左權阜生煤礦人員定位系統的研究應用

王云平

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司 ，山西 晉中 030600）

采用傳統區域定位技術的礦井人員定位和跟蹤管理系統由于在定位精度以及人員實時跟蹤管理等方面存在嚴重不足，特別是突發災害（時，既不便于及時快速地采取有效應急措施，也不便于救援人員快速判斷被救人員和重要設備的當前精確位置等情況。左權阜生煤礦井下人員精確定位系統采用先進的線性調頻擴頻UWB技術，實現井下重要區域無線全覆蓋，定位精度不大于10m,理想狀態下可達到3米，同時識別定位不少于80張；另一方面，能夠兼容目前市場上的區域定位系統，在保證定位精度的前提下，能夠最大限度地降低投入成本。下面對井下人員精確定位系統進行分析研究。

1 系統架構分析

系統主要由監控計算機、系統軟件、人像唯一性檢測裝置、人員管理分站、主讀卡器、輔讀卡器、精確定位標識卡、以太網通訊平臺等組成，如圖1所示。

監控主機：負責整個系統設備監測數據的管理、分站實時數據通訊、統計存儲、顯示、查詢打印等任務。

系統軟件：接收井下上傳的測距定位信息，進行信息加工及井下實時精確位置信息動態顯示、存儲、查詢和報表打印。

以太網通訊平臺：負責地面監控主機與井下分站間信息傳輸通道，實現信號遠距離有線高速傳輸。

圖1 精確定位系統結構示意圖

人員管理分站：分站周期性巡檢主、輔讀卡器，收集實時位置數據信息，進行邏輯分析處理，計算人員的精確位置信息，與中心站進行通訊，實現數據上傳；接收中心站命令并進行轉發給讀卡器，實現地面命令的快速下發。

主讀卡器：該設備能夠實時接收巷道內覆蓋范圍內精確定位標識卡發送的定位信息，計算出精確定位標識卡距離主讀卡器的距離，能夠接收區域定位標識卡。

輔讀卡器：該設備能夠實時接收巷道內覆蓋范圍內精確定位標識卡發送的定位信息，計算出精確定位標識卡距離輔讀卡器的距離，能夠接收區域定位標識卡。

精確定位標識卡：承載唯一的人員編碼信息，能夠與主輔讀卡器分別進行測距通信，實現精確位置定位；能夠發送求救命令及電池電量欠壓信息；能夠接收上位機命令，通過生、光及震動等方式進行提示。

2 系統工作原理

KJ251A人員精確定位管理系統分為三級控制網絡。監控主機、監控備機、網絡服務器及地面交換機等為第一級網絡，負責數據的匯集、分析處理、存儲、顯示、發布、調度任務編制及執行；以太網通訊平臺、人員管理分站組成第二級網絡，負責把采集的信息及時上傳，地面命令快速轉發；主、輔讀卡器和精確定位標識卡組成第三層網絡，負責實時測試精確定位標識卡與讀卡器間的距離，判定人員準確位置信息。

系統雙向TOA測距算法，測距原理如圖2所示。

圖2 基于TOA算法的測距原理

信號單純的傳輸時間為d，則整個測量過程中，產生了四次測量過程4d，以及2次回復等待時間（TReply,A；TReply,B）；可以計算出單次測量時間。

由 于 TRound,A，TRound,B，TReply,A，TReply,B均能測量出來，故單次信號傳輸時間、傳輸距離也能夠計算出來。

3 系統主要功能特點

1）實時精確定位功能：能夠自動實時跟蹤定位井下所有作業人員的精確位置信息，定位精度可達3m，最大定位誤差不超過10m，地面中心站動態刷新井下作業人員的精確位置信息；

2）兼容區域定位功能：系統能夠實現一張標識卡即可進行精確定位，還兼容目前大量推廣的單、雙向區域定位系統，便于煤礦在安全區域使用區域定位模式，在采掘工作面等危險區域使用精確定位模式，降低投入成本；

