王傳林

（山東裕隆礦業(yè)集團(tuán)有限公司唐陽煤礦，山東 濟(jì)寧 272500）

為遏制煤礦井下超定員生產(chǎn)，避免或減少煤礦重特大事故發(fā)生，早期建設(shè)的基于RFID的區(qū)域人員定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對出入井及井下某一特定區(qū)域人員的數(shù)量統(tǒng)計，能夠大體上確定人員在井下所經(jīng)過的軌跡，不能夠?qū)崟r統(tǒng)計井下作業(yè)人員的精確位置，不能夠完全滿足井下應(yīng)急救援和安全生產(chǎn)的需要。

唐陽煤礦作為全國139處沖擊地壓礦井之一，積極探索井下作業(yè)人員的高精度定位，引進(jìn)了基于以太網(wǎng)傳輸?shù)腒J251A精確人員定位系統(tǒng)，努力構(gòu)建面向全礦井服務(wù)的位置實時服務(wù)平臺，為井下目標(biāo)提供精準(zhǔn)的位置和導(dǎo)航服務(wù)，為礦井的防災(zāi)避災(zāi)和安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由監(jiān)控計算機、系統(tǒng)軟件、井口唯一性檢測裝置、人員定位分站、精確定位讀卡器、人員標(biāo)識卡、工業(yè)以太網(wǎng)平臺等組成，如圖1所示。

圖1 精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理

（1）在井下巷道內(nèi)布置精確定位讀卡器，使相鄰兩臺讀卡器間距300m，每臺讀卡器具有獨自的位置信息和邏輯信息，這些讀卡器在地面軟件被對應(yīng)地標(biāo)注為絕對位置。

（2）讀卡器和標(biāo)識卡采用TOF時差測距測量方法，周期性計算電磁波在讀卡器和標(biāo)識卡之間的飛行時間t，可計算出二者之間的距離：

D=ct/2

式中：

c-電磁波傳播速度，c=3×108m/s。

由此讀卡器和標(biāo)識卡之間的相對距離，測距誤差小于3m。

（3）分站主通訊采用光纖傳輸，分站與讀卡器之間采用3路獨立的RS485傳輸，保證了精確定位數(shù)據(jù)在3s周期內(nèi)及時傳輸至地面中心站，滿足實時定位需要。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

1.3.1 唯一性檢測

KJ251A-WY2井口唯一性檢測裝置，采用圖像識別技術(shù)、短距離識別技術(shù)及唯一性檢測算法等技術(shù)，提升煤礦企業(yè)出入井人員智能高效管理水平，杜絕煤礦出入井人員不帶卡、帶壞卡、替代卡、多帶卡以及無資格人員入井等類似事件發(fā)生，實現(xiàn)出入井人員數(shù)量的準(zhǔn)確統(tǒng)計、身份確認(rèn)、入井資格驗證，確保緊急情況下能夠快速確定井下人員數(shù)量和身份。唯一性裝置功能邏輯圖如圖2所示。

圖2 唯一性裝置功能邏輯圖

1.3.2 井下精確定位技術(shù)

采用微功耗技術(shù)、無線射頻功放技術(shù)、PCB微帶天線技術(shù)和定向天線技術(shù)，設(shè)計了定位同步機制、多卡防碰撞機制、低功耗運行模式、標(biāo)識卡優(yōu)化安裝，線選用高性能的平板定向天線，能夠?qū)崿F(xiàn)單臺精確定位讀卡器在煤礦井下覆蓋范圍不小于600m，且能夠準(zhǔn)確判斷標(biāo)識卡移動方向，在覆蓋范圍內(nèi)，對井下動態(tài)目標(biāo)進(jìn)行實時定位跟蹤,定位精度小于3m。

1.3.3 井下寬帶傳輸分站

井下寬帶傳輸分站含有3個千兆光纖接口、2個RJ45接口、3個RS485接口、1個電源接口。主芯片為LPC1766處理器，其是LPC1700系列ARM（Cortex-M3）微控制器，速度高達(dá)120MHz。LPC1700系 列ARM有 高 達(dá)512kB Flash、96kB SRAM、12位A/D和10位D/A轉(zhuǎn)換器以及1個內(nèi)部RC振蕩器。如圖3所示。

工業(yè)交換機處理器RTL8306E，采用CoOS操作系統(tǒng)，高度可裁剪性，最小系統(tǒng)內(nèi)核僅974Byte，支持優(yōu)先級搶占和時間片輪轉(zhuǎn)，支持自適應(yīng)任務(wù)調(diào)度算法，

堆棧溢出檢測，信號量、郵箱、隊列、事件標(biāo)志、互斥等同步通信方式，支持多種編譯器，ICCARM、ARMCC、GCC。

圖3 分站內(nèi)部邏輯框圖

2 唐陽煤礦現(xiàn)場應(yīng)用

唐陽煤礦按要求進(jìn)行設(shè)備安裝布置，地面調(diào)度中心機房安裝兩臺人員定位主機，形成“一主一備、雙機熱備”模式，調(diào)度室安裝人員定位客戶端，實施井下人員實時監(jiān)測，安有UPS不間斷電源，保障可持續(xù)供電。

（1）井口安裝KT251A-WY2入井人員唯一性檢測裝置，負(fù)責(zé)對入井人員攜帶KJ251A-K3精確定位卡完好性和數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。人像比對服務(wù)器安裝在地面調(diào)度中心機房，通過網(wǎng)線與人員定位主機實現(xiàn)互聯(lián)互通，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

