井下人員跟蹤定位系統的組網設計

景偉平

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030024）

井下人員跟蹤定位系統的組網設計

景偉平1，2

（1.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024；2.山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030024）

以青瓷窯煤礦為例，探討煤礦入井人員實時跟蹤監測和定位，隨時掌握每個人的位置及活動軌跡。通過考察礦井結構與實際應用做出系統組網設計。井下系統采用RS-485組網，實現數據采集傳輸。

井下人員跟蹤定位系統；組網設計；RS-485

1 井下人員跟蹤定位系統的概述

井下人員跟蹤定位系統可對煤礦入井人員進行實時跟蹤監測和定位，隨時掌握每個人員的位置活動軌跡。

系統包括：井口檢測分站、井下分站、個人信息識別卡、通信隔離交換機、通信線路、計算機輸出系統、多功能綜合管理軟件等。

井下人員跟蹤定位系統軟件，由通訊控制系統、后臺數據庫系統、主控系統、網絡查詢構成。系統在“考勤管理系統”基礎上，結合井下人員跟蹤定位系統的特點，采用當前最先進的軟件開發工具構成，系統工作穩定可靠，充分考慮到煤礦使用的方便性、系統的可擴充性、功能的實用性。見圖1。

圖1 軟件系統結構圖

2 井下人員跟蹤定位系統的設計方案

煤礦井下要求系統有高安全性和高可靠性，設計時既要保持功能的完整性，同時也要適應井下的環境和要求。HST系統的總體設計主要體現在高自動化、高效性、安全性、延伸擴展性等方面[2]。

（1）高度自動化：系統應能自動檢測井下坑道工人經過該監測點的時間、地點信息，并自動實現考勤作業的統計與管理。實現對煤礦井下人員進出做有效識別和監測監控，使管理方式人性化、信息化、自動化。

（2）先進的通信系統：安裝在井下各通道的識別系統，實時向網絡服務器傳送相關人員通過的數據，整個過程無需人為干預。要求能為煤礦管理部門提供多方面的信息支持，一旦發生安全事故，可以通過通信系統快速準確地了解井下人員情況，為后續工作的高效運作提供保障。

（3）系統的安全、穩定、可靠性設計：系統采用坑道壁掛式設計，并保證系統在惡劣環境下24h連續正常運轉，并完善異常情況（包括無效識別卡、故障識別卡進入）時的報警呼叫系統。井下人員跟蹤定位系統本著“統一配置、統一管理”的原則，按上崗人員實行“一人一卡”制，視為上崗憑證。具體方案見圖2［3］。

圖2 井下人員跟蹤定位系統方案圖

（4）煤礦單位在井下坑道、作業面的交叉道口，安裝一定數量的井下分站設備，以滿足輻射區域為準。

（5）煤礦生產主管單位，向下井人員發放個人信息標識卡，并固定在安全帽的頂部。

（6）系統數據庫記錄該標識卡對應人員基本信息（包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種、職務、上下井時間等）。

（7）安全生產部門對進入坑道人員的識別卡經過設置和授權（例如可進入或不準進入的地區，并以某個員工可進入的坑道或作業面進行設置，防止無關人員和非法人員進入坑道和作業面），當該人員經過識別系統的地點時，被系統識別同時激活，系統將讀取該卡號信息，通過系統傳輸網絡，將持卡人通過的地點、時間等資料傳輸到地面監控中心，進行數據處理并自動生成多種報表、資料，作為生產管理部門的原始數據，從而提高管理效益。

