關于煤礦井下人員智能化定位系統的設計研究

肖 震

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100）

引言

煤礦井下人員定位系統在確保井下人員安全方面有著非常重要的作用，尤其是在開展應急救援工作時，人員定位精度直接決定了救援的速度和效率[1-2]。人員定位系統要求覆蓋整個開采區域，對所有人員進行精確定位，為了達到系統覆蓋的廣度要求，會用到大量的讀卡器[3]。某煤礦當前階段使用的讀卡器通過RS485 總線和分站進行連接，但整體數據傳輸距離較遠。為實現讀卡器與分站之間的連接，要在煤礦井下建設長距離的通信電纜，施工難度大、成本高。且當井下人員遇到緊急情況時，需要通過手動方式啟動求救信號，地面接收到求救信號后才會開展相關的應急救援工作。如果井下人員無法通過手動模式啟動求救信號，地面就無法及時獲知井下實際情況，很有可能會錯過黃金救援時間，最終引發井下人員傷亡情況[4]。鑒于當前使用的煤礦井下人員定位系統存在的不足之處，本文充分利用UWB 超寬帶定位技術以及LoRa 無線通信技術對人員定位系統進行重新設計研究，極大提升了系統的智能化水平，可有效避免人員傷亡事故的發生。

1 人員定位系統總體結構

本文設計的煤礦井下人員智能化定位系統工作原理可以概述如下：所有井下人員都配備有對應的人員標簽，該標簽上設置有求救按鈕，通過人員標簽可以向外部發出求救信號，由讀卡器讀取信號并根據信號來獲得人員具體位置、求救信息等具體信息。在獲得井下人員位置信息后，通過無線通信技術及時將信息數據傳輸到分站，然后由分站將數據信息進一步傳輸至地面集中監控中心，中心根據具體情況以及相關的應急預案立即組織應急救援工作。圖1 所示為煤礦井下人員智能化定位系統工作原理框圖，該系統可以顯著提升井下人員定位的效果和速度。

圖1 煤礦井下人員智能化定位系統總體結構

2 人員定位系統主要技術

2.1 UWB 超寬帶定位技術

當前RSSI、Zig-Bee、CSS 等定位技術在煤礦行業中都有一定程度的應用，但這些技術在實際應用過程中存在一些問題，其中最顯著的問題是信息數據傳輸速度較慢且定位精度有待提升[5-6]。而UWB超寬帶定位技術正好能克服上述兩方面問題，即能達到及時性和精確性要求。本文通過UWB 超寬帶定位技術來完成煤礦井下人員的定位，通過該技術能快速準確地計算得到讀卡器與人員標簽之間的間距，確保了人員定位的精確性，緊急情況下系統可自動發送報警信號。

具體而言，本文采用的是TOA 測距方法，即利用定位技術測量讀卡器與人員標簽之間的距離，整個定位過程需要測量2 次距離。第1 次距離測量過程：讀卡器主動向人員標簽發送數據信號，直到讀卡器自動應答，計算這段時間差為T1，讀卡器發出自動應答到人員標簽接收數據信號，整體時間差為T2。第2 次距離測量過程：人員標簽對輸送過來的包含T1的數據信息進行自動應答，這段時間差為T3，人員標簽向讀卡器發送包含T3的數據信息，整體時間差為T4。信號在媒介中傳輸時有一定的傳輸速度，煤礦井下環境相對較復雜，假設數據信號在煤礦井下傳輸的速度為v。那么就可以通過理論方法計算得到人員標簽與讀卡器之間的距離d=v（T2-T1+T4-T3）/2。

2.2 LoRa 無線通信技術

傳統人員定位通信系統采用的是有線通信模式，這種模式不僅施工成本高且施工難度大，在實際應用中存在一定的局限性。對于讀卡器采集到的數據信息，可以通過LoRa 無線通信技術實施頻譜擴寬處理，可顯著提升無線通信距離，接受靈敏度也有一定程度的改善，同時可以實現數據信息的無線傳輸，該項技術通過SX1278 芯片來構建無線通信模塊。需要指出的是，通過LoRa 無線通信技術可對數據信息進行長距離傳輸，但無線傳輸模式與有線傳輸模式相比較存在一定劣勢，主要表現在數據傳輸速度相對較低。所以在本文設計的通信系統中，設立一套數據流量控制算法，對傳輸數據量進行壓縮控制，有效規避了無線傳輸模式數據傳輸速率相對較低的問題，確保了長距離無線數據傳輸的可靠性。可以看出，本文在最大限度上利用了LoRa 無線通信技術的優勢，并通過一定的手段有效規避了該項技術的劣勢。

