李春賀

關(guān)鍵詞： 大數(shù)據(jù); 數(shù)字化礦山; 井下作業(yè); 職業(yè)安全; 安全跟蹤; 信號衰落模型

中圖分類號： TN02?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0040?05

Design of occupational safety tracking system for digital mine

underground personnel in big data environment

LI Chunhe

（China University of Mining & Technology （Beijing）， Beijing 100083， China）

Abstract： According to the operation information flow of digital mine in big data environment， the overall structure of the system is designed. In the second section of this paper， the CC2431 is adopted as the core controller of master station， six reference nodes at least are used to form a wireless network， the substation beacon nodes are set up to determine the position of operators by analyzing the angle between beacon node and blind node， and the coordinator is designed to provide routing services for nodes and hardware support for the implementation of the software localization algorithm. According to the function sequence diagram， the distribution of underground personnel in digitized mine is analyzed， and the distance from the identification card to two sub?stations is calculated by constructing the signal fading model to complete the occupational safety tracking of personnel. The experimental results show that， with the increase of the number of workers， the tracking efficiency of the system remains above 85%， and the system provides a guarantee for the operation safety of underground mine personnel.

Keywords： big data; digital mine; underground operation; occupation safety; safety tracking; signal fading model

0 ?引 ?言

近幾年，信息技術(shù)快速發(fā)展，使得不同行業(yè)都向著數(shù)字化方向轉(zhuǎn)變，其中礦業(yè)公司也不例外。利用信息技術(shù)對數(shù)字化礦山井下作業(yè)人員進(jìn)行統(tǒng)一管理，能夠有效提高礦山開發(fā)效率。目前，數(shù)字化礦山作業(yè)還存在一些問題，其中最為突出的是礦山井上人員信息不統(tǒng)一，在不同時間內(nèi)都建立各自獨立運行部分，導(dǎo)致系統(tǒng)無法及時上報信息，各個部門之間也無法協(xié)調(diào)運行，此時會形成信息孤島，工作人員無法及時進(jìn)行決策，導(dǎo)致作業(yè)人員生命安全受到威脅[1]。

由于井下工作人員作業(yè)地點不同，一旦發(fā)生災(zāi)變將難以確定井下人員位置，無法實現(xiàn)事故發(fā)生后的及時營救。傳統(tǒng)安全跟蹤系統(tǒng)無法實時報告人員具體位置，也無法進(jìn)行實時通信，只能對井下人員進(jìn)行區(qū)域性考勤登記，無法滿足事故救援需要[2]。為了保障煤礦產(chǎn)業(yè)安全生產(chǎn)，本文提出大數(shù)據(jù)下數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)設(shè)計，為礦山井下人員工作安全提供保障。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化礦山井下安全跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部所設(shè)計的基站需要相互通信，采用MGXTSV?4B 型號光纜進(jìn)行連接可防止煤礦突然發(fā)生火災(zāi)所造成的信息中斷現(xiàn)象發(fā)生。而主機(jī)運行監(jiān)控軟件需經(jīng)過通信適配器與井上連接，并放置在井下各個檢測點之中[3]。數(shù)字化礦山井下定位基站能夠?qū)⒉杉降男盘栂蚱渌邮战K端發(fā)射出去，并在四周形成信號場，當(dāng)職工經(jīng)過信號場時，其身上的標(biāo)識卡將被跟蹤，此時系統(tǒng)立即接收到反射回來的信號，并再次向四周釋放[4]。

為了實現(xiàn)人員職業(yè)安全跟蹤，需在大數(shù)據(jù)環(huán)境下構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)平臺，由此處理大數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)所需原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以數(shù)據(jù)流形式表述，如圖1所示。

由圖1可知，用戶信息、活動信息以及報表信息全部都在其中。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下對這些信息進(jìn)行處理，挑選出考勤信息和人員登記信息，以該信息為基準(zhǔn)設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

由圖2可知，人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)定位由基站、標(biāo)識卡和現(xiàn)場總線組成，一旦基站被激活，那么帶有職工信息的標(biāo)識卡將向接收終端發(fā)送信號，一旦各個終端接收到該信號，那么管理人員可手動按下報警按鈕，使工作中心及時發(fā)現(xiàn)危險[5]。

