基于無線通訊的煤礦井下人員定位系統設計應用

許 峰

(山西焦煤集團有限責任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引 言

礦井開采屬于高危作業，保障礦井員工生命安全是煤礦開采的重中之重。由于礦井高瓦斯、高潮濕、視線昏暗以及片幫脫落、塌方等危險源，發生礦井事故具有不確定性。因此，在發生事故時，如何能夠高效率、精準性的對井下人員進行施救成為整個救援工作的關鍵。煤礦井下人員定位系統能夠實時、精準的確定井下被困人員信息，進而可提高搜救效率。國外井下人員定位系統的發展比較成熟，如利用紅外線定位技術、射頻識別技術、UWB技術等，定位精度從5～10 m逐漸精確到0.1～0.15 m，系統安全系數逐漸升高、無線信號的穿透力和抗干擾力逐漸增強，系統功耗以及成本逐漸降低[1-3]。國內井下人員定位系統的發展較為滯后，在借鑒國外先進技術的基礎上，逐漸應用煤礦考勤管理系統、無源射頻識別技術、無源雙頻RFID技術、ZigBee無線通信技術、WiFi無線通信技術、無線傳感器網絡技術等，極大的提高了井下人員定位精度，保障了井下人員生命安全[4-6]。但是，煤礦企業實際應用上述人員定位系統時還有以下問題：①定位精度低，還停留在區間定位，無法滿足厘米級定位精度；②定位標簽卡較少，遠小于煤礦安全規程中規定的65 000個；③無法將人員位置顯示在地圖上并實現信心共享；④人員定位系統只能單向通信，無法接收來自井下人員的信息。文章針對上述問題，設計基于無線通信的煤礦井下人員定位系統，重點通過對井下人員定位系統功能需求及實際工況進行分析，設計井下人員定位系統方案，達到井下人員實時精準定位、保障生命安全的目的。

1 基本原理

WiFi是基于IEEE 802.11的無線通信手段，通過WiFi基站周期性的獲取覆蓋范圍內的WiFi終端無線信號，并通過一定的算法估算該終端距離基站的距離以及位置坐標。基于WiFi無線通信的定位方位有如下四種[7-8]：①基于到達角定位，即基站A、基站B同時檢測待測終端信號到達角度差，并利用角度測量方法計算該待測終端的位置坐標；②基于達到時間定位，即待測終端發送信號并達到基站A、基站B，計算信號發出、信號返回的時間差，估算待測終端與基站之間的距離；③基于到達時間差定位，即待測終端向基站A、基站B發射不同強度的信號，并分別計算達到時間以及到達時間差，得到待測終端與基站之間的距離；④基于RSS定位，即根據信號接收強度估計待測終端位置。文中采用RSS定位方法。

2 定位系統設計

2.1 功能要求

煤礦井下人員定位系統是保障煤礦井下工作人員生命安全的重要措施，需實現的功能為：①精確定位，即定位精度小于等于30 cm，實時巡檢周期小于等于5 s；②故障報警，即人員超時、人數超限報警，杜絕超時、疲勞工作，杜絕工作面人員超出最大限額；故障報警還包括危險區域預警，即當井下工作人員誤入危險區域后發生聲光語音預警并反饋至地面監控平臺提示管理人員作出警示處理；③雙向呼叫，即地面監控平臺可以向井下定位標簽發出指令；井下工作人員可通過攜帶的標簽發出求救信息；④數據存儲，即對標簽卡數據定期存儲并可歷史回溯；⑤GIS顯示，即可在地圖上顯示井下人員定位位置。

2.2 總體設計

基于無線通信的煤礦井下人員定位系統總體設計如圖1所示，分為井上、井下兩部分。

圖1 煤礦井下人員定位系統總體設計

井上部分為人員定位系統監控平臺，井下所有數據經地面交換機傳送至地面監控平臺，可實時顯示井下定位標簽位置坐標信息并在GIS地圖中動態展示。該監控平臺可接收井下定位標簽的“求救”信號并迅速定位；還可以發送控制命令，對指定定位標簽進行控制。井下部分由區域控制器、井下交換機、定位基站分站以及定位標簽組成。布置到井下人員衣服或者設備機身的定位標簽以WiFi無線通信模式實時、周期性的將自身位置坐標信息上傳至定位基站分站，然后經區域控制器處理后經井下交換機上數據上傳至地面。

2.3 定位基站設計

煤礦井下人員定位系統定位基站結構設計如圖2所示，由主控制器模塊、射頻模塊、以太網接口模塊以及電源管理模塊組成。井下所有定位標簽信息通過定位分站基站以TCP/IP通信模式上傳至地面監控平臺，A0定位基站負責分配并管理各定位分站基站接收定位標簽數據的時隙，保證信息上傳的實時性和準確性，不發生數據碰撞。

圖2 定位基站結構設計

2.4 定位標簽設計

煤礦井下人員定位系統定位標簽結構設計如圖3所示，主控芯片為STM32103C8T6，以IO模式控制蜂鳴器報警模塊，以SIP通信模式控制DWM1000射頻模塊，電池管理單元以CAN總線通信模式為上述三個模塊供電。定位標簽一般固定于井下人員衣服或者井下作業設備機身，外形尺寸要小且便于攜帶。另外，定位標簽還需功耗低、處理速度快。

圖3 定位標簽結構設計

3 應用效果分析

(1) 定位精度試驗 選取煤礦井下10個位置點坐標值并對實際坐標值進行記錄，利用設計的基于無線通信的人員定位系統對上述10個位置點進行定位并記錄定位到的位置坐標。對前后兩次試驗得到的位置坐標點進行誤差分析，得到誤差絕對值和相對值大小，進而驗證該人員定位系統的正確性和可信度。該定位系統的相對誤差、絕對誤差曲線圖如圖4所示，平均絕對誤差為0.389 1，平均相對誤差為14.939%，實際誤差距離小于30 cm,即利用該人員定位系統后，定位坐標值與實際坐標值接近,有應用價值。

(2) 定位標簽試驗 根據煤礦井下基站分布情況，基于無線通信組網理論，重新布置井下定位標簽并不少于65 000個，增強人員定位的準確性。實際布置井下定位標簽65 107個。

圖4 煤礦人員定位系統相對誤差與絕對誤差曲線

(3) GIS顯示試驗 打開GIS地圖界面后，可點擊工具條中的放大、縮小、漫游、全圖、前一屏、后一屏、放大鏡、點選、測距以及縮略圖等工具后，地圖可進行相應的變化。對指定定位標簽在地圖中顯示，并以紅色五角星標注并可實時顯示行動軌跡。

(4) 雙向通信試驗 利用布置的煤礦井下定位標簽，發出“求救”信號，觀察地面監控平臺是否可以接收到該信號。實際測試時，測試10組定位標簽，向地面發送“求救”信號，地面監控平臺可實時、準確的接收到該信號。

4 結 語

煤礦井下人員定位系統是保障井下人員安全的必要措施，是保證煤礦安全生產的必要手段。文中建立以WiFi無線通信技術為核心的煤礦井下人員定位系統，實現了井下人員、井下設備的高效、精準定位，定位精度小于30 cm；擴展了井下定位標簽，完善了井下無線定位系統；實現了井上監控平臺、井下定位標簽數據的雙向通信，提高了井下定位效率；為煤礦安全、高效生產提供了強有力的保障。