定位通訊單元對其進行連接，以實現自身移動數據向定位基站的傳輸，如圖4所示。

圖4 定位標簽與無線定位通訊單元電路圖

3.3 系統軟件的設計

采用Keil5對該定位系統軟件進行軟件開發，開發語言主要為C語言，以此實現對定位系統中嵌入式程度的開發，開發程序包括基站及標簽節點中的驅動程序。本軟件系統包括上層應用程序層、DW1000固件庫層、DW1000設備驅動層及DW1000物理集成電路層等，其框架示意圖如下頁圖5所示。其中，上層應用程序的設計采用TX和RX接口進行設備驅動層中寄存器信息的讀取，獲得準確的人員位置、距離等重要信息，通過SPI接口對固件層進行控制。考慮基站與標簽之間主要通過信號的相互交換來實現距離的測定，故此驅動軟件中設計DW1000芯片對信號進行接收或發送，可保證整個控制邏輯的正確性及合理性。

4 人員定位系統的測試

圖5 定位系統軟件框架圖

為進一步掌握井下人員定位系統的綜合性能，對該系統進行了為期6個月的現場應用測試，主要對該系統的人員定位功能、安全報警功能、考勤功能、定位數據保存功能等方面進行了測試評價。該系統的登錄界面如圖6所示。測試結果表明：該系統運行正常，能對人員的具體位置進行實時顯示，定位精度較高。當井下人員出現工作時間超時、進入危險作業區、系統發生異常故障等現象時，該系統能及時發出相應的安全報警，并將相關數據信息進行實時保存。在考勤方面，該系統也實現了根據需要生成日、月考勤表，實現了對人員的考勤。另外，該系統的成功應用，不僅提高了井下人員的作業安全，也減輕了企業綜合管理部門及安全管理部門人員的工作強度，系統整體運行達到了預期效果，滿足了井下人員的定位及安全報警需求，實現了井下的智能化管理。

圖6 系統登錄界面

5 結語

完成礦井中人員定位系統的設計應用，是實現井下智能化管理及建設的重要基礎。未來，基于以太網及5G通訊技術的系統建設，將是井下定位系統不斷發展的重要方向。保證所建立的人員定位系統的可靠性及穩定性，是有效保證人員及井下工作面安全的關鍵。