井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

景偉平

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

井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

景偉平1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西西山晉興能源有限責(zé)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(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和定位，隨時(shí)掌握每個(gè)人的位置及活動(dòng)軌跡。通過考察礦井結(jié)構(gòu)與實(shí)際應(yīng)用做出系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)。井下系統(tǒng)采用RS-485組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集傳輸。

井下人員跟蹤定位系統(tǒng)；組網(wǎng)設(shè)計(jì)；RS-485

1 井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的概述

井下人員跟蹤定位系統(tǒng)可對(duì)煤礦入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和定位，隨時(shí)掌握每個(gè)人員的位置活動(dòng)軌跡。

系統(tǒng)包括：井口檢測(cè)分站、井下分站、個(gè)人信息識(shí)別卡、通信隔離交換機(jī)、通信線路、計(jì)算機(jī)輸出系統(tǒng)、多功能綜合管理軟件等。

井下人員跟蹤定位系統(tǒng)軟件，由通訊控制系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)查詢構(gòu)成。系統(tǒng)在“考勤管理系統(tǒng)”基礎(chǔ)上，結(jié)合井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用當(dāng)前最先進(jìn)的軟件開發(fā)工具構(gòu)成，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，充分考慮到煤礦使用的方便性、系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、功能的實(shí)用性。見圖1。

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

煤礦井下要求系統(tǒng)有高安全性和高可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)既要保持功能的完整性，同時(shí)也要適應(yīng)井下的環(huán)境和要求。HST系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在高自動(dòng)化、高效性、安全性、延伸擴(kuò)展性等方面[2]。

（1）高度自動(dòng)化：系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)井下坑道工人經(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)考勤作業(yè)的統(tǒng)計(jì)與管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下人員進(jìn)出做有效識(shí)別和監(jiān)測(cè)監(jiān)控，使管理方式人性化、信息化、自動(dòng)化。

（2）先進(jìn)的通信系統(tǒng)：安裝在井下各通道的識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳送相關(guān)人員通過的數(shù)據(jù)，整個(gè)過程無需人為干預(yù)。要求能為煤礦管理部門提供多方面的信息支持，一旦發(fā)生安全事故，可以通過通信系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地了解井下人員情況，為后續(xù)工作的高效運(yùn)作提供保障。

（3）系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠性設(shè)計(jì)：系統(tǒng)采用坑道壁掛式設(shè)計(jì)，并保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下24h連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并完善異常情況（包括無效識(shí)別卡、故障識(shí)別卡進(jìn)入）時(shí)的報(bào)警呼叫系統(tǒng)。井下人員跟蹤定位系統(tǒng)本著“統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理”的原則，按上崗人員實(shí)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(tǒng)方案圖

（4）煤礦單位在井下坑道、作業(yè)面的交叉道口，安裝一定數(shù)量的井下分站設(shè)備，以滿足輻射區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)。

（5）煤礦生產(chǎn)主管單位，向下井人員發(fā)放個(gè)人信息標(biāo)識(shí)卡，并固定在安全帽的頂部。

（6）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄該標(biāo)識(shí)卡對(duì)應(yīng)人員基本信息（包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種、職務(wù)、上下井時(shí)間等）。

（7）安全生產(chǎn)部門對(duì)進(jìn)入坑道人員的識(shí)別卡經(jīng)過設(shè)置和授權(quán)（例如可進(jìn)入或不準(zhǔn)進(jìn)入的地區(qū)，并以某個(gè)員工可進(jìn)入的坑道或作業(yè)面進(jìn)行設(shè)置，防止無關(guān)人員和非法人員進(jìn)入坑道和作業(yè)面），當(dāng)該人員經(jīng)過識(shí)別系統(tǒng)的地點(diǎn)時(shí)，被系統(tǒng)識(shí)別同時(shí)激活，系統(tǒng)將讀取該卡號(hào)信息，通過系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將持卡人通過的地點(diǎn)、時(shí)間等資料傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并自動(dòng)生成多種報(bào)表、資料，作為生產(chǎn)管理部門的原始數(shù)據(jù)，從而提高管理效益。

