王云平

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司 ，山西 晋中 030600）

采用传统区域定位技术的矿井人员定位和跟踪管理系统由于在定位精度以及人员实时跟踪管理等方面存在严重不足，特别是突发灾害（时，既不便于及时快速地采取有效应急措施，也不便于救援人员快速判断被救人员和重要设备的当前精确位置等情况。左权阜生煤矿井下人员精确定位系统采用先进的线性调频扩频UWB技术，实现井下重要区域无线全覆盖，定位精度不大于10m,理想状态下可达到3米，同时识别定位不少于80张；另一方面，能够兼容目前市场上的区域定位系统，在保证定位精度的前提下，能够最大限度地降低投入成本。下面对井下人员精确定位系统进行分析研究。

1 系统架构分析

系统主要由监控计算机、系统软件、人像唯一性检测装置、人员管理分站、主读卡器、辅读卡器、精确定位标识卡、以太网通讯平台等组成，如图1所示。

监控主机：负责整个系统设备监测数据的管理、分站实时数据通讯、统计存储、显示、查询打印等任务。

系统软件：接收井下上传的测距定位信息，进行信息加工及井下实时精确位置信息动态显示、存储、查询和报表打印。

以太网通讯平台：负责地面监控主机与井下分站间信息传输通道，实现信号远距离有线高速传输。

图1 精确定位系统结构示意图

人员管理分站：分站周期性巡检主、辅读卡器，收集实时位置数据信息，进行逻辑分析处理，计算人员的精确位置信息，与中心站进行通讯，实现数据上传；接收中心站命令并进行转发给读卡器，实现地面命令的快速下发。

主读卡器：该设备能够实时接收巷道内覆盖范围内精确定位标识卡发送的定位信息，计算出精确定位标识卡距离主读卡器的距离，能够接收区域定位标识卡。

辅读卡器：该设备能够实时接收巷道内覆盖范围内精确定位标识卡发送的定位信息，计算出精确定位标识卡距离辅读卡器的距离，能够接收区域定位标识卡。

精确定位标识卡：承载唯一的人员编码信息，能够与主辅读卡器分别进行测距通信，实现精确位置定位；能够发送求救命令及电池电量欠压信息；能够接收上位机命令，通过生、光及震动等方式进行提示。

2 系统工作原理

KJ251A人员精确定位管理系统分为三级控制网络。监控主机、监控备机、网络服务器及地面交换机等为第一级网络，负责数据的汇集、分析处理、存储、显示、发布、调度任务编制及执行；以太网通讯平台、人员管理分站组成第二级网络，负责把采集的信息及时上传，地面命令快速转发；主、辅读卡器和精确定位标识卡组成第三层网络，负责实时测试精确定位标识卡与读卡器间的距离，判定人员准确位置信息。

系统双向TOA测距算法，测距原理如图2所示。

图2 基于TOA算法的测距原理

信号单纯的传输时间为d，则整个测量过程中，产生了四次测量过程4d，以及2次回复等待时间（TReply,A；TReply,B）；可以计算出单次测量时间。

由 于 TRound,A，TRound,B，TReply,A，TReply,B均能测量出来，故单次信号传输时间、传输距离也能够计算出来。

3 系统主要功能特点

1）实时精确定位功能：能够自动实时跟踪定位井下所有作业人员的精确位置信息，定位精度可达3m，最大定位误差不超过10m，地面中心站动态刷新井下作业人员的精确位置信息；

2）兼容区域定位功能：系统能够实现一张标识卡即可进行精确定位，还兼容目前大量推广的单、双向区域定位系统，便于煤矿在安全区域使用区域定位模式，在采掘工作面等危险区域使用精确定位模式，降低投入成本；