3）防作弊（攜卡唯一性檢測）功能：結合人像識別系統，確保一人一卡，入井人員信息的準確性；

4）信號全覆蓋功能：單臺讀卡器覆蓋距離不少于200m,運輸大巷等條件好的區域可達到300m,實現井下重要巷道及區域全覆蓋，確保信號無盲區；

5）欠壓報警功能：精確定位標識卡能夠對電池電量進行周期性檢測，通過液晶顯示電量狀態，欠壓狀態下可在中心站進行欠壓提示；

6）自診斷功能：系統實時監測網絡范圍內各設備的運行狀態，跟蹤診斷設備故障點及故障類型，并對診斷結果進行報警提示；

7）考勤功能：系統能夠實時地記錄作業人員出入井時刻；自動生成井下作業時間；可對全礦員工進行月考勤。

8）“一卡通”功能：通過一張標識卡，既能保證井下精確定位跟蹤，也能實現班前會管理、地面營養餐廳用餐、礦燈管理、澡堂用水管理、便攜儀管理、門禁等一卡通信息化管理。

9）巡更管理功能：通過跟蹤瓦檢員井下作業軌跡，使井下瓦斯巡檢工作可視化，加強安全管理。

4 設備性能和功能

4.1 主監控計算機

1）研祥工控機P43.0/1G/160G/17LCD/雙網卡，數量為2臺，其中1臺為備用監控主機，監控主機和備機之間安裝雙機熱備軟件，提高系統運行穩定性及速度。

2）監控主機運行膠輪車管理軟件，對井下膠輪車進行實時定位信息進行收集、分析處理、存儲及顯示，對井下膠輪車動態可靠自動調度。

3）能夠在主機上對井下設備重新定義，實現網絡的實時增減。

4）備用機進行數據備份，統計生成各種實時信息，供系統管理員進行車輛信息分析處理及系統維護管理。

5）備機可作為服務器，對檢測的有效信息數據進行網絡發布，實現網絡化管理。

4.2 KJ251-F8礦用本安型分站

KJ251-F8型礦用定位分站可掛接多個主、輔讀卡器，能對下級智能設備等進行連續監測，具有信號采集和通訊功能，通過工業以太網能及時將監測到的人員精確位置信息封包傳送到地面中心站，并轉發中心站發出的各種命令。具有數據采集、存儲、處理、顯示、紅外遙控及遠距離通訊等功能，中斷情況下可存儲信息不少于4000條信息。

4.3 KGE116D型精確定位標識卡

定位卡基于煤礦井下傳輸特性好、衰減小的2.4GHz的載波頻段；采用一次性電池供電，是一種有源射頻識別卡。整個電路設計為本質安全型。該定位卡功率發射功率低，對人體無害；天線增益高，實現信號的較遠距離傳輸；工作平均電流低，可實現電池工作壽命長；采用有效的防碰撞算法，能夠瞬間識別多張標識卡。

4.4 KJ251-WY唯一性檢測裝置

由于傳統檢卡考勤裝置不能徹底杜絕不帶卡、攜帶壞卡入井現象；更嚴重的是，部分人員為了增加考勤數量，造成多帶卡、替代卡現象普遍存在，導致井下人員數量統計不準確，入井人員身份信息存有差錯。

該裝置采用先進的身份識別技術、短距離快速測試技術及擁有專利的唯一性檢測算法，加強出入井人員攜卡管理，滿足AQ6210-2007和AQ1048-2007對出入井人員驗卡及攜卡唯一性檢測要求。通過出、入井人員自動逐一檢測，實現了其身份核對確認；準確判斷是否攜帶標識卡、標識卡是否完好及欠壓；準確檢測入井人員攜卡數量，發現多帶卡則立即進行聲光提示，并實時記錄。整個過程檢測準確、快速高效、顯示直觀、無行為約束及人工干預，徹底解決了虹膜識別速度慢、不直觀、對人員行為約束性強的應用難題，實現了出入井人員快速驗卡、準確統計及身份確認。

5 總 結

對山西潞安集團左權阜生煤礦井下人員精確定位系統進行了分析研究，分析了系統的架構分析和系統工作原理，闡述了系統的主要功能特點，對系統的關系設備性能和功能進行了說明。該系統能滿足左權阜生煤礦井下人員實時跟蹤管理的需求，可以在災害發生時快速的做出有效的應爭措施。