煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)研究

龍秉政

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是保障礦工生命安全的關鍵一環(huán)，是實現(xiàn)井下人員跟蹤監(jiān)測及應急救援的重要抓手，對于提高安全生產系數(shù)、降低煤礦事故人員傷亡具有重要意義。我國煤礦井下人員定位技術起步較晚，自20世紀90年代開始研發(fā)、2002年第一套人員監(jiān)測管理系統(tǒng)上線應用、2003年第一個煤礦井下人員管理系統(tǒng)正式應用，我國煤礦井下人員定位技術發(fā)展僅有20多年的歷史。近年來，在國家行業(yè)政策指引及信息技術不斷發(fā)展進步的基礎上，煤礦井下安全監(jiān)測監(jiān)控技術及系統(tǒng)的研發(fā)應用工作突飛猛進，人員定位系統(tǒng)也得到了長足發(fā)展，但是由于相關技術在井下應用的局限性，煤礦井下人員定位系統(tǒng)的精確性、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面還存在一些不足，遇到了一定的發(fā)展瓶頸[1-4]。帶著這些問題，本文基于UWB測距及定位技術，對煤礦井下人員的精確定位及系統(tǒng)研發(fā)展開攻關，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位、跟蹤管理、危險報警等功能，從而更有力的保障礦井安全生產。

1 UWB測距及定位技術原理

礦井人員定位系統(tǒng)的基本原理是依靠無線電通信技術和無線發(fā)射接收技術，對配備定位標識卡的礦工進行定位，早期的人員定位是依靠接觸式的信息采集方式，后來逐漸發(fā)展為依靠射頻識別進行定位，但射頻定位的缺陷也很明顯，人員定位的精確性不足，人員定位主要是依靠定位基站的安裝位置，只能定位到基站附近一定距離的標識卡，所能體現(xiàn)的只是佩戴該標識卡的礦工曾經從該基站經過，且由于礦井采掘工作面安裝基站受限，基站密度小，很難對人員的實時位置進行精確定位，往往只是能查到人員在該基站出現(xiàn)過，而無法識別其又到了其他地方，且人員定位信號容易被干擾，其缺陷主要是由于基站無法對標識卡進行準確測距。很顯然，若要實現(xiàn)井下人員的精確定位，我們還需要一個更可靠的井下無線測距技術。

UWB測距及定位技術在無線通信技術中得到廣泛應用，尤其是對短距離通信的適應性極強，測距精度極高，且具有信號帶寬高、信號傳輸效率高、信號損耗低、能耗低等優(yōu)點，對煤礦井下的復雜環(huán)境具有良好的適用性。UWB測距技術原理如第148頁圖1 所示，無線信號由信號收發(fā)器進行接收，基于內部的無線定位算法和測距模型，計算出移動節(jié)點與基準節(jié)點之間的距離，在一個預設的坐標系中，設定基準節(jié)點的坐標，就可以計算出移動節(jié)點的坐標值，這個移動節(jié)點的坐標值即是定位結果。同時，對于內部的測距模型，在建模時預先考慮了測距過程中可能產生的及時誤差等，并對這些誤差進行消除，確保距離測量及定位的準確度[5-8]。

2 人員精確定位系統(tǒng)設計

結合測距技術及人員定位的基本原理，在對現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)應用情況進行大量統(tǒng)計分析的基礎上，設計一套基于UWB測距技術的人員精確定位系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)整體架構

首先，對系統(tǒng)應具備的功能進行分析，結合國家及行業(yè)對礦井人員定位系統(tǒng)的建設要求，以及礦井的實際使用需求，要求建立的人員定位系統(tǒng)應具有的基本功能是井下人員的精準定位，其次還應具備危險預警功能、監(jiān)測監(jiān)控功能、存儲分析功能、考勤管理功能以及良好的人機交互功能。基于這些功能要求，又必須滿足數(shù)據(jù)的實時采集、可靠傳輸、高效計算及分析，設計的人員定位系統(tǒng)整體架構示意圖如圖2所示。整個系統(tǒng)由工業(yè)以太環(huán)網將井上部分和井下部門聯(lián)系在一起，井上部分主要包括地面基站、定位和通訊服務器、地面交換機、監(jiān)控操作設備以及移動通訊設備等，井下部分則包括井下交換機、無線通訊基站、傳輸線路等，還有通過無線網接入系統(tǒng)的人員定位標識卡、無線監(jiān)控設備等。按照信息數(shù)據(jù)流來進行劃分，整個系統(tǒng)架構又可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層及數(shù)據(jù)處理層3個層次，數(shù)據(jù)采集層即是基于UWB原理的無線通訊基站，基站廣泛分布于井下巷道、掘進迎頭、采煤工作面等位置，位于整個系統(tǒng)的最前沿，其設計原理及功能優(yōu)劣直接影響人員定位的精度，數(shù)據(jù)傳輸層是在工業(yè)以太環(huán)網內，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，然后由計算機進行處理，并在監(jiān)控終端屏幕上進行人員位置的動態(tài)顯示。