3 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統的組網設計

3.1 串行通信方式的選擇

常用的多點串行通信方式有：RS-232C和RS-485兩種：（1）RS-232C規定:邏輯“1”為 -5V～-15V；邏輯“0”為+5V～15V。這種電平的抗干擾性比TTL強的多。RS-232C規定最大負載電容為2500pF，這個電容限制了傳送距離和傳送速率，且TTL/RS-232C轉換電路屬非平衡電壓型線電路，沒有抗共模干擾特性。一般情況下，RS-232C只用于短距離通訊（一般15m內）。若要遠距離傳送，要加調制解調器。（2）RS-485為半雙工，當用于多站互連時，可節省信號線，便于高速率遠距離傳輸信號。RS-485通信協議是雙向、平衡傳輸線標準，支持多點連接，允許創建多達256個節點的網絡，傳輸速率為10KBS和使用雙絞線作為傳輸介質時，傳輸距離可到1200m，或在網絡中增加中繼器，可以擴大網絡節點數量和系統監控范圍。RS-485支持半雙工通信，即只需兩根線就可同時進行數據的發送和接收，系統成本低、線路簡單、穩定可靠。井下人員定位系統中，傳輸距離介于近傳輸距離(＜20m）和遠傳輸距離(＞2km)之間，這時RS-232C不能采用；如果一定要使用，則必須加裝Modem（調制解調器）使用，增加了成本，系統的穩定性也會因眾多調制解調器而降低，很不合算，故選用RS-485串行通信接口標準。

3.2 線電路的選擇

（1）數字信號的傳輸，隨著距離的增加和信號傳輸速率的提高，傳輸線上的反射、串擾、衰減、共地噪聲等將引起信號的畸變，從而限制通訊距離。普通的TTL電路驅動能力差、輸入電阻小、靈敏度不高、抗干擾性能差，傳輸信號的距離短。所以要有適用于總線系統能與長線進行接口的專用線路——線電路(指一個系統內部或在幾個系統之間和總線相接的用于數字通訊的專用集成電路，它是向傳輸線發送和接受信號的電路)。線電路分為三類:單端非平衡型線電路、通訊專用接口電路、差分平衡型線電路。

（2）單端非平衡型線電路，例如SN54128、SN74128驅動器等，可與低阻抗的同軸傳輸線配接，信號以TTL電平傳送；其特點是線上電流較大、傳輸距離有限（一般是幾十米到上百米）。通訊專門接口電路，例如TTL/RS-232C轉換電路(MAX232，MAX233等)適用于RS-232C通訊標準信號的傳輸。差分平衡型線電路適合于RS-485/RS-422通訊標準的接口電路；規定平衡發送和差分接收。即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出;在接收端，將差分信號變成TTL電平。因此具有抗共模干擾能力，彌補了RS-232C的不足，使傳送距離和傳送速率大大提高。

（3）本文組網設計選用RS-485串行通信接口標準的差分平衡型線電路，抗干擾能力強，接收器可檢測低達200mV信號，傳輸數據可從千米以外得到恢復，特別適用于遠距離通訊；可組成滿足RS-485/RS422標準的通訊網絡，通訊系統能穩定可靠運行。

3.3 組網硬件安裝

跟蹤系統把監控分成兩大類：一類是區域監控，另一類是采區監控。跟蹤系統中的區段是指兩個或者三個井下分站之間所構成的一個區域定義為井下區段，各有區段代碼和名稱，井下分站探測到的每一次數據，均代表該員工最后所屬的區域，當井下分站分布越密時，定位精確度也就越高。采區監控是指對進入采區的員工信息感興趣，每個采區入口均有一個動態目標識別傳感器（相當于一個特殊的區段），區段的一端連接著兩個探頭，另一端則是一個路線的關鍵點。當員工下井后，員工所處的位置區域假設為“0000”區。此時不管他走到井下的什么位置，只要不經過井下分站或采區動態目標識別傳感器，均認為他處于井口區段；當所屬采區探測到他的數據時，則認為他進入了指定采區[4]。青瓷窯煤礦煤層較為單一，主要由主井和新副井構成。井下所需分站設備少于32，因此不必使用RS-485中繼組網，只需應用RS-485技術井下普通組網。

3.3.1 井口檢測分站的安裝

（1）為能了解井下人員的具體位置和行進軌跡，每個入井口各安裝一臺井口檢測分站，用來檢查校驗個人識別卡的運行正常與否，及時發現壞卡及黑卡等，杜絕安全隱患，同時起到考勤作用。可以視為本系統井下網絡組網的核心層。井口檢測分站的安裝見圖3。