2 ?硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)數(shù)字化礦山井下特殊要求，需采用DD?WRT開源路由協(xié)議擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)，并將BelkinF5D7230作為主板，使用高性能、低能耗的BCM4716型號處理器，可滿足礦山井下作業(yè)要求。以標(biāo)識卡為基本采集工具，采集礦山井下地理信息和工作信息，并對異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，實現(xiàn)對礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤[6]。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知，人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括主站、分站和協(xié)調(diào)器，均通過現(xiàn)場總線連接，形成封閉性結(jié)構(gòu)[7]。設(shè)置人員位置監(jiān)測分站，共用一套數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)則由各自監(jiān)控軟件部分進(jìn)行處理[8]。

2.1 ?主站結(jié)構(gòu)設(shè)計

主站既是系統(tǒng)信息處理核心，又是信息獲取主要來源，經(jīng)過主站完成數(shù)據(jù)篩選與信息存儲;而分站與協(xié)調(diào)形成動態(tài)信息采集區(qū)域，通過一定的信息傳送方式，可將數(shù)據(jù)匯總到主站。主站結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

采用CC2431作為主站核心控制器，由于該控制器缺少其他元件支持，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)不能完全被利用，但其芯片具有精準(zhǔn)定位功能，因此，至少使用6個參考節(jié)點組成大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在該環(huán)境下進(jìn)行人員安全精準(zhǔn)定位與跟蹤[9]。

2.2 ?分站信標(biāo)節(jié)點設(shè)置

分站結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點、信標(biāo)節(jié)點和盲節(jié)點共同組成的，如圖5所示。

由圖5可知：盲節(jié)點設(shè)置是為了保證工作人員在施工過程中具有充足的照明，在其頭部設(shè)置燈點，該點內(nèi)部安裝了定位終端;信標(biāo)節(jié)點設(shè)置是為了固定位置而設(shè)置的參考終端;而協(xié)調(diào)器設(shè)置是為了信息快速收集和傳輸，需組建定位子網(wǎng)絡(luò)，將其收集到的信息全部傳輸?shù)骄?。通過計算信標(biāo)節(jié)點與盲節(jié)點之間的角度確定盲節(jié)點位置，進(jìn)而定位到作業(yè)人員位置。

2.3 ?協(xié)調(diào)器設(shè)計

根據(jù)上述內(nèi)容可知，協(xié)調(diào)器的主要功能是為節(jié)點提供路由服務(wù)，能夠接收來自盲節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點的定位信息，根據(jù)定位信息完成軟件部分定位算法[10]。

根據(jù)定位信息傳送的數(shù)據(jù)，可將其傳輸?shù)交旧?，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用非平衡天線設(shè)計協(xié)調(diào)器來連接各個變壓器，使電源電壓能夠穩(wěn)定輸出，保證信息接收與發(fā)送性能良好。利用RS 232接口可將采集到的信息全部傳輸?shù)街髡荆坏┏霈F(xiàn)信息終端現(xiàn)象，則說明協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障，立刻通知維護(hù)人員更換或維修協(xié)調(diào)器，保證跟蹤系統(tǒng)的實時性。

3 ?軟件功能設(shè)計

根據(jù)具體人員工作狀態(tài)，充分考慮數(shù)字化礦山井下環(huán)境特殊性，采用線性空間定位算法，將兩個分站信息發(fā)送給終端，利用標(biāo)識卡進(jìn)行雙向通信，通過一定的算法獲取標(biāo)識卡與分站之間的實際距離，由此實現(xiàn)軟件功能設(shè)計。設(shè)計用戶登錄功能序列，為定位算法研究提供支持，具體設(shè)計圖如圖7所示。

根據(jù)該功能序列圖可研究系統(tǒng)在相互作用時所進(jìn)行的行為，能夠?qū)崟r記錄細(xì)節(jié)，通過描述不同工作狀態(tài)下所傳送的信息，可滿足登錄功能實際需求。

由于電磁場在數(shù)字化礦山井下的傳遞受到人員布局因素影響，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信信號呈現(xiàn)衰落現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象是無法預(yù)測的，因此需要構(gòu)建衰落模型，保證追蹤結(jié)果的有效性。

模型構(gòu)建如下：

[P1s=P0s0-10θlnss0] （1）

式中：[s]表示人工標(biāo)識卡到目標(biāo)分站之間行走的距離;[P1s]表示[s]距離下產(chǎn)生的衰減信號功率;[s0]表示人工標(biāo)識卡到綜合分站行走的距離;[P0]表示信號發(fā)射功率;[θ]表示人工行走過程中標(biāo)識卡消耗的速率。根據(jù)式（1）可計算路徑損耗情況，隨著通信距離增大，損耗也隨之增加。

