覃中順，趙四海，胡云蘭，李 雷，蘇輝，楊波凱