圖3 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統的井口檢測分站安裝示意圖

（2）當員工A帶識別卡經過井口檢測分站時，通過RFID射頻讀取該卡的信息，上傳至工控主機，進入實時數據庫，使管理人員能在軟件系統中查詢到該卡號對應員工的姓名、工種、權限等，下井次數、工作時間等統計信息。起到考勤作用，如果發現壞卡黑卡則啟動聲光報警，提醒員工及時檢查，或者聯系煤礦相應技術人員和管理部門協助解決。

（3）卡信息注冊后，如果該員工最后的信息只在井口檢測分站出現時，即認為員工A在井口區域；如是井口檢測分站1檢測到他的識別卡信息，就知道他下了主井，如果是井口檢測分站2獲得了他的識別卡信息，即員工A進入新副井井口區域。數據庫中設置，井口檢測分站1對應的區域為0000區，井口檢測分站2對應的區域為0001區。

3.3.2 井下分站的安裝

（1）井下分站的作用是：在煤礦井下各個巷道的岔口處設置系統關鍵點。原則上當有3個或以上路口時，必須在該處安置井下分站；以便對人員定位提供粗略信息，覆蓋每個岔道關鍵點。井下分站作為匯聚聯接各個動態目標識別傳感器，故在井下的主干道岔口處設置井下分站，動態目標識別傳感將信息傳輸至井下分站，然后井下分站根據網絡存取控制方式選擇暫時存儲或轉發數據[5]。可以確保RS-485總線上信息傳輸的準確性，為人員跟蹤定位系統的精確覆蓋打下基礎。青瓷窯煤礦井下分站的安裝見圖4。

圖4 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統下分站安裝示意圖

（2）根據圖4，共在主干道各岔道口放置7臺井下分站，滿足系統覆蓋的精度要求，配合動態目標識別傳感器，根據數據庫記錄的員工個人識別卡的行進軌跡，可以精確得出某個員工在井下的位置信息。井下分站主要覆蓋各個岔道口和各工作面入口處，負責接受、匯總、上傳各個動態目標識別傳感器的信息。作為系統的關鍵點，可以視為本系統井下網絡組網中的匯聚層。

圖5 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統的組網總拓撲圖

3.3.3 組網總結

綜上所述，青瓷窯煤礦井下組網采用RS-485現場總線拓撲網絡。利用屏蔽雙絞線（STP）構成一條單一、連續的信號通道作為總線，連接井下系統中的各個設備，方便現場施工和更改。經過通信隔離交換機匯聚并轉換RS-485信號為RS-232信號，傳輸進入煤礦局域網主機，為管理部門提供分析數據。最終形成的網絡拓撲，見圖5。

4 結束語

本文對井下人員跟蹤定位系統例如硬件的功能進行了闡述，重點對井下組網技術方案展開討論，建立了安全，穩定，可靠的井下人員跟蹤定位網絡。

[1] 郭星歌.工業以太網技術在礦井通信的應用[J].中國礦業大學學報，2005（10）：19-22.

[2] 王坤,林明星.一種基于人員定位的礦井綜合通信系統[J].山東大學信息科學與工程學院學報，2005（8）.

[3] 李世銀,劉富強,錢建生,等.基于光纖傳輸和計算機網絡的煤礦綜合調度通信系統[J].光通信技術，2002(6)：22-27.

[4] 卞佳麗.現代交換原理與通信網技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005：74-82.

[5] 張寶富，崔敏，王海潼.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004：159-166.

Networking Design of People Tracking System inmine

JING Wei-ping1,2
(1.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024;2.Xishan Jinxing Energy Co.,Taiyuan Shanxi 030024)

Taking Qingciyaomine as an example,the real-time people tracking,monitoring,and positioning are discussed.Each person's position andmovement track aremonitored at any time.The network design is based on the investigation of themine structure and the field.Besides,RS-485is used to realize the data acquisition and transmission.

people tracking system;networking design;RS-485

TN929.5

A

1672-5050（2012）08-0055-04

2012-02-23

景偉平（1977—），男，山西臨汾人，研究生，從事采礦工程研究。

劉新光