（2）共安裝了14臺KJ251A-F光分站，其中地面副井口1臺，井下安裝了13臺，分別裝在副井底分站、23絞車房、-410泵房、-410一號聯(lián)絡(luò)巷、-410五號聯(lián)絡(luò)巷、23中車場、二采區(qū)變電所、二采區(qū)南部拓展區(qū)、二采區(qū)南部軌道巷、北翼檢修斜巷、63猴車上平臺、13絞車房、六采區(qū)變電所等地方。分站通過光纖接入井下礦用交換機，保障數(shù)據(jù)實時上傳。

（3）共安裝了60臺礦用本安型精確定位讀卡器，其中，地面副井口2臺，井下各區(qū)域58臺，能夠完成井下40km以上范圍內(nèi)的無線信號覆蓋。單臺讀卡覆蓋范圍既能夠判斷標(biāo)識卡移動的方向，還能夠精準(zhǔn)地測量標(biāo)識卡與讀卡器之間的距離，徹底解決以往區(qū)域定位難以解決的準(zhǔn)確判斷人員出入井下分支巷道不準(zhǔn)確的難題。60臺讀卡器涵蓋了井下所有的巷道、硐室、重點區(qū)域、限制區(qū)域等場所，便于實時統(tǒng)計當(dāng)前井下區(qū)域人數(shù)及實時分布情況。

（4） KJ251A-K3礦用本安型精確定位卡有兩種固定方式，分別是燈繩卡和腰帶卡。為便于管理，該礦采用融合佩戴的方式，少量人員采用腰帶卡，大量人員采用燈繩卡方式。

3 系統(tǒng)主要先進(jìn)功能

3.1 井人精準(zhǔn)人卡合一與多卡快速就地報警

（1）在地面入井通道口對出入井人員攜帶標(biāo)識卡完好性能進(jìn)行檢驗，避免入井人員不攜帶標(biāo)識卡或攜帶壞卡入井；

（2）能夠在井口對出入井人員攜帶標(biāo)識卡數(shù)量進(jìn)行自動全身掃描檢測，發(fā)現(xiàn)多張卡進(jìn)行就地報警，避免一人攜帶多張卡入井；

（3）在地面井口主動對人員人臉進(jìn)行采集，判斷是否是本人入井，避免替代標(biāo)識卡入井；

（4）在入口的液晶顯示器上顯示入井人員實時視頻信息、比對結(jié)果、姓名、卡號及標(biāo)識卡狀態(tài)等信息；

（5）與人員定位系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，確保考勤信息準(zhǔn)確無誤；

（6）人臉信息和標(biāo)識卡信息比對成功后，能夠輸出道閘控制信號，限制不帶卡人員或帶多卡人員通行；

（7）能夠?qū)崟r記錄不符合規(guī)范的入井人員信息，便于統(tǒng)計、查詢；

（8）具備專用的唯一性檢測通道裝置，裝置能夠?qū)Υ龣z人員提示“前進(jìn)”和“等待”；

（9）比對快速準(zhǔn)確，平均人員通過時間≤4s，多卡檢測準(zhǔn)確率≥98%，入井人像識別通過率≥99%。

3.2 單讀卡器大范圍信號覆蓋

礦用本安型讀卡器無線覆蓋距離可達(dá)600m，通過若干讀卡器就可以保證巷道信號全覆蓋。如圖4所示。

圖4 讀卡器覆蓋統(tǒng)計

3.3 實時連續(xù)的周期性定位準(zhǔn)確定位

采用獨特的TOA技術(shù)，保證調(diào)度指揮中心可以隨時知道井下礦工的精確位置，數(shù)據(jù)誤差在5m以內(nèi)，良好條件下達(dá)3m以內(nèi)。射頻信號在煤礦井下展現(xiàn)了良好的適應(yīng)性，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸鏈路穩(wěn)定，即使在多卡并發(fā)的情況下，也能夠保障數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。讀卡器定位連續(xù)性統(tǒng)計見表1。

表1 讀卡器定位連續(xù)性統(tǒng)計

3.4 實時了解人員具體位置

采用光傳輸分站，數(shù)據(jù)傳輸可以達(dá)到100MBPS級別，一臺分站可攜帶8臺讀卡器。井下設(shè)備采集的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了秒級傳輸，除非光纖終端外，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)堆積形成延遲取數(shù)情況。

3.5 強大的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

系統(tǒng)具備強大的管理功能，主要由用戶管理、實時定位、精準(zhǔn)統(tǒng)計、雙向功能、考勤管理、員工管理、軌跡回放、系統(tǒng)幫助等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)能夠?qū)崟r對下井人員入井時間、升井時間進(jìn)行統(tǒng)計，實時對各單位人員下井班數(shù)、班次等情況進(jìn)行監(jiān)測和分類統(tǒng)計，實時對井下各監(jiān)測區(qū)域工作人員的數(shù)量和分布情況進(jìn)行分類統(tǒng)計，能夠自動匯總、存儲、自動生成報表和打印以上各信息。數(shù)據(jù)支持實時查詢，隨時查詢單獨人員、班組、區(qū)隊、部門、礦領(lǐng)導(dǎo)下井情況?？记诠芾砜砂窗嘟M、區(qū)隊、部門分級匯總統(tǒng)計、查詢、打印。

4 結(jié)語

唐陽煤礦新型精確人員定位系統(tǒng)采用TOF、獨創(chuàng)的唯一性檢測裝置、全身掃描判斷多卡及就地報警、寬帶傳輸分站、低功耗、多卡防碰撞等技術(shù)，創(chuàng)造性實現(xiàn)了井下高性價比的無線信號大范圍覆蓋，定位精度為5m以內(nèi)，更精準(zhǔn)、更實時地了解井下人員動態(tài)。該系統(tǒng)功能齊全、技術(shù)先進(jìn)，提高了煤礦出入井人員智能管理水平，促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)。