圖1 UWB測距技術原理示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件設計

前文所述，數(shù)據(jù)采集層位于整個系統(tǒng)的最前沿，其設計原理及功能優(yōu)劣直接影響人員定位的精度，故人員定位標識卡及無線通訊基站的設計至關重要。人員定位標識卡由入井人員隨時佩戴，其核心部件為定位芯片及處理器，由定位天線增強信號強度，具備數(shù)據(jù)存儲功能，由電源進行供電，且具備按鍵長按進行求救的功能，模塊設計如圖3所示。設計時需要考慮性能好、精度高、能耗低、體積小、可靠性好等要素。無線通訊基站布置在井下的各個區(qū)域，其核心的處理器及芯片內置無線定位算法和測距模型，結構示意圖如圖4所示，設計定位模塊、通訊模塊、供電模塊共3個模塊，并具備存儲功能、抗干擾功能及時鐘功能，并設計有正常工作、停機和待機等工作模式。

圖2 人員定位系統(tǒng)整體架構示意圖

圖3 人員定位標識卡設計示意圖

圖4 無線通訊基站設計示意圖

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)及測試

一個好的系統(tǒng)必須具備良好的人機交互性，最重要的是要有一個好的操作軟件。人機交互性的好壞首先體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶通過主界面來使用系統(tǒng)不同的功能模塊，進行參數(shù)的調整、數(shù)據(jù)的查詢、報表的生成，最主要的是整個人員定位系統(tǒng)的功能實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理均會通過人機交互的操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)架構，在系統(tǒng)的實現(xiàn)階段利用Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及MATLAB編譯程序來完成系統(tǒng)軟件開發(fā)。類似常規(guī)的Windows窗口界面，工作人員可以方便地調取人員位置信息，具備人員位置信息管理、入井考勤、工時管理、風險預警、數(shù)據(jù)查詢、曲線及報表生成等功能。例如，人員誤入獨頭巷道或封閉區(qū)域，系統(tǒng)會立刻報警，與井下語音播報系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等聯(lián)動，向危險區(qū)域人員發(fā)出警報，避免事故發(fā)生。通過系統(tǒng)測試，對最終要的精確度指標進行了重點測試，經過600組測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，系統(tǒng)定位的誤差控制在1 m以內，大約為0.71 m，其中在垂直方向上的定位精度較高，控制在0.2 m以內，在水平方向上的定位精度控制在1.1 m，尤其是最大靜態(tài)定位誤差能夠控制在0.3 m以內，符合行業(yè)標準。

4 結語

礦井人員精確定位系統(tǒng)作為煤礦信息化及智能化的重點突破方向，作用會越來越凸顯，也會得到更多的重視和發(fā)展。在特定的井下工作環(huán)境中，基于UWB技術的定位系統(tǒng)無論是從定位精度、實時性，還是穩(wěn)定性、容量大小都完全符合行業(yè)標準及應用要求。系統(tǒng)通過采集的人員數(shù)據(jù)將存儲在數(shù)據(jù)庫中，管理人員可以在計算機中查看作業(yè)人員實時的位置分布、井下人員數(shù)量、指定人員的動態(tài)等，便于掌握人員工作情況，進行管理和調度，在井下危險及重要的區(qū)域設置電子圍欄，如果非指定人員進入時，可以及時進行報警。結合軟硬件的研發(fā)及測試，驗證了系統(tǒng)的各項指標性能，整體精確度較好，實現(xiàn)了預期的設計目標，有利于保障煤礦井下生產的安全性。