井下人員精準定位系統(tǒng)應(yīng)用探究

陶建彬

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟寧 272063）

煤礦開采作為高危行業(yè)之一，近些年國內(nèi)外煤礦開采安全事故頻繁發(fā)生，加強井下作業(yè)安全管理勢在必行。在市場經(jīng)濟體制改革持續(xù)深化背景下，煤礦開采行業(yè)主管部門對礦井安全生產(chǎn)日益重視，監(jiān)管力度持續(xù)加強，各大煤礦均已引入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，減少了瓦斯爆炸等安全事故發(fā)生。因此，必須要積極采用井下人員跟蹤定位系統(tǒng)和設(shè)備，全天候?qū)伦鳂I(yè)人員自動跟蹤，掌握每位井下作業(yè)人員的精準位置以及運動軌跡，確保礦井生產(chǎn)安全。

1 現(xiàn)有井下熱源定位系統(tǒng)存在的不足

目前很多礦井采用基于RFID（射頻卡）的井下人員跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在井口處或其他通道，使用RFID讀取的方式跟蹤記錄井下人員信息，其主要存在的問題包括以下幾點：

1.在復(fù)雜井下環(huán)境中，如彎道、岔路、曲面等區(qū)域，存在信號受阻、信號盲區(qū)、信號不均，并且受到設(shè)備、墻壁等遮擋，信號衰減度很大。

2.存在較為嚴重的漏卡情況，漏卡是因為分站識別距離短、信號覆蓋范圍小，識別時間短，標識卡通過分站時系統(tǒng)沒有足夠時間獲取標識卡信息，從而增加了漏卡概率。特別是在多目標、高速經(jīng)過分站情況下，漏卡概率更高，無法為井下人員管理提供保障。

3.分站識別范圍小，如果想要實現(xiàn)全井下覆蓋，則必須增加分站數(shù)量，成本非常高。再加上帶寬限制，如果增加分站數(shù)量，則難以及時傳遞人員、設(shè)備信息。采用基于RFID 技術(shù)的井下監(jiān)測系統(tǒng)只能獲得人員經(jīng)過分站信息，無法實時定位井下人員精準位置[1]。

2 井下“三網(wǎng)一體”的井下人員精準定位系統(tǒng)設(shè)計總體方案

2.1 設(shè)計思路

本文提出的“三網(wǎng)一體”的井下人員精準定位系統(tǒng)，結(jié)合了礦井生產(chǎn)安全管理與人員管理要求，從實時獲取井下人員精準位置需求出發(fā)，借助無線監(jiān)測技術(shù)、射頻識別技術(shù)、無線通訊技術(shù)等，實現(xiàn)井下目標定位跟蹤。本系統(tǒng)不僅可以解決基于RFID 井下系統(tǒng)的問題，還可以適應(yīng)井下各類復(fù)雜地形，最大程度地滿足井下人員精準定位需求。本系統(tǒng)借助“三網(wǎng)”實現(xiàn)井下信號全覆蓋，可對井下作業(yè)人員、設(shè)備等目標進行全程、實時、持續(xù)、精準的跟蹤定位，并且具有實時無線尋呼功能。

2.2 運行原理

系統(tǒng)中，井上調(diào)度室設(shè)置中心控制計算機系統(tǒng)（下文簡稱“控制中心”），應(yīng)用計算機通訊技術(shù)、射頻識別技術(shù)，在井口位置設(shè)置驗卡、考勤系統(tǒng)，井下位置布設(shè)礦用本安型讀卡分站和無線收發(fā)器，在重點區(qū)域安裝礦用射頻定位器。使用礦用光纜連接讀卡分站、控制中心，井下作業(yè)人員均配備標識卡，系統(tǒng)通過讀卡分站與標識卡之間的無線通訊功能，即可實現(xiàn)對井下目標的精準定位以及無線尋呼，更好地開展指揮調(diào)度、人員考勤、門禁控制、安全檢驗、緊急處理等工作，系統(tǒng)采集的所有井下信息會自動上傳到各個管理部門，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供信息支持[2]。