3 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 串行通信方式的選擇

常用的多點(diǎn)串行通信方式有：RS-232C和RS-485兩種：（1）RS-232C規(guī)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(qiáng)的多。RS-232C規(guī)定最大負(fù)載電容為2500pF，這個(gè)電容限制了傳送距離和傳送速率，且TTL/RS-232C轉(zhuǎn)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(nèi)）。若要遠(yuǎn)距離傳送，要加調(diào)制解調(diào)器。（2）RS-485為半雙工，當(dāng)用于多站互連時(shí)，可節(jié)省信號(hào)線，便于高速率遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)。RS-485通信協(xié)議是雙向、平衡傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，支持多點(diǎn)連接，允許創(chuàng)建多達(dá)256個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為10KBS和使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)時(shí)，傳輸距離可到1200m，或在網(wǎng)絡(luò)中增加中繼器，可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和系統(tǒng)監(jiān)控范圍。RS-485支持半雙工通信，即只需兩根線就可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，系統(tǒng)成本低、線路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠。井下人員定位系統(tǒng)中，傳輸距離介于近傳輸距離(＜20m）和遠(yuǎn)傳輸距離(＞2km)之間，這時(shí)RS-232C不能采用；如果一定要使用，則必須加裝Modem（調(diào)制解調(diào)器）使用，增加了成本，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)因眾多調(diào)制解調(diào)器而降低，很不合算，故選用RS-485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 線電路的選擇

（1）數(shù)字信號(hào)的傳輸，隨著距離的增加和信號(hào)傳輸速率的提高，傳輸線上的反射、串?dāng)_、衰減、共地噪聲等將引起信號(hào)的畸變，從而限制通訊距離。普通的TTL電路驅(qū)動(dòng)能力差、輸入電阻小、靈敏度不高、抗干擾性能差，傳輸信號(hào)的距離短。所以要有適用于總線系統(tǒng)能與長(zhǎng)線進(jìn)行接口的專用線路——線電路(指一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部或在幾個(gè)系統(tǒng)之間和總線相接的用于數(shù)字通訊的專用集成電路，它是向傳輸線發(fā)送和接受信號(hào)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(qū)動(dòng)器等，可與低阻抗的同軸傳輸線配接，信號(hào)以TTL電平傳送；其特點(diǎn)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(zhuǎn)換電路(MAX232，MAX233等)適用于RS-232C通訊標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳輸。差分平衡型線電路適合于RS-485/RS-422通訊標(biāo)準(zhǔn)的接口電路；規(guī)定平衡發(fā)送和差分接收。即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出;在接收端，將差分信號(hào)變成TTL電平。因此具有抗共模干擾能力，彌補(bǔ)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(wǎng)設(shè)計(jì)選用RS-485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)的差分平衡型線電路，抗干擾能力強(qiáng)，接收器可檢測(cè)低達(dá)200mV信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)可從千米以外得到恢復(fù)，特別適用于遠(yuǎn)距離通訊；可組成滿足RS-485/RS422標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.3 組網(wǎng)硬件安裝

跟蹤系統(tǒng)把監(jiān)控分成兩大類：一類是區(qū)域監(jiān)控，另一類是采區(qū)監(jiān)控。跟蹤系統(tǒng)中的區(qū)段是指兩個(gè)或者三個(gè)井下分站之間所構(gòu)成的一個(gè)區(qū)域定義為井下區(qū)段，各有區(qū)段代碼和名稱，井下分站探測(cè)到的每一次數(shù)據(jù)，均代表該員工最后所屬的區(qū)域，當(dāng)井下分站分布越密時(shí)，定位精確度也就越高。采區(qū)監(jiān)控是指對(duì)進(jìn)入采區(qū)的員工信息感興趣，每個(gè)采區(qū)入口均有一個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感器（相當(dāng)于一個(gè)特殊的區(qū)段），區(qū)段的一端連接著兩個(gè)探頭，另一端則是一個(gè)路線的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)員工下井后，員工所處的位置區(qū)域假設(shè)為“0000”區(qū)。此時(shí)不管他走到井下的什么位置，只要不經(jīng)過井下分站或采區(qū)動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感器，均認(rèn)為他處于井口區(qū)段；當(dāng)所屬采區(qū)探測(cè)到他的數(shù)據(jù)時(shí)，則認(rèn)為他進(jìn)入了指定采區(qū)[4]。青瓷窯煤礦煤層較為單一，主要由主井和新副井構(gòu)成。井下所需分站設(shè)備少于32，因此不必使用RS-485中繼組網(wǎng)，只需應(yīng)用RS-485技術(shù)井下普通組網(wǎng)。

