煤礦井下安全避險之人員定位

文｜劉雷

礦難，自十八世紀(jì)以來，煤炭這種“黑色的金子、工業(yè)的食糧”成為人類世界使用的主要能源之后，就從未中斷。人們也一直在為防范礦難作著種種努力。

2014年4、5月間，云南省煤礦井下事故頻發(fā)，數(shù)十人遇難。4月7日，曲靖麒麟?yún)^(qū)黎明實業(yè)有限公司下海子煤礦發(fā)生重大透水事故，造成21人遇難，1人失蹤。4月21日，曲靖市富源縣后所鎮(zhèn)紅土田煤礦一個工作面發(fā)生瓦斯爆炸事故。事發(fā)時當(dāng)班下井56人，安全升井42人，14人被困井下，經(jīng)確認(rèn)已經(jīng)遇難。5月8日寧蒗縣寧利鄉(xiāng)石筍溝煤礦探礦井發(fā)生一起煤礦事故，3死1傷。遇難、死傷，這簡單的幾個名詞代表著的是一條條本該鮮活生命的逝去。云南礦難，觸目驚心，是一地之失，還是普遍現(xiàn)象？不禁讓人們對煤礦井下安全現(xiàn)狀心存疑慮，倍加關(guān)注。

礦難，自十八世紀(jì)以來，煤炭這種“黑色的金子、工業(yè)的食糧”成為人類世界使用的主要能源之后，就從未中斷。人們也一直在為防范礦難做著種種努力。

在國外，2006年1月，美國西弗吉尼亞查爾斯頓城西北塞格煤礦（Sago Mine）爆炸，14名礦工的死亡促使美國國會立法，要求美國所有煤礦在2009年前必須安裝無線跟蹤定位系統(tǒng)，希望以此拯救更多的生命。

在中國，為提高安全生產(chǎn)保障能力，2010年7月，《國務(wù)院關(guān)于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》提出要強制推行先進適用的技術(shù)裝備。要求煤礦、非煤礦山要制定和實施生產(chǎn)技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)，安裝監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等技術(shù)裝備。同年8月，國家安全監(jiān)管總局國家煤礦安監(jiān)局提出2010年底前，中央企業(yè)和國有重點煤礦企業(yè)的所有煤礦要完成井下人員定位系統(tǒng)的建設(shè)完善工作；2011年底前，其他所有煤礦要完成井下人員定位系統(tǒng)的建設(shè)完善工作。由此可見我國政府對井下安全的重視程度及井下人員定位系統(tǒng)在煤礦安全方面的重要性。

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是指應(yīng)用現(xiàn)代無線通信技術(shù)，集成數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理及圖形展示等相關(guān)技術(shù)的監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)基于電子地圖的煤礦井下人員實時定位和監(jiān)管。并應(yīng)具有煤礦巷道電子地圖瀏覽、區(qū)域人數(shù)分析、人員監(jiān)測管理、人員定位、人員實時軌跡監(jiān)控、人員歷史軌跡回放等功能。從而為實現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)提供及時有效的井下人員定位和監(jiān)控功能，并提供事故發(fā)生時人員逃生的最佳路徑分析，以信息化手段提高了煤礦的安全生產(chǎn)能力。

一、無線通信技術(shù)

人員定位系統(tǒng)所應(yīng)用的無線通信技術(shù)以RFID、WiFi、 ZigBee、Mesh、GIS等為主。國外發(fā)達國家的井下跟蹤設(shè)備成本高，且因采煤機械化程度較高，安全性強，對于井下人員跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)也比較少。

目前中國廣泛使用的礦井人員定位系統(tǒng)大多數(shù)是應(yīng)用RFID、ZigBee、WiFi及GIS 技術(shù)實現(xiàn)的，因其不同的技術(shù)特點，存在其相應(yīng)的優(yōu)點及完善和提高的空間。

1.基于RFID的定位系統(tǒng)

射頻識別即RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。

RFID井下人員定位系統(tǒng)是由井下人員攜帶RFID電子標(biāo)簽，當(dāng)標(biāo)簽進入磁場后，可接收設(shè)置在礦井進出口、巷道分支處、重點區(qū)域等關(guān)鍵點的解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的信息（無源被動式）；或者由標(biāo)簽主動發(fā)送信號（有源主動式），解讀器讀取信息并解碼后，對下井人員進行登記記錄。

