煤礦井下人員跟蹤定位安全管理系統(tǒng)研究分析

任興元 （天津財(cái)經(jīng)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)系 天津300222）

1 研究的目的和意義

近年來，煤礦高瓦斯礦井的數(shù)量不斷增加，如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)，提高搜救工作效率，擺到了國家各級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的面前。調(diào)查分析近期幾個(gè)煤礦發(fā)生的特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)：地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)；地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，進(jìn)行精確人員定位；一旦煤礦事故發(fā)生，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，搜救效果差。

為此，如何正確處理安全與生產(chǎn)、安全與效益的關(guān)系，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速履行煤礦安全監(jiān)測(cè)職能，有效進(jìn)行礦工管理，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作顯得尤為重要和緊迫。同時(shí)如何改變目前煤礦企業(yè)對(duì)井下人員落后的管理模式，如何實(shí)現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化也成為所有煤礦企業(yè)關(guān)心的問題。面對(duì)新形勢(shì)、新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，國家各級(jí)主管部門的領(lǐng)導(dǎo)對(duì)安全生產(chǎn)工作提出了很高的要求和期望。因此以提升安全生產(chǎn)信息化管理水平，加強(qiáng)災(zāi)害預(yù)防、事故救助、電子信息化管理為主要目標(biāo)的信息化和智能化建設(shè)勢(shì)在必行，是我國安全生產(chǎn)工作的必由之路。

“十五”期間，煤炭工業(yè)電子信息化建設(shè)在“九五”發(fā)展的基礎(chǔ)上，圍繞煤炭工業(yè)改革發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)，以信息和知識(shí)資源的開發(fā)利用為核心，結(jié)合煤炭工業(yè)實(shí)際需要，重點(diǎn)進(jìn)行煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控、自動(dòng)控制與企業(yè)管理系統(tǒng)等方面的信息化建設(shè)工作，并納入安全生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營管理日程。為此，在總結(jié)射頻識(shí)別技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用9e5無線射頻芯片、單總線芯片組、CAN總線技術(shù)和基于G723.1的語音壓縮算法，開發(fā)設(shè)計(jì)了“煤礦井下人員跟蹤定位安全管理系統(tǒng)”。

2 實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 通過基于GIS技術(shù)的地理信息實(shí)時(shí)顯示、查詢井下情況

①任一時(shí)間井下或某個(gè)地點(diǎn)究竟有多少人，這些人都是誰。②每個(gè)人在井下任一時(shí)間的活動(dòng)軌跡。③查詢一個(gè)或多個(gè)人員現(xiàn)在的實(shí)際位置，方便調(diào)度中心可快速正確地通過對(duì)講功能聯(lián)系該人員。④查詢有關(guān)人員在任一地點(diǎn)的到/離時(shí)間和總工作時(shí)間等等一系列信息，可以督促和落實(shí)重要巡查人員（如：瓦斯檢測(cè)人員、溫度檢測(cè)人員、排風(fēng)人員等）是否按時(shí)、到點(diǎn)的進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)試和處理，從根本上盡量杜絕因人為因素而造成的相關(guān)事故。⑤應(yīng)用B/S技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)共享，供多個(gè)領(lǐng)導(dǎo)同時(shí)在不同地點(diǎn)查看。

2.2 井下人員每時(shí)每刻在坑道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布

根據(jù)井下的實(shí)際地理情況自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)圖層，使井下情況生動(dòng)形象一目了然。

2.3 實(shí)現(xiàn)主控室與井下任一人員語音對(duì)講功能

同時(shí)支持語音廣播功能。

2.4 自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出各類人員下井的各種報(bào)表

①生產(chǎn)人員的下井時(shí)間報(bào)表、出勤月報(bào)表、加班報(bào)表、請(qǐng)假或缺勤報(bào)表等管理所需依據(jù)，并可生成工資報(bào)表等。②制定和統(tǒng)計(jì)管理人員的巡查情況報(bào)表等。③其他人員如參觀、考察人員是否按要求到指定區(qū)域等。

