五里堠煤業(yè)井下人員定位系統(tǒng)設計與應用

齊瑞宏

（山西潞安集團 左權五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權 032600）

1 概 況

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是煤礦開采安全可靠運行的重要保障，關系著井下作業(yè)人員的生命安全及工作效率。五里堠煤業(yè)現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)存在定位精度不足、抗干擾及穿透能力差等問題，針對這些問題，進行了煤礦井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 方案設計

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，精準定位井下人員困難，對系統(tǒng)數據采集的準確性和可靠性要求較高。基于上述問題，以五里堠煤業(yè)為例，提出了借助工業(yè)以太網完成移動標簽和定位分站之間測距數據的傳輸，由上位機進行數據處理。設計完成的煤礦井下人員定位系統(tǒng)方案如圖1 所示。系統(tǒng)主要包括井上和井下兩部分，前者由監(jiān)控中心、LED 大屏、遠程監(jiān)控終端等組成，后者由移動標簽、定位分站、礦用網絡交換機等組成。

圖1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)方案Fig.1 Scheme of personnel positioning system in underground mine

2.2 功能實現(xiàn)

煤礦井下人員定位系統(tǒng)涉及信號檢測、信息收集與傳輸和數據處理與應用3 個層次。信號檢測層設置于煤礦井下，包括測距基站和定位標簽，主要實現(xiàn)實時監(jiān)測井下移動目標位置的功能，為了保證數據采集的可靠性，基站和定位標簽通信采用UWB；信息收集與傳輸層作為信號檢測層與數據處理與應用層之間的重要紐帶，負責收集無線電信號并做初步的信息處理，將處理的信息傳輸至上位機，數據傳輸方式采用以太網；數據處理與應用層包括監(jiān)控終端、上位機等，負責接收井下采集得到的位置數據，按監(jiān)控人員的需要進行數據分析處理并實時顯示。

3 硬件設計

3.1 定位標簽

定位標簽跟隨井下人員一起運動，通過收發(fā)射無線信號的方式實現(xiàn)井下人員目標的識別與定位功能，對位置數據進行實時存儲。定位標簽結構原理如圖2 所示。系統(tǒng)處理器選擇32 位的cortex-m3芯片，工作頻率72 MHz，程序運行存儲空間128KByte，20KByteSRAM；配套使用型號為24C512的存儲芯片，實現(xiàn)設備的識別與數據的存儲，通過IPC 總線實現(xiàn)與處理器間的通信；隨井下人員移動的定位芯片的型號為DW1000，支持EEE802.15.4-2011 協(xié)議，具有UWB 信號的收發(fā)功能，收發(fā)天線使用陶瓷天線，型號為ACS5200HFAUWB；時鐘單元配置38.4 MHz 晶體振蕩器，供電電源使用鋰離子蓄電池。

圖2 定位標簽結構原理Fig.2 Positioning label structure principle

3.2 定位分站

定位分站設于煤礦井下，主要作用是定位標簽的通信，運用SDS-TWR 測距算法計算得出定位標簽之間的距離，基站系統(tǒng)結構組成如圖3 所示。主控單元選擇32 位高性能cortex-m4 芯片，工作頻率最大值為168 MHz，具有15 個通信接口；存儲芯片選擇型號為AT24C512，負責存儲數據與設備的識別，通信方式為IPC 總線；時鐘單元選擇石英晶體振蕩器，工作頻率為32.768 kHz；定位通信單元由定位芯片和天線組成，選擇型號為DW1000 的芯片進行射頻收發(fā)工作，支持IEEE802.15.4-2011 協(xié)議，通信距離可達300 m，配合外置陶瓷天線使用；有線通信模塊采用LAN8720A 芯片，具有標準以太網通信接口；定位分站的供電采用鋰離子蓄電池。

圖3 定位分站結構原理Fig.3 Structure and principle of positioning sub-stations

4 軟件設計

4.1 數據收發(fā)程序

數據的收發(fā)主要是指定位標簽與定位分站之間的數據傳輸，定位標簽與定位分站之間數據收發(fā)使用的是UWB 無線定位系統(tǒng)。數據收發(fā)時首先需要啟動無線天線和定位標簽，數據采集裝置開始實時采集定位標簽的位置坐標，之后轉換為無線信號，通過無線天線傳輸至定位基站無線信號接收裝置，定位基站對信號進行處理并實時顯示定位標簽的位置。定位基站向定位標簽發(fā)送數據的程序與接收數據的程序基本一致，只是數據傳輸的方向相反，為數據發(fā)送流程如圖4 所示，首先將待發(fā)送數據轉化為無線信號，確定需要發(fā)送之后進行數據發(fā)送，等待定位標簽確定接收到定位基站數據之后，數據傳輸程序結束。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of monitoring syste

圖4 數據發(fā)送流程Fig.4 Data sending process

4.2 定位標簽測距程序

煤礦井下人員定位系統(tǒng)中的定位標簽測距主要指測量定位分站和定位標簽之間的距離，基于SDS-TWR 測距算法設計了定位分站和定位標簽之間距離的測量流程。測距程序啟動之后需進行初始化，之后由定位基站發(fā)送測距數據包，同時，記錄數據發(fā)出的時間，定位標簽收到有效數據信息之后發(fā)出ACK 返回信號，定位分站接收到ACK 信號后停止計時，得到數據測距包往反用時，結合數據測距包的傳輸時間，即可計算得到定位分站與定位標簽之間的距離。

4.3 定位數據上傳程序

完成井下定位標簽位置及距離的測定之后，通過工業(yè)以太網將數據由定位分站傳輸至地面的人員定位監(jiān)控系統(tǒng)的上位機進行實時顯示。監(jiān)控人員可以依據獲取的井下作業(yè)人員位置信息進行人員調整與調度，提高井下作業(yè)人員的工作效率；一旦煤炭掘進過程中出現(xiàn)險情，監(jiān)控人員能夠及時搜救或者提供逃生指導，保證煤礦井下作業(yè)人員的安全。

5 人機交互界面設計

人機交互界面是煤礦井下人員定位系統(tǒng)的重要組成部分，主界面如圖5 所示。監(jiān)控系統(tǒng)主界面包括了人員軌跡的查詢、人員分布查詢、人員信息的查詢、出入井時間的統(tǒng)計以及電量不足卡報警等功能，通過點擊對應的按鍵即可實現(xiàn)功能界面的切換，滿足監(jiān)控人員的監(jiān)控需求。

圖5 所示為監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of the monitoring system

6 結 語

為了驗證煤礦井下人員定位系統(tǒng)設計的合理性和可行性，在五里堠煤業(yè)進行實踐應用，跟蹤記錄運行實際情況。結果表明，人員定位系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足五里堠井下復雜環(huán)境中人員定位的要求。統(tǒng)計結果顯示，相較于原人員定位系統(tǒng)，應用改進人員定位系統(tǒng)之后，實現(xiàn)了井下人員100%定位，降低了近8%的井下人員調度時間，預計為煤炭企業(yè)新增經濟效益近60 萬/a，取得了很好的應用效果。