煤矿精确人员定位系统研究与设计

2021-01-12张靓

山西电子技术 2021年4期

张靓

(山西国控集团信息工程技术有限公司，山西太原 030001)

0 引言

当前煤矿、非煤矿、隧道施工环境艰苦恶劣，工种危险系数高，工作人员多、设备多、车辆多，企业管理相对困难，特别是煤矿井下作业人员活动范围和流动性大，若事故发生后没有精准定位识别手段,就不能及时了解井下人员情况及所在位置，必将造成救援时间的延误和救援资源的浪费。近年来，国家对煤矿安全生产工作的要求越来越高，目前煤矿安全生产监控、监测设备和技术已无法满足国家队煤矿现代化的要求。为了加强煤矿信息化建设，提高安全生产水平，迫切需要提高监测水平，配备高效且精准的人员、车辆等安全管理系统。经研究，目前UWB(Ultra Wide band)超宽带技术的第三代无线识别系统，其定位精度达10～30cm。本文基于UWB超宽带技术研究并设计煤矿人员精确定位系统。这一系统可综合应用于煤矿人员日常考勤、定位跟踪、灾后急救、车辆轨迹追踪等。

1 设计原则

1.1 自动化程度高

系统能自动实现考勤作业人员的统计与管理，实现检测井下作业人员经过监测点的时间、地点信息；人员超出工作时间或班末发现井下作业人员统计异常，系统会自动报警等。

1.2 通信系统先进

井下各巷道安装的识别系统，能够将井下作业人员通过时的数据，实时传送给服务器，全过程实现自动识别。

1.3 数据统计与信息查询功能

系统提供软件配备有专用的数据库管理系统，能够完成井下作业工人通过各巷道的信息采集及统计分析；完成井下作业人员的考勤统计与管理分析；并能显示、打印各种统计报表资料等。能够为煤矿各级管理人员的查询与管理提供完整准确的服务。

1.4 重点、限制区域安全监测

系统能够对各个井下作业人员出入井口，尤其是重点区域出入口、限制区域等进行全方位监测，能够实现全区域统计和出入方向判断；并能重点对防冲开采工区域进行限员管理，为防冲开采工区矿井提供科学高效的管理手段，避免防冲开采工区域内的安全隐患。

1.5 双机热备

主机若出现故障，备机实时启动切换，自动投入工作，能够确保数据的安全。

1.6 可靠性高，易于扩容，安装维护简便。

2 设计方案

2.1 地面中心站设备配置

地面中心站负责整个系统的设备及井上井下作业人员检测数据管理、读卡分站屏幕显示、画面编辑、网络通讯、实时数据传输、存储统计、打印查询等任务。系统软件主要完成井上井下作业人员识别、信息编码、采集、存储、显示、加工、查询和报表打印等。

配置Web发布服务器，对内网进行网络Web发布，可以查询，打印各类报表,同时发布三维GIS地图服务。在三维GIS(Geographic Information System)地图上显示人员、车辆、设备各类元素的状态。可以在三维GIS地图上实时定位、实时追踪人员和车辆，也可以对人员车辆等以三维方式进行历史轨迹回放。在副井口部署LED井口显示大屏，重点显示井下总人数，副井口人员明细、井下带班领导、井下各部门人数、重点区域、限制区域、防冲区域人数等信息。各服务器操作终端均通过网线连接到调度中心核心交换机上，其余设备通过接入交换机汇入工业以太环网中。

2.2 系统连接方式

系统传输信号设计通过工业以太环网实现。矿用本安型分站、信息传输接口、读卡器等全部与井下工业以太环网相连接。

2.2.1 硬件接入

系统中的矿用本安型分站可以就近接入环网交换机中，也可以通过分站级联方式接入井下环网中，读卡器可以就近接入环网交换机网络接口，也可以通过通信电缆连接到矿用本安型分站中，本安型分站与本安型分站之间也可以通过分站自带的无线桥接功能进行无线桥接(无线桥接距离不低于400m，带宽不低于50Mbps)，以节省光缆、电缆等布线。本安型分站之间可以进行光纤级联。

2.2.2 软件接入

1000M以太网卡及数据交换接口由系统上位机提供；数据交换优先采用数据库共享方式；系统上位监控软件全面提供共享数据库；数据存取调用的接口程序清单及数据格式清单由各种自动化平台提供。

