五里堠煤業(yè)井下人員定位系統(tǒng)設計與應用

齊瑞宏

（山西潞安集團 左權五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權 032600）

1 概 況

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是煤礦開采安全可靠運行的重要保障，關系著井下作業(yè)人員的生命安全及工作效率。五里堠煤業(yè)現(xiàn)有井下人員定位系統(tǒng)存在定位精度不足、抗干擾及穿透能力差等問題，針對這些問題，進行了煤礦井下人員定位系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 方案設計

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，精準定位井下人員困難，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準確性和可靠性要求較高。基于上述問題，以五里堠煤業(yè)為例，提出了借助工業(yè)以太網(wǎng)完成移動標簽和定位分站之間測距數(shù)據(jù)的傳輸，由上位機進行數(shù)據(jù)處理。設計完成的煤礦井下人員定位系統(tǒng)方案如圖1 所示。系統(tǒng)主要包括井上和井下兩部分，前者由監(jiān)控中心、LED 大屏、遠程監(jiān)控終端等組成，后者由移動標簽、定位分站、礦用網(wǎng)絡交換機等組成。

圖1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)方案Fig.1 Scheme of personnel positioning system in underground mine

2.2 功能實現(xiàn)

煤礦井下人員定位系統(tǒng)涉及信號檢測、信息收集與傳輸和數(shù)據(jù)處理與應用3 個層次。信號檢測層設置于煤礦井下，包括測距基站和定位標簽，主要實現(xiàn)實時監(jiān)測井下移動目標位置的功能，為了保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，基站和定位標簽通信采用UWB；信息收集與傳輸層作為信號檢測層與數(shù)據(jù)處理與應用層之間的重要紐帶，負責收集無線電信號并做初步的信息處理，將處理的信息傳輸至上位機，數(shù)據(jù)傳輸方式采用以太網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理與應用層包括監(jiān)控終端、上位機等，負責接收井下采集得到的位置數(shù)據(jù)，按監(jiān)控人員的需要進行數(shù)據(jù)分析處理并實時顯示。

3 硬件設計

3.1 定位標簽

定位標簽跟隨井下人員一起運動，通過收發(fā)射無線信號的方式實現(xiàn)井下人員目標的識別與定位功能，對位置數(shù)據(jù)進行實時存儲。定位標簽結構原理如圖2 所示。系統(tǒng)處理器選擇32 位的cortex-m3芯片，工作頻率72 MHz，程序運行存儲空間128KByte，20KByteSRAM；配套使用型號為24C512的存儲芯片，實現(xiàn)設備的識別與數(shù)據(jù)的存儲，通過IPC 總線實現(xiàn)與處理器間的通信；隨井下人員移動的定位芯片的型號為DW1000，支持EEE802.15.4-2011 協(xié)議，具有UWB 信號的收發(fā)功能，收發(fā)天線使用陶瓷天線，型號為ACS5200HFAUWB；時鐘單元配置38.4 MHz 晶體振蕩器，供電電源使用鋰離子蓄電池。

圖2 定位標簽結構原理Fig.2 Positioning label structure principle

3.2 定位分站

定位分站設于煤礦井下，主要作用是定位標簽的通信，運用SDS-TWR 測距算法計算得出定位標簽之間的距離，基站系統(tǒng)結構組成如圖3 所示。主控單元選擇32 位高性能cortex-m4 芯片，工作頻率最大值為168 MHz，具有15 個通信接口；存儲芯片選擇型號為AT24C512，負責存儲數(shù)據(jù)與設備的識別，通信方式為IPC 總線；時鐘單元選擇石英晶體振蕩器，工作頻率為32.768 kHz；定位通信單元由定位芯片和天線組成，選擇型號為DW1000 的芯片進行射頻收發(fā)工作，支持IEEE802.15.4-2011 協(xié)議，通信距離可達300 m，配合外置陶瓷天線使用；有線通信模塊采用LAN8720A 芯片，具有標準以太網(wǎng)通信接口；定位分站的供電采用鋰離子蓄電池。

圖3 定位分站結構原理Fig.3 Structure and principle of positioning sub-stations

4 軟件設計

4.1 數(shù)據(jù)收發(fā)程序

數(shù)據(jù)的收發(fā)主要是指定位標簽與定位分站之間的數(shù)據(jù)傳輸，定位標簽與定位分站之間數(shù)據(jù)收發(fā)使用的是UWB 無線定位系統(tǒng)。數(shù)據(jù)收發(fā)時首先需要啟動無線天線和定位標簽，數(shù)據(jù)采集裝置開始實時采集定位標簽的位置坐標，之后轉換為無線信號，通過無線天線傳輸至定位基站無線信號接收裝置，定位基站對信號進行處理并實時顯示定位標簽的位置。定位基站向定位標簽發(fā)送數(shù)據(jù)的程序與接收數(shù)據(jù)的程序基本一致，只是數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛳喾矗瑸閿?shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4 所示，首先將待發(fā)送數(shù)據(jù)轉化為無線信號，確定需要發(fā)送之后進行數(shù)據(jù)發(fā)送，等待定位標簽確定接收到定位基站數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)傳輸程序結束。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of monitoring syste

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.4 Data sending process

4.2 定位標簽測距程序

煤礦井下人員定位系統(tǒng)中的定位標簽測距主要指測量定位分站和定位標簽之間的距離，基于SDS-TWR 測距算法設計了定位分站和定位標簽之間距離的測量流程。測距程序啟動之后需進行初始化，之后由定位基站發(fā)送測距數(shù)據(jù)包，同時，記錄數(shù)據(jù)發(fā)出的時間，定位標簽收到有效數(shù)據(jù)信息之后發(fā)出ACK 返回信號，定位分站接收到ACK 信號后停止計時，得到數(shù)據(jù)測距包往反用時，結合數(shù)據(jù)測距包的傳輸時間，即可計算得到定位分站與定位標簽之間的距離。

4.3 定位數(shù)據(jù)上傳程序

完成井下定位標簽位置及距離的測定之后，通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)由定位分站傳輸至地面的人員定位監(jiān)控系統(tǒng)的上位機進行實時顯示。監(jiān)控人員可以依據(jù)獲取的井下作業(yè)人員位置信息進行人員調整與調度，提高井下作業(yè)人員的工作效率；一旦煤炭掘進過程中出現(xiàn)險情，監(jiān)控人員能夠及時搜救或者提供逃生指導，保證煤礦井下作業(yè)人員的安全。

5 人機交互界面設計

人機交互界面是煤礦井下人員定位系統(tǒng)的重要組成部分，主界面如圖5 所示。監(jiān)控系統(tǒng)主界面包括了人員軌跡的查詢、人員分布查詢、人員信息的查詢、出入井時間的統(tǒng)計以及電量不足卡報警等功能，通過點擊對應的按鍵即可實現(xiàn)功能界面的切換，滿足監(jiān)控人員的監(jiān)控需求。

圖5 所示為監(jiān)控系統(tǒng)主界面Fig.5 Main interface of the monitoring system

6 結 語

為了驗證煤礦井下人員定位系統(tǒng)設計的合理性和可行性，在五里堠煤業(yè)進行實踐應用，跟蹤記錄運行實際情況。結果表明，人員定位系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足五里堠井下復雜環(huán)境中人員定位的要求。統(tǒng)計結果顯示，相較于原人員定位系統(tǒng)，應用改進人員定位系統(tǒng)之后，實現(xiàn)了井下人員100%定位，降低了近8%的井下人員調度時間，預計為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟效益近60 萬/a，取得了很好的應用效果。