RFID技術(shù)有讀取數(shù)據(jù)方便快捷、實時性好、使用壽命長、安全性好、信號的穿透能力強等特點，是目前大部分井下人員定位系統(tǒng)所采用的技術(shù)。包括KJ251、KJ69J、KJ237、KJ128A、KJ133、KJ139、KJ280等。

然而RFID技術(shù)在精準(zhǔn)定位方面略有不足，在遠(yuǎn)距離傳輸時速率較低，而且其超高頻技術(shù)的不完善和成本瓶頸也在一定程度上制約了該技術(shù)的發(fā)展。

2.基于WiFi技術(shù)的定位系統(tǒng)

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，是一個高頻無線電信號。是IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，具備帶寬廣，信號強，功耗小，安全易用等特性，其主要優(yōu)勢在于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸能力，非常適合移動辦公的需要，具有廣闊市場前景。井下采用WIFI技術(shù)的系統(tǒng)相對較少，如KJ361 等。

定位系統(tǒng)在井下通道設(shè)WiFi基站，井下人員攜帶WiFi身份碼或WiFi手機，通過存有人員信息的WiFi終端與基站交換信息 從而對煤礦井下人員實現(xiàn)精確的定位。WiFi技術(shù)也可與RFID、ZigBee、GIS等技術(shù)結(jié)合應(yīng) 用。

3.基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)是由Invensys 公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦等公司共同研究開發(fā)的，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技 術(shù)。

基于ZigBee的人員定位系統(tǒng)是在井下合理布置基站，由井下人員隨身攜帶ZigBee無線終端，在接收到基站信號時或定時向基站發(fā)送信號，基站接收信號并根據(jù)信號強度計算出人員位置，實現(xiàn)精確定位、實時更新。具有低成本、安全可靠、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、精準(zhǔn)定位等多種優(yōu)勢，他解決了RFID面臨的環(huán)境干擾問題，并通過直序擴頻的信噪比增益，大大地降低了系統(tǒng)的功耗，達到提高電池使用壽命的目的。正逐漸為我國更多的井下人員定位系統(tǒng)所采用。采用ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)包括KJ236、KJ571、KJ399等。

此外ZigBee自組織網(wǎng)通信特性在應(yīng)對井下復(fù)雜地形時具有一定的優(yōu)勢，如能充分運用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

4.基于GIS 結(jié)合的定位系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是一門結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計算機科學(xué)的綜合學(xué)科，用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)。可集成地圖、地理分析功能與數(shù)據(jù)庫操作?？筛鶕?jù)井下人員在巷道中的實時動態(tài)分布及井下的實際地理情況制作出相應(yīng)的動態(tài)圖，使井下情況一目了然，能夠幫助應(yīng)急計劃制定者在事故發(fā)生時快速作出路線規(guī)劃并計算出應(yīng)急反應(yīng)時間。該技術(shù)應(yīng)用較廣泛，可單獨應(yīng)用或與其他技術(shù)結(jié)合應(yīng)用（GIS＋RFID；GIS＋WiFi；GIS＋ZigBee等）。

5.基于Mesh技術(shù)通信定位

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，由路由器和客戶端組成，其中路由器構(gòu)成骨干網(wǎng)絡(luò)，并和有線的internet網(wǎng)相連接，負(fù)責(zé)為客戶端提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。是基于網(wǎng)狀分布的眾多無線接入點間的相互合作和協(xié)同，具有寬帶高速與高頻譜效率的優(yōu)勢和動態(tài)自組織、自配置與自維護等突出特點。在該網(wǎng)絡(luò)中，任何設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，都可以發(fā)送和接收信號，都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信?；跓o線Mesh能夠自動調(diào)整拓?fù)洳⒕S持連接，可采用靈活的多跳傳輸，隨需擴展，因此該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更適合應(yīng)用于煤礦井下環(huán)境惡劣、組網(wǎng)復(fù)雜等特殊條件，為井下定位提供更可靠的技術(shù)支持。Mesh組網(wǎng)能力的用戶站成本較較低，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。較其他技術(shù)而言，更適合在我國煤礦環(huán)境中使用。

二、定位系統(tǒng)選擇

井下人員定位系統(tǒng)作為煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一，選擇定位精度高、安全、穩(wěn)定、續(xù)航時間長、性能齊備的定位系統(tǒng)至關(guān)重要，目前取得MA標(biāo)志認(rèn)證和防爆合格證的主要廠家、系統(tǒng)如表1所示。