3）防作弊（携卡唯一性检测）功能：结合人像识别系统，确保一人一卡，入井人员信息的准确性；

4）信号全覆盖功能：单台读卡器覆盖距离不少于200m,运输大巷等条件好的区域可达到300m,实现井下重要巷道及区域全覆盖，确保信号无盲区；

5）欠压报警功能：精确定位标识卡能够对电池电量进行周期性检测，通过液晶显示电量状态，欠压状态下可在中心站进行欠压提示；

6）自诊断功能：系统实时监测网络范围内各设备的运行状态，跟踪诊断设备故障点及故障类型，并对诊断结果进行报警提示；

7）考勤功能：系统能够实时地记录作业人员出入井时刻；自动生成井下作业时间；可对全矿员工进行月考勤。

8）“一卡通”功能：通过一张标识卡，既能保证井下精确定位跟踪，也能实现班前会管理、地面营养餐厅用餐、矿灯管理、澡堂用水管理、便携仪管理、门禁等一卡通信息化管理。

9）巡更管理功能：通过跟踪瓦检员井下作业轨迹，使井下瓦斯巡检工作可视化，加强安全管理。

4 设备性能和功能

4.1 主监控计算机

1）研祥工控机P43.0/1G/160G/17LCD/双网卡，数量为2台，其中1台为备用监控主机，监控主机和备机之间安装双机热备软件，提高系统运行稳定性及速度。

2）监控主机运行胶轮车管理软件，对井下胶轮车进行实时定位信息进行收集、分析处理、存储及显示，对井下胶轮车动态可靠自动调度。

3）能够在主机上对井下设备重新定义，实现网络的实时增减。

4）备用机进行数据备份，统计生成各种实时信息，供系统管理员进行车辆信息分析处理及系统维护管理。

5）备机可作为服务器，对检测的有效信息数据进行网络发布，实现网络化管理。

4.2 KJ251-F8矿用本安型分站

KJ251-F8型矿用定位分站可挂接多个主、辅读卡器，能对下级智能设备等进行连续监测，具有信号采集和通讯功能，通过工业以太网能及时将监测到的人员精确位置信息封包传送到地面中心站，并转发中心站发出的各种命令。具有数据采集、存储、处理、显示、红外遥控及远距离通讯等功能，中断情况下可存储信息不少于4000条信息。

4.3 KGE116D型精确定位标识卡

定位卡基于煤矿井下传输特性好、衰减小的2.4GHz的载波频段；采用一次性电池供电，是一种有源射频识别卡。整个电路设计为本质安全型。该定位卡功率发射功率低，对人体无害；天线增益高，实现信号的较远距离传输；工作平均电流低，可实现电池工作寿命长；采用有效的防碰撞算法，能够瞬间识别多张标识卡。

4.4 KJ251-WY唯一性检测装置

由于传统检卡考勤装置不能彻底杜绝不带卡、携带坏卡入井现象；更严重的是，部分人员为了增加考勤数量，造成多带卡、替代卡现象普遍存在，导致井下人员数量统计不准确，入井人员身份信息存有差错。

该装置采用先进的身份识别技术、短距离快速测试技术及拥有专利的唯一性检测算法，加强出入井人员携卡管理，满足AQ6210-2007和AQ1048-2007对出入井人员验卡及携卡唯一性检测要求。通过出、入井人员自动逐一检测，实现了其身份核对确认；准确判断是否携带标识卡、标识卡是否完好及欠压；准确检测入井人员携卡数量，发现多带卡则立即进行声光提示，并实时记录。整个过程检测准确、快速高效、显示直观、无行为约束及人工干预，彻底解决了虹膜识别速度慢、不直观、对人员行为约束性强的应用难题，实现了出入井人员快速验卡、准确统计及身份确认。

5 总 结

对山西潞安集团左权阜生煤矿井下人员精确定位系统进行了分析研究，分析了系统的架构分析和系统工作原理，阐述了系统的主要功能特点，对系统的关系设备性能和功能进行了说明。该系统能满足左权阜生煤矿井下人员实时跟踪管理的需求，可以在灾害发生时快速的做出有效的应争措施。