設(shè)信號發(fā)射功率為[PA]，[x]分站發(fā)射功率為[Px]，[y]分站發(fā)射功率為[Py]，[x]和[y]分站之間的距離為[L]，人工標(biāo)識卡[A]到[x，y]分站行走的距離分別為[dx]，[dy]，由此可知[x，y]之間的距離為[dx+dy]。當(dāng)人工標(biāo)識卡同時向分站[x，y]發(fā)送信號時，接收到的信號強(qiáng)度為：

[RxA=PA-TxARyA=PA-TyA] （2）

式中：[TxA]表示信號從[x]站向外傳輸時信號整體衰落情況;[TyA]表示信號從[y]站向外傳輸時信號整體衰落情況。

設(shè)[Rxy]表示分站[x]接收到的信號強(qiáng)度值;[Ryx]表示分站[Y]接收到的信號強(qiáng)度值，由此可得出：

[Rxy=P（y）-TyxRyx=P（x）-TxyTyx=Txy=P0s0-10θlndx+dys0] （3）

式中：[Tyx]和[Txy]分別表示從分站[x]和分站[y]傳輸時所產(chǎn)生的信號衰落。

整理式（2）與式（3）之間的關(guān)系，結(jié)果如下：

[RxA-Rxy=PA-Py+10θlndxs0-10θlndx+dys0RyA-Ryx=PA-Px+10θlndys0-10θlndx+dys0] （4）

由于分站和標(biāo)識卡具有相同的發(fā)射功率，由此可計算出[dx]，[dy]值，進(jìn)而確定人員位置，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)下數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)設(shè)計。

4 ?實 ?驗

為了驗證大數(shù)據(jù)下數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進(jìn)行如下實驗。

4.1 ?實驗參數(shù)設(shè)置

實驗參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)該參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2 ?數(shù)據(jù)分析

通過在工作人員頭部的照明裝置內(nèi)安裝定位終端，可快速進(jìn)行信息收集和傳輸，確定盲節(jié)點位置，保證工作人員位置定位的精準(zhǔn)性。收集與之相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可知，當(dāng)節(jié)點數(shù)量呈現(xiàn)有選擇性剔除時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，最大連通分支規(guī)模一直處于實際規(guī)模上方，但失效節(jié)點數(shù)量卻持續(xù)增加，這說明分站信標(biāo)節(jié)點的設(shè)置可剔除不相關(guān)節(jié)點，保證其他節(jié)點的實用性。

4.3 ?實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可將傳統(tǒng)系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤系統(tǒng)對數(shù)字化礦山井下人員定位精準(zhǔn)度進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)實驗次數(shù)分別為10，30，50，70次時，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)對數(shù)字化礦山井下人員定位精準(zhǔn)度高70.073%，65.743%，55.852%，47.666%。由此可知，采用大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤系統(tǒng)對數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全的定位精準(zhǔn)度較高。

在該數(shù)據(jù)支持下，將兩種系統(tǒng)的跟蹤效率進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：作業(yè)人數(shù)少于50人時，采用大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率基本一致，但隨著作業(yè)人數(shù)增加，跟蹤效率逐漸降低。當(dāng)作業(yè)人數(shù)為50人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為53%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為88%;當(dāng)作業(yè)人數(shù)為60人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為59%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為82%;當(dāng)作業(yè)人數(shù)為70人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為48%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為79%;當(dāng)作業(yè)人數(shù)為80人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為55%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為90%;當(dāng)作業(yè)人數(shù)為100人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為46%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為87%;當(dāng)作業(yè)人數(shù)為120人時，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)跟蹤效率為40%，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤效率為85%。由此可知，采用大數(shù)據(jù)下數(shù)字化安全跟蹤系統(tǒng)對數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全的跟蹤效率較高。

綜上所述，大數(shù)據(jù)下數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)設(shè)計是具有合理性的。

5 ?結(jié) ?語

目前我國礦井人員定位跟蹤系統(tǒng)處于發(fā)展階段，但對于井下安全監(jiān)控投入?yún)s日益加大，對于井下安全作業(yè)得到了有效改善。傳統(tǒng)系統(tǒng)無法根據(jù)井下交錯復(fù)雜的情況而精準(zhǔn)定位到作業(yè)人員具體位置，導(dǎo)致跟蹤效率較低。而本文提出的大數(shù)據(jù)下數(shù)字化礦山井下人員職業(yè)安全跟蹤系統(tǒng)，設(shè)計了分站信標(biāo)節(jié)點，可改善傳統(tǒng)問題，使調(diào)度中心能夠準(zhǔn)確追蹤到被困人員位置，使其得到及時救援，保障了礦山井下人員作業(yè)的安全。

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