表1

1.KJ280高精度井下人員定位系統(tǒng)

基于PHS無線小靈通技術(shù)和GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)的中礦華沃KJ280煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)。集成了實時精確定位及緊急通話功能，可實現(xiàn)雙向通信及報警功能。具有識別距離遠(yuǎn)、識別區(qū)域無方向性、無盲區(qū)、信號穿透力強、抗干擾能力強、無微波輻射等優(yōu)點。已獲國家專利，為2006年全國瓦斯工作會議唯一推薦產(chǎn)品。

2.KJ272人員定位系統(tǒng)

深圳市翌日科技有限公司的礦用人員定位系統(tǒng)基于GIS技術(shù)的地理信息顯示、查詢系統(tǒng)，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)ZigBee，定位專利技術(shù)及煤礦井下通信基站專利技術(shù)，真正實現(xiàn)了井下人員的精確定位和其他各業(yè)務(wù)的需要（手機通信、瓦斯等實際數(shù)據(jù)傳輸、無線視頻監(jiān)控）。可提供直觀的巷道圖，礦井移動目標(biāo)實時監(jiān)視和屏幕顯示，實現(xiàn)各部門工作人員考勤、井下定點考勤、信息存儲和歷史數(shù)據(jù)回放、突發(fā)情況報警、發(fā)出報警信息、異常數(shù)據(jù)自動報警功能。

3.礦井定位通信一體化解決方案

泰普通信系統(tǒng)有限公司提供的KJ742W礦山人員管理系統(tǒng)基于RFID＋WiFi技術(shù)，由礦用分站、標(biāo)識卡、礦用語音終端、調(diào)度平臺、定位引擎、人員管理系統(tǒng)軟件等組成。該系統(tǒng)產(chǎn)品緊貼礦井安全生產(chǎn)的實際需求，根據(jù)礦井安全生產(chǎn)的技術(shù)要求和國家安全標(biāo)準(zhǔn)進行獨立設(shè)計，實現(xiàn)了井下人員、車輛、設(shè)備的定位，并集成了井下人員語音對講、通信聯(lián)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，具有安裝方便，覆蓋距離遠(yuǎn)，安全性高、環(huán)境適應(yīng)性強的特點。具有對講定位一體化，兼容環(huán)境監(jiān)測、視頻傳輸?shù)膬?yōu)點。

三、人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用

企業(yè)必須切實做好人員定位系統(tǒng)的維護和升級改造工作，必須保障系統(tǒng)安全可靠運行。

應(yīng)按規(guī)定設(shè)置井下分站和基站，確保準(zhǔn)確掌握井下人員動態(tài)分布情況和采掘工作面人員數(shù)量。所有入井人員必須攜帶定位終端。應(yīng)在礦井各出入井口、巷道分支處、重點區(qū)域、限制區(qū)域及煤礦緊急避險設(shè)施出入口設(shè)置分站，確保及時、準(zhǔn)確的將井下各個區(qū)域人員和移動設(shè)備情況動態(tài)反映到地面計算機系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員和移動設(shè)備的總數(shù)及分布狀況以及井下人員入井、出井時間及運動軌跡，實現(xiàn)對井下人員的實時監(jiān)測。以便于企業(yè)對井下人員進行更加合理的調(diào)度和管理，并在事故突發(fā)時能夠及時高效的做出正確應(yīng)對。礦井調(diào)度室應(yīng)設(shè)系統(tǒng)地面中心站，配備顯示設(shè)備，執(zhí)行24h值班制度。主管安監(jiān)局應(yīng)有同步顯示終端。

此外，井下定位系統(tǒng)可以進一步集成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。通過監(jiān)測系統(tǒng)分布于井下的多種傳感器及視頻頭等完成監(jiān)控終端對井下環(huán)境的動態(tài)監(jiān)控，實時掌控井下瓦斯、粉塵、風(fēng)速、溫濕度等重要數(shù)據(jù)，以便及時發(fā)現(xiàn)井下異常。如果條件成熟，可將手持PDA與井下終端集成，做到監(jiān)控中心與井下人員可實現(xiàn)雙向可視通信，實現(xiàn)井下導(dǎo)航功能，為安全生產(chǎn)及通報險情、指揮井下避險提供保障。