2.3 構(gòu)成與主要參數(shù)

本礦井人員精準定位系統(tǒng)主要包括：（1）井上。控制中心、驗卡與大屏幕現(xiàn)實系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)；（2）井下。讀卡分站、無線收發(fā)器、標識卡、射頻定位器、信號傳輸通道等。

2.3.1 井上系統(tǒng)

1.控制中心。主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、通信接口（防護等級在IP20 以上，配備光纖和RS485雙端口）、打印機等。可以現(xiàn)實井下區(qū)域分布情況、特定目標所在位置，可實時進行目標定位、跟蹤、呼叫控制。工作人員可查看、記錄、打印井下定位信息以及設(shè)備運行信息。接收各個讀卡分站上傳的數(shù)據(jù)，并顯示在大屏幕上，同時信息自動存儲到數(shù)據(jù)庫，可隨時調(diào)用查詢。此外，系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)自動分類、統(tǒng)計、警告等功能。

2.驗卡與大屏系統(tǒng)。主要包括驗卡、屏控、驗卡計算機、LED 大屏等硬件構(gòu)成。本次設(shè)計的驗卡系統(tǒng)可分為手持驗卡、固定驗卡兩種方式。手持驗卡系統(tǒng)是由多功能便攜式驗卡器組成；固定驗卡系統(tǒng)由計算機、分站、定位器等組成。通過驗卡系統(tǒng)可以實現(xiàn)呼叫、檢驗、搜索、查詢等功能，可實現(xiàn)井下人員的安全管理。驗卡系統(tǒng)可以檢測標識卡是否正常，包括收發(fā)功能、電池狀況等，可及時發(fā)現(xiàn)標識卡故障，第一時間更換新卡。大屏幕現(xiàn)實系統(tǒng)主要是顯示驗卡信息、井下人員及設(shè)備位置信息等。

3.考勤系統(tǒng)。本設(shè)計結(jié)合井下安全生產(chǎn)管理要求，提供了超過20 種多個類型的考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計模式，根據(jù)礦井生產(chǎn)實際需求持續(xù)完善報表數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)采集信息作為考勤依據(jù)[3]。

2.3.2 井下系統(tǒng)

1.讀卡分站與無線收發(fā)器。包括讀卡分站、無線收發(fā)器、隔爆不間斷電源構(gòu)成。分站和收發(fā)器用于檢測范圍內(nèi)標識卡信息，并發(fā)送呼叫信號。分站和收發(fā)器上配置延伸天線（3 個方向）提高標識卡識別范圍和識別率，單向識別可達250m 以上。分站和收發(fā)器主要安裝在礦井進出口、交叉路以及各個關(guān)鍵部位，根據(jù)礦井實際情況以及信號覆蓋范圍標定具體安裝位置。

2.標識卡。井下人員下井前沒人攜帶一個標識卡，系統(tǒng)可對標識卡進行定位跟蹤。系統(tǒng)以聲、光的方式向井下人員發(fā)出信息，如尋呼、警告等，呼叫模式包括單獨呼叫、小組呼叫、全體呼叫三種模式。如果井下人員遇險可通過標識卡向控制中心發(fā)出特定求救信號。標識卡上安裝可拆卸電池供電，正常狀態(tài)每次更換電池可持續(xù)使用6 個月以上。

3.射頻定位器。射頻定位器是一種輔助設(shè)備，作用于標識卡，從而實現(xiàn)井下人員精準定位。射頻定位器上安裝可拆卸電池供電，正常狀態(tài)每次更換電池可持續(xù)使用6 個月以上。

3 “三網(wǎng)合一”井下人員精準定位系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體規(guī)劃