2.3 緊急狀況處理方案

為確保煤礦井下人員的絕對安全，煤礦管理人員應該對各種潛在的風險問題制定對應的緊急處理預案。當井下人員遇到突發情況需要救援時，一方面可通過手動方式按下求救按鈕，人員標簽會立刻向外發出求救信號，信號通過一系列傳輸會在第一時間到達管理人員處，進而展開救援工作。如果井下人員遇到突發情況發生跌倒，無法通過手動方式按下人員標簽中的求救按鈕時，人員標簽會對人員狀態進行自動檢測，如果發現人員出現跌倒，會立即向外發出跌倒信號，讀卡器接收到跌倒信號后將數據信號傳輸至地面集中監控中心，并開始計時。如果超過了系統設置的時間閾值后人員仍然處于跌倒狀態，系統會判定該人員處于危險狀態并向外發出警報，管理人員在接收到報警信號后立即開展救援工作。本系統中準確判斷人員標簽狀態非常重要，這是決定是否啟動緊急救援的關鍵所在。2 個相鄰采樣點間人員移動距離用d表示，系統設置的定位精度用Dmax表示。當d

3 人員定位系統測試結果

在完成人員定位系統的搭建工作后，對系統的有效性和可靠性開展了一系列測試實驗。將10 個人員標簽隨機分布在一個長度為200 m 的井下巷道內，在巷道端部位置設置有讀卡器以讀取巷道內部人員標簽信號。

3.1 系統定位精度測試結果

為檢驗本文設計的智能人員定位系統工作精度，通過本系統每間隔1 s 對巷道內的10 個人員標簽進行位置定位，與此同時標記10 個人員標簽的實際位置，將系統檢測到的位置與實際位置進行比較，可得到系統的檢測誤差。每次檢測中統計10 個人員標簽中誤差的最大值。圖2 所示為100 s 時間范圍內系統的檢測誤差統計結果，從圖中可以看出，本系統的定位誤差沒有超過1 m，這樣的測量誤差完全能滿足工程實際應用需要。

圖2 煤礦井下智能人員定位系統定位精度測量結果

3.2 系統無線通信距離測試結果

無線通信技術必須在一定的距離范圍內才能正常穩定工作，無線通訊距離越長，其在通訊過程中越容易出現誤碼情況。為測試本文設計系統的無線通信距離，將讀卡器和數據集中器的初始距離設置為600 m，測試數據傳輸過程中的信號強度和通信誤碼率，然后不斷擴大兩個設備之間的距離，再次測試信號強度和通信誤碼率。測試結果發現，當兩個設備之間的距離不超過1 500 m 時，通信誤碼率為0，可見當通信距離不超過1.5 km 時本系統具有非常高的可靠性。當兩者之間的距離不超過2 km 時，通信誤碼率未超過3%。主要是因為本系統采用SX1278 芯片，使得在進行長距離無線數據傳輸時仍然具有很高的接受靈敏度。基于測試結果可以發現，本系統即便是遠距離傳輸也能保證數據傳輸的可靠性和安全性。

3.3 系統緊急狀況處理結果

對于手動觸發求救按鈕模式，經過100 次測試發現每次都能夠準確將求救信號傳輸至地面集中監控中心。對于自動求救模式，將時間閾值設置為10 min，同樣經過100 次測試，發現有96 次能夠準確將求救信號傳輸至地面集中監控中心。可見本文設計的井下智能化人員定位系統能夠克服傳統定位系統中必須通過手動模式進行求救的缺陷，在很大程度上提升了井下人員的安全性。

4 結論

煤礦井下人員定位系統精度對于保障人員安全有著非常重要的意義。考慮到某煤礦井下人員定位系統存在的現實問題，基于先進的UWB 超寬帶定位技術和LoRa 無線通信技術對人員定位系統進行了升級改造。改造后的定位系統定位精度較高，實現了遠距離無線數據傳輸和煤礦井下人員的自動求救，確保了人員安全。