2.5 一旦發(fā)生各類事故后的顯示

立即能查出有多少人遇險(xiǎn)，遇險(xiǎn)人員在哪里，他們是誰。

2.6 搶險(xiǎn)時(shí)采取移動(dòng)式識(shí)別裝置

更準(zhǔn)確快速識(shí)別遇險(xiǎn)人員的具體地點(diǎn)和位置，提高搶險(xiǎn)效率和救護(hù)效果。

3 技術(shù)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)井下坑道地理信息地形圖，可無限放大、查詢坑道各處的各種資料、信息，如放火及救援、生產(chǎn)設(shè)備分布信息、坑道環(huán)境信息、人員分布信息等。主要坑道安裝監(jiān)控設(shè)備，也可以將提前拍下的坑道環(huán)境的實(shí)圖存儲(chǔ)到地形圖上，為管理人員提供信息查詢資料。如果發(fā)生安全事故，動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)可知坑道內(nèi)人員的數(shù)量、名單，進(jìn)出口位置，事故發(fā)生位置，久遠(yuǎn)設(shè)備位置等信息，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)的高效運(yùn)作。具體特點(diǎn)如下：

3.1 高度自動(dòng)化

系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)井下坑道人員經(jīng)過該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間、地點(diǎn)信息，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的考勤作業(yè)、統(tǒng)計(jì)及監(jiān)測(cè)管理。

3.2 先進(jìn)的通信系統(tǒng)

安裝在煤礦井下各通道的無線信息采集設(shè)備，實(shí)時(shí)將采集到的定位信息、報(bào)警信息傳送到井下專用處理傳輸分站，并通過井下現(xiàn)場(chǎng)總線（RS485或單總線）實(shí)時(shí)向地面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳送相關(guān)人員通過的數(shù)據(jù)。

3.3 完備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與GIS技術(shù)的地理信息顯示、查詢系統(tǒng)

通過圖層管理軟件實(shí)現(xiàn)井下新開采坑道的動(dòng)態(tài)生成以及井下人員位置的動(dòng)態(tài)顯示，系統(tǒng)軟件具備專用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，包括工人通過坑道的信息采集和統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，考勤作業(yè)的統(tǒng)計(jì)與管理分析系統(tǒng)，顯示并打印各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表資料，為高層管理人員的查詢與管理提供全方位的服務(wù)。

3.4 系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)產(chǎn)品采用坑道壁掛式設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，具備防爆、防水、阻燃的技術(shù)特點(diǎn)，并提供斷電后2小時(shí)的供電電源。

3.5 完善的異常情況管理

包括終端電池欠電，節(jié)點(diǎn)、分站發(fā)生故障的報(bào)警呼叫系統(tǒng)配置。

4 設(shè)計(jì)方案與組成

系統(tǒng)由通訊主站、通訊分站、通信節(jié)點(diǎn)、通訊終端、監(jiān)視主機(jī)組成，通訊距離較長(zhǎng)時(shí)加中繼器延長(zhǎng)通訊距離。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)施工拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.1 終端設(shè)計(jì)方案

4.1.1 硬件設(shè)計(jì)方案 采用nrf9e5mcu，868 MHz，GFSK調(diào)制，PCB環(huán)形天線；鋰電池供電，供電時(shí)間≥1年；微功耗設(shè)計(jì)，待機(jī)電流≤10 μA；雙向語音對(duì)講；防水設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)微型化；LPC2B2語音壓縮和LM4860語音處理。

4.1.2 終端具體功能 定位信息主發(fā)方式9 600 BPS，每10 s一次；上位機(jī)主叫定位時(shí)指示燈顯示SOS（三長(zhǎng)三短）；ID預(yù)置；雙向語音對(duì)講；電池欠壓檢測(cè)。

4.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

4.2.1 硬件設(shè)計(jì)方案 采用nrf9e5mcu，868 Mhz，GFSK調(diào)制，PCB環(huán)形天線；電源12 VDC，范圍6～16 V；低功耗設(shè)計(jì)，待機(jī)電流≤1 mA；雙向語音對(duì)講；防水設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)微型化；短路保護(hù)；雙串口RS232。