2.3 井下设备配置

井下作业人员管理系统进行设计，严格执行《AQ1048-2007煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》的要求。矿用本安型分站设置分布原则如下：

1) 人员密集场所、人员正常工作行进路径上设置矿用本安型分站。

2) 重要的工作场所设置矿用本安型分站。

3) 采煤工作面回风巷道和进风巷道都设置矿用本安型分站。监测该工作面内作业人员情况，同时具备限员管理功能，可以声光提示现场报警、视频联动报警、地面软件主动报警等方式进行人员进入限制，现场配置LED屏，显示采煤工作面内的人员详细情况。

4) 掘进巷道设置矿用本安型分站。监测各掘进巷道内人员情况；同时具备限员管理功能，可以声光提示现场报警、视频联动报警、地面软件主动报警等方式进行人员进入限制，现场配置LED屏，显示掘进工作面内的人员详细情况。

5) 各出入井口配置矿用本安型分站。监测入出作业人员情况并进行下井作业人员考勤。

6) 特殊区域、重点区域入口如重点危险巷道、炸药库入口、变电所等区域，设置矿用本安型分站。检测是否有人员进入；使用白名单制度，可以对进入人员进行识别，非白名单人员现场进行语音报警、识别卡声光震动报警、地面上位机主动报警等方式进行管理。

7) 采取多煤层开采、多采区或者两翼开采的矿井，要在每一个区域进出口设置矿用本安型读卡分站。检测每个区域的人员情况，以便管理。

8) 智能分站之间可采用电缆、光缆、无线桥接等多种连接方式，主传输线路接入环网系统，也可以由基站之间使用星型加树型的混合拓扑结构，方便在煤矿矿井下安装部署。

9) 智能分站无线模块采用开放的WIFI协议。使用标准WIFI协议的设备或移动终端都可接入到智能分站，实现煤矿安全生产管理各个子系统的无线数据传输和无线通信功能。

10) 矿用本安型信息矿灯以本安矿灯为载体，采用模块化设计集成UWB精准定位、信息显示屏等模块，具有精确定位、声光、震动报警，文字信息，紧急呼叫，信息确认等功能。采用定位模块可拆卸设计，可以把精确定位模块进行单独更换实现不换卡功能，节省用户投资。

11)系统设备采用标准TCP/IP协议，具有远程WEB管理功能，维护操作简便，管理功能可独立也可在系统整体管理界面实现。

3 功能及特点

3.1 可靠的信息识别

UWB定位技术利用超宽带脉冲信号实现高精度的实时定位，采用TOF(Time of flight信号飞行时间)到达时间差的算法，同时结合其高带宽、高波形分辨率，使其具有抗干扰性强、定位精度高等特点。达到实时静态和动态精准定位，静态状态下小于30cm，动态状态小于1m。

3.2 分站语音报警

地面上位机可以通过输入文字下发到分站的方式进行语音提示管理。无论是询人、报警、下发指令等管理均可编辑文字信息下发到矿用本安型分站，分站屏幕提示文字信息内容，同时分站扬声器播放语音(系统自动将下发的文字信息转化为语音内容)，播放次数可根据实际情况进行设置(1-100次)。

3.3 远距离无线覆盖

识别卡与无线矿用本安型读卡分站的双向通讯距离(空间无障碍)不小于400m。

3.4 实时显示井下人员动态

矿用本安型读卡分站通过采集识别卡的信息，把井下作业人员、车辆和设备信息实时收集、传输到监控主机，并实时、动态地显示出来。该定位系统还具有强大的统计、查询功能，井下一旦发生灾变，可以根据定位系统人员分布情况，及时有效提供最佳救援路线。定位系统也可提供多种类型的报表，为管理人员提供井上井下作业人员活动等情况的智能分析。

3.5 人员考勤管理

每个下井人员的下井时间和升井时间都被系统实时记录，按照不同井下作业工人工种的时间规定，判断是否全勤足班，进而判断该次下井是否正常有效。同时，系统可形成井下作业工人考勤统计报表，并能供财务软件直接调用，减轻了人事管理部门的劳动强度，极大地提高了工作效率。在精确人员定位系统内，还可以实现多种班次并存考勤，实现灵活考勤。