于 平

大同市杏兒溝煤業(yè)有限責(zé)任公司

煤礦井下人員定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展

于 平

大同市杏兒溝煤業(yè)有限責(zé)任公司

人員定位系統(tǒng)可以作為煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)，也可嵌入煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)由地面監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口、監(jiān)控分站、讀卡器和人員卡等組成，煤礦地面設(shè)有監(jiān)控主機(jī)，對(duì)煤礦井下人員和其分布信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，并可以通過顯示器提供友好界面，實(shí)現(xiàn)井下人員定位的直觀展示，監(jiān)控主機(jī)同樣能夠存儲(chǔ)井下人員定位信息的存儲(chǔ)功能，方便管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成人員調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判等工作。基于此，本文將著重分析探討煤礦井下人員定位系統(tǒng)，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

煤礦；井下人員；定位系統(tǒng)

1、煤礦井下人員定位系統(tǒng)概述

地面監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)與井下監(jiān)控分站互聯(lián)，井下以太網(wǎng)絡(luò)為環(huán)型，增強(qiáng)了網(wǎng)路的容錯(cuò)能力，保證井下人員定位信息及時(shí)傳上地面監(jiān)控主機(jī)。井下各監(jiān)控分站則接收所轄區(qū)域內(nèi)所有無線定位信息讀卡器上傳的井下人員實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)。監(jiān)控分站采用輪循方式接收讀卡器上傳數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)傳輸給地面監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控分站能夠在通信中斷時(shí)存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，并在通信恢復(fù)后上傳到地面，實(shí)現(xiàn)定位信息的連貫有效性。

由讀卡器與人員卡組成的井下無線定位信息采集系統(tǒng)則完成下井人員定位信息的實(shí)時(shí)采集。煤礦井下多采用射頻識(shí)別技術(shù)完成人員定位采集，這是由井下巷道蜿蜒曲折、井下電源獲取不便等因素決定的。該技術(shù)通過射頻信號(hào)，讀卡器與人員卡不需要接線，就能實(shí)現(xiàn)信息的傳遞識(shí)別，并具有低成本、低損耗、工作距離長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。人員卡可嵌入安全帽、腰帶、礦燈中，下井人員下井前佩戴這些衣服器具，在井下，人員穿過讀卡器的射頻載波感應(yīng)區(qū)，人員卡就會(huì)被其激活，將含有人員身份、時(shí)間、定位的信息通過射頻信號(hào)發(fā)送給讀卡器，讀卡器在進(jìn)一步傳遞給監(jiān)控分站，最終通過以太網(wǎng)傳遞給地面監(jiān)控主機(jī)。

2、煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、射頻讀卡器分站、CAN總線、中繼器和地面監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5部分組成。圖1所示的定位單元是實(shí)現(xiàn)人員定位的核心部分，由射頻讀卡器分站和射頻標(biāo)簽兩部分組成。作為連接地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和射頻識(shí)別定位系統(tǒng)的橋梁，射頻讀卡器的硬件電路主要由4個(gè)功能模塊組成：C8051F020主控制模塊、由主控制模塊中的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的NRF2401信號(hào)收發(fā)模塊、LCD顯示模塊、串行通信和下載模塊。硬件電路中的NRF2401信號(hào)收發(fā)模塊在接收到單片機(jī)的指令后，通過射頻讀卡器的天線發(fā)送信息給標(biāo)簽并能從標(biāo)簽天線接收信息，單片機(jī)將接收到的有用信息顯示在LCD上，并且通過串口CAN總線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后發(fā)送給地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

2.2 系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)

1)井下定位子系統(tǒng)。井下定位子系統(tǒng)主要由三部分組成：定位分站軟件設(shè)計(jì)、已知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。定位分站的主要功能：建立無線網(wǎng)絡(luò)、對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)、接收無線信息與負(fù)責(zé)CAN總線的數(shù)據(jù)交換。已知節(jié)點(diǎn)的主要功能：為待測(cè)節(jié)點(diǎn)和定位分站提供自身位置信息和RSSI值的定位信息。待測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能：接收定位命令、向已知節(jié)點(diǎn)廣播RSSI值、接收返回的RSSI值、利用自身定位引擎計(jì)算位置并上傳、突發(fā)情況緊急報(bào)警。2)井下人員定位管理系統(tǒng)。人員定位管理系統(tǒng)主要由三部分組成。人員定位管理系統(tǒng)完成的功能有：日?？记凇Ｗ詣?dòng)統(tǒng)計(jì)下井人員的下井時(shí)間，當(dāng)前位置，生成考勤報(bào)表；人員定位與跟蹤。把礦井圖按比例顯示在此用戶圖形界面上，標(biāo)注各已知節(jié)點(diǎn)和讀卡分站的位置，用動(dòng)態(tài)的圖標(biāo)表示井下人員的移動(dòng)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、打印。存儲(chǔ)井下人員的出勤和活動(dòng)軌跡，設(shè)置查詢和打印功能；安防救護(hù)。定期對(duì)人員定位系統(tǒng)和井下緊急避難設(shè)備進(jìn)行檢查，遇到緊急情況實(shí)時(shí)顯示井下人員的數(shù)量、身份、位置；其他功能。管理軟件有聯(lián)網(wǎng)功能，提供遠(yuǎn)程登陸和訪問；針對(duì)礦井可能的人員變化和定位節(jié)點(diǎn)變化設(shè)置了擴(kuò)容功能；為解決日后對(duì)更多功能的需求問題設(shè)置了升級(jí)功能。

圖1

3、煤礦井下人員定位系統(tǒng)具體定位算法及功能

無線通信技術(shù)定位算法主要分為兩種：1)距離式的算法；2)非距離式的算法。前者是依據(jù)所測(cè)量的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，借助最大似然估計(jì)法來計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的具體位置，其中最常用的技術(shù)有RSSI、LQL等測(cè)量距離的技術(shù)。而后者則是不需要使用具體的距離信息，而是直接依據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通性的特點(diǎn)來對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

本次試驗(yàn)主要采取測(cè)量距離的技術(shù)是在RSSI的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，RSSI是用來表示節(jié)點(diǎn)無線信號(hào)強(qiáng)弱的技術(shù)。使用RSSI測(cè)距公式RSSI=A-10nlg(d)導(dǎo)出距離d，這樣就得到了未知節(jié)點(diǎn)和某ID信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。具體來說，在利用RSSI技術(shù)的前提下，能夠提前知道節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)弱，而接收的節(jié)點(diǎn)則會(huì)依據(jù)發(fā)射節(jié)點(diǎn)所發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)弱來直接計(jì)算該信號(hào)的損耗。同時(shí)通過理論與實(shí)踐模型，能夠把損耗轉(zhuǎn)換為距離，從而在基于三角定位理論上，正確找到節(jié)點(diǎn)的具體位置。假設(shè)n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，Bn(xn，yn)，所測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為O(x，y)，那么所測(cè)節(jié)點(diǎn)到各節(jié)點(diǎn)的距離分別是d1，d2，…，dn，根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式，可以得到節(jié)點(diǎn)O的坐標(biāo)估計(jì)值為：