4.2.2 節(jié)點(diǎn)具體功能 接收端點(diǎn)信息（定位、報(bào)警）上傳給分站；上電時(shí)當(dāng)外接頭有效時(shí)，即為尾節(jié)點(diǎn)，此時(shí)主動(dòng)上報(bào)ID 3次；當(dāng)下一級(jí)節(jié)點(diǎn)上報(bào)ID時(shí)加上自身ID上傳；轉(zhuǎn)發(fā)主站呼叫信息（首、中、尾）；語音轉(zhuǎn)發(fā)（終端語音上傳、主站語音下傳）；支持節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置（首、中、尾）；支持有線方式下的ID設(shè)置（經(jīng)PC）。

圖2 施工拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.3 分站設(shè)計(jì)方案

4.3.1 硬件設(shè)計(jì)方案 單總線NC7WZ07；為節(jié)點(diǎn)提供電源5～6 VDC；電源12 VDC；雙串口，一個(gè)接RS232，一個(gè)接單總線；64 kb RAM或512 kb flash；指示燈用以表示本域設(shè)備運(yùn)行狀況；配置信息掉電保持。

4.3.2 分站具體功能 負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的算法處理；負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)及本分站范圍內(nèi)的設(shè)備維護(hù)及維護(hù)信息上傳；相應(yīng)主站呼叫，上傳本域路徑配置；當(dāng)下一級(jí)設(shè)備上報(bào)ID時(shí)加上自身ID上傳（自主上傳）；接收主站呼叫，轉(zhuǎn)發(fā)主站/分站的數(shù)據(jù)信息/語音信息；申請(qǐng)語音撥號(hào)。

4.4 中繼設(shè)計(jì)方案

4.4.1 硬件設(shè)計(jì)方案 雙串口設(shè)計(jì)；單總線；電源12 VDC；后備電池。

4.4.2 中繼具體功能 透明傳輸；支持故障診斷協(xié)議，數(shù)據(jù)不透明。中繼接到主站設(shè)備維護(hù)信息后，向下一中繼發(fā)送設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)包，同時(shí)發(fā)功能碼為0x51的確認(rèn)數(shù)據(jù)包至上級(jí)設(shè)備。本中繼如果在5 s內(nèi)沒有收到下級(jí)設(shè)備確認(rèn)數(shù)據(jù)包，則將自身ID打包，發(fā)送功能碼為0x50的設(shè)備維護(hù)信息包，表示此節(jié)點(diǎn)后設(shè)備有問題。

4.5 主站設(shè)計(jì)方案

4.5.1 硬件設(shè)計(jì)方案 考慮獨(dú)立布線時(shí)能為所有設(shè)備提供12 V直流電源；每個(gè)主板管理2條總線，主機(jī)間可構(gòu)成2n條總線；具備與瓦斯傳感器共線和獨(dú)立布線功能；每個(gè)主板設(shè)置指示燈指示通訊狀態(tài)、線路故障等信息；多個(gè)通訊接口，包括網(wǎng)絡(luò)RS232；FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；每分板自帶CPU及存儲(chǔ)器/FLASH，負(fù)責(zé)本線路的設(shè)備維護(hù)及定位、語音對(duì)講等工作；主板負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通訊及支總線的管理；提供RS232及網(wǎng)絡(luò)接口。

4.5.2 主站具體功能 各條總線上的設(shè)備維護(hù)；PC指令下傳；數(shù)據(jù)信息上傳；雙向語音對(duì)講。

5 結(jié)束語

“煤礦井下人員跟蹤定位安全管理系統(tǒng)”把尖端的短距離射頻識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、語音壓縮技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，解決了煤礦井下的設(shè)備安全運(yùn)行、人員精確定位、井下礦道路徑自動(dòng)生成、設(shè)備故障自動(dòng)上報(bào)、語音對(duì)講、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口和信息處理等方面的技術(shù)難題，將為煤礦井下人員監(jiān)測(cè)、控制和跟蹤管理，以及生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)管理等方面提供有效的科技支撐，必將有力地推動(dòng)煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。■

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件發(fā)開實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

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