根據(jù)井下人員精準定位系統(tǒng)設(shè)計標準以及井下實際情況，設(shè)計井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)，實現(xiàn)井下人員精準定位、雙向通訊、考勤，為生產(chǎn)調(diào)度、井下安全檢測、緊急事件處理等工作提供有效手段，系統(tǒng)所采集的信息自動傳輸?shù)礁鱾€部門；井下搭建人員定位安全平臺，最終實現(xiàn)安全監(jiān)測網(wǎng)、井下視頻、通訊網(wǎng)的“三網(wǎng)合一”系統(tǒng)[4]。

3.2 系統(tǒng)特點

1.具體檢驗射頻時頻卡功能，包括識別卡信息、識別卡功能，根據(jù)識別卡信息判斷人員位置信息。

2.具有雙向通訊功能，可接收識別卡的呼救功能，運行可靠、防誤觸。采用輕質(zhì)識別卡，體積小，不占用人員身上空間，佩戴腰卡，避免遺落。

3.混合組網(wǎng)方案在實際應(yīng)用中更加靈活，井上采用光纜傳輸信號、井下采用礦用線纜傳輸信息，同時保證信號傳輸率和安全性。

4.可精準定位、跟蹤井下人員行走線路、各個地點停留時間。

5.具備web 信息發(fā)布功能，系統(tǒng)提供軟件接口協(xié)議，便于后期系統(tǒng)升級與其他系統(tǒng)對接。

6.預(yù)留接口可連接總公司調(diào)度系統(tǒng)，也可連接其他系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時共享。

3.3 系統(tǒng)功能

3.3.1 考勤管理功能

系統(tǒng)可實時采集人員出入井、井下區(qū)域停留時間等信息，通過統(tǒng)計這些信息記得獲取下井班數(shù)、班次、遲到、早退等各類信息，將此類系統(tǒng)匯總、分類、存儲以及生成表報，為企業(yè)考勤管理提供數(shù)據(jù)支持。考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)庫中實時查詢，數(shù)據(jù)庫存儲周期為2 年。

3.3.2 完善報表功能

根據(jù)采礦企業(yè)報表制作要求，系統(tǒng)提供20 種以上的不同類別報表，多方面滿足礦井生產(chǎn)信息需求，并可根據(jù)企業(yè)實際需求更改、重新定制報表。

3.3.3 安全管理功能

根據(jù)多信息判定井下人員分布情況和狀況，包括識別定位、數(shù)據(jù)分析、動態(tài)信息、實時顯示等，并且系統(tǒng)可以實時模擬井下人員行動軌跡。重點區(qū)域定位器設(shè)置數(shù)量多，可以連續(xù)采集人員信息實現(xiàn)精準定位。結(jié)合井下電子地圖，地面調(diào)度指揮可實時與井下管理人員、組長等人員保持溝通。一旦系統(tǒng)檢測到可能出現(xiàn)安全事故會自動發(fā)出聲光警報，提醒井下人員通過識別卡向控制中心發(fā)送安全信息。風(fēng)險判定包括：井下信號丟失、井下長時間滯留、安全檢測系統(tǒng)判定存在風(fēng)險等[5]。

3.3.4 無線尋呼

標識卡上配備聲光報警燈，在分站發(fā)出呼叫信號后標識卡發(fā)出聲光信息提醒作業(yè)人員。無線尋呼功能可通過遠程發(fā)送聲光警報信息的方式，有助于人員緊急撤離或失蹤人員尋找。呼叫可以是個人、小組、區(qū)域人員、全體人員，由計算機控制呼叫范圍，向分站發(fā)送指令即可呼叫。呼叫分為多個類型，包括日常呼叫、緊急呼叫、撤離呼叫，不同顏色報警燈代表不同呼叫類型。