3.3.1 井口檢測(cè)分站的安裝

（1）為能了解井下人員的具體位置和行進(jìn)軌跡，每個(gè)入井口各安裝一臺(tái)井口檢測(cè)分站，用來檢查校驗(yàn)個(gè)人識(shí)別卡的運(yùn)行正常與否，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壞卡及黑卡等，杜絕安全隱患，同時(shí)起到考勤作用。可以視為本系統(tǒng)井下網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的核心層。井口檢測(cè)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(tǒng)的井口檢測(cè)分站安裝示意圖

（2）當(dāng)員工A帶識(shí)別卡經(jīng)過井口檢測(cè)分站時(shí)，通過RFID射頻讀取該卡的信息，上傳至工控主機(jī)，進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，使管理人員能在軟件系統(tǒng)中查詢到該卡號(hào)對(duì)應(yīng)員工的姓名、工種、權(quán)限等，下井次數(shù)、工作時(shí)間等統(tǒng)計(jì)信息。起到考勤作用，如果發(fā)現(xiàn)壞卡黑卡則啟動(dòng)聲光報(bào)警，提醒員工及時(shí)檢查，或者聯(lián)系煤礦相應(yīng)技術(shù)人員和管理部門協(xié)助解決。

（3）卡信息注冊(cè)后，如果該員工最后的信息只在井口檢測(cè)分站出現(xiàn)時(shí)，即認(rèn)為員工A在井口區(qū)域；如是井口檢測(cè)分站1檢測(cè)到他的識(shí)別卡信息，就知道他下了主井，如果是井口檢測(cè)分站2獲得了他的識(shí)別卡信息，即員工A進(jìn)入新副井井口區(qū)域。數(shù)據(jù)庫中設(shè)置，井口檢測(cè)分站1對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)?000區(qū)，井口檢測(cè)分站2對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)?001區(qū)。

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(gè)巷道的岔口處設(shè)置系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)。原則上當(dāng)有3個(gè)或以上路口時(shí)，必須在該處安置井下分站；以便對(duì)人員定位提供粗略信息，覆蓋每個(gè)岔道關(guān)鍵點(diǎn)。井下分站作為匯聚聯(lián)接各個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感器，故在井下的主干道岔口處設(shè)置井下分站，動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感將信息傳輸至井下分站，然后井下分站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)存取控制方式選擇暫時(shí)存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[5]。可以確保RS-485總線上信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，為人員跟蹤定位系統(tǒng)的精確覆蓋打下基礎(chǔ)。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(tǒng)下分站安裝示意圖

（2）根據(jù)圖4，共在主干道各岔道口放置7臺(tái)井下分站，滿足系統(tǒng)覆蓋的精度要求，配合動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感器，根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄的員工個(gè)人識(shí)別卡的行進(jìn)軌跡，可以精確得出某個(gè)員工在井下的位置信息。井下分站主要覆蓋各個(gè)岔道口和各工作面入口處，負(fù)責(zé)接受、匯總、上傳各個(gè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)識(shí)別傳感器的信息。作為系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，可以視為本系統(tǒng)井下網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中的匯聚層。

圖5 青瓷窯煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)的組網(wǎng)總拓?fù)鋱D

3.3.3 組網(wǎng)總結(jié)

綜上所述，青瓷窯煤礦井下組網(wǎng)采用RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。利用屏蔽雙絞線（STP）構(gòu)成一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線，連接井下系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，方便現(xiàn)場(chǎng)施工和更改。經(jīng)過通信隔離交換機(jī)匯聚并轉(zhuǎn)換RS-485信號(hào)為RS-232信號(hào)，傳輸進(jìn)入煤礦局域網(wǎng)主機(jī)，為管理部門提供分析數(shù)據(jù)。最終形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌妶D5。

4 結(jié)束語

本文對(duì)井下人員跟蹤定位系統(tǒng)例如硬件的功能進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)井下組網(wǎng)技術(shù)方案展開討論，建立了安全，穩(wěn)定，可靠的井下人員跟蹤定位網(wǎng)絡(luò)。

[1] 郭星歌.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在礦井通信的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（10）：19-22.

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[5] 張寶富，崔敏，王海潼.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學(xué)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