3.3.5 安全監(jiān)測管理

實時跟蹤井下特殊崗位人員的運動軌跡，如瓦斯員、安檢員等，記錄這些特殊崗位人員在指定位置停留時間，從而確保嚴格按照標準執(zhí)行安全監(jiān)測工作。

3.3.6 緊急事件處理

如果井下出現(xiàn)緊急狀況，井下人員可通過識別卡向控制中心發(fā)送呼救信號，控制中心根據(jù)呼救信號等級判斷采取哪種應(yīng)急方案。控制中心與應(yīng)急預(yù)案聯(lián)動，系統(tǒng)自動提供各類事故應(yīng)急預(yù)案，點擊進入后呈現(xiàn)事先設(shè)定好的避災(zāi)路線，查詢井下附近人員信息，統(tǒng)計丟失人員數(shù)量，定位所有標識卡，提供井下人員分布情況，便于開展搜救行動。如果發(fā)生緊急狀況且通訊系統(tǒng)中斷，系統(tǒng)可提供災(zāi)前各個時間段標識卡信息，判定井下人員位置范圍，為搶險人員制作搜救圖提供信息支持。

3.3.7 系統(tǒng)運行管理

本次設(shè)計的“三網(wǎng)一體”井下人員精準定位系統(tǒng)具有自檢功能，系統(tǒng)檢測到出現(xiàn)故障情況會自動發(fā)出報警信息，提供基站設(shè)備、系統(tǒng)運行狀況信息，也可以根據(jù)需求打印裝備與系統(tǒng)狀態(tài)報表。對各類設(shè)備統(tǒng)一管理，設(shè)定標識卡、射頻定位器電量警報以及電量底線，提示工作人員及時對設(shè)備展開運維。系統(tǒng)支持導(dǎo)入CAD 電子礦圖，可移動、放大、縮小，在矢量圖上自定義信息、呈現(xiàn)標識卡位置信息[6]。

3.3.8 歷史信息記錄與查詢

系統(tǒng)可對礦井生產(chǎn)信息長期保存并定時更新，包括目標定位、統(tǒng)計考勤、雙向?qū)ず簟⒈O(jiān)測管理、系統(tǒng)運行參數(shù)等，保存周期為1 年，工作人員可隨時訪問數(shù)據(jù)庫調(diào)用、打印歷史信息。

3.3.9 管理軟件功能

系統(tǒng)采用B/S 模式，借助身份識別技術(shù)設(shè)定分級管理權(quán)限，工作人員只需輸入賬號、密碼即可自動進入權(quán)限界面，界面采用模塊化導(dǎo)航設(shè)計，操作十分便捷。矢量地圖可靈活導(dǎo)入CAD 圖形。通過軟件設(shè)計，實現(xiàn)井下定位與跟蹤、雙向?qū)ず簟⒖傉{(diào)聯(lián)網(wǎng)、考勤統(tǒng)計等功能，通過標識卡實現(xiàn)井下人員精準定位、連續(xù)追蹤，顯示重點區(qū)域人員出入事件、滯留事件等信息，并根據(jù)所采集信息情況發(fā)出聲光警報。井口驗卡系統(tǒng)可顯示井下人員分布信息、部門分布信息。系統(tǒng)可通過接口連接各類傳感器，如通過溫感器采集井下溫度信息，并自動繪制溫度曲線[7]。借助網(wǎng)絡(luò)化與信息共享功能，可為各方提供網(wǎng)絡(luò)通信平臺。

4 結(jié)語

本次設(shè)計的“三網(wǎng)合一”井下人員精準定位系統(tǒng)，結(jié)合了礦井生產(chǎn)特點和要求，借助射頻識別、計算機通訊技術(shù)等，實現(xiàn)了井下全覆蓋、重點區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測，根據(jù)所采集的定位信息統(tǒng)一上傳控制中心，分布式信息采集可以保障人員管理的針對性，雙向?qū)ず粝到y(tǒng)可實時保持與井下聯(lián)系，根據(jù)井下緊急事故快速發(fā)出調(diào)控信息，保障井下生產(chǎn)安全。此外，該系統(tǒng)分站信號覆蓋范圍大，可避免出現(xiàn)漏卡問題，靈活的組網(wǎng)模式，系統(tǒng)容量更大，后續(xù)升級更加便捷。總之，該系統(tǒng)保障了井下人員定位精度、時效，提高了井下生產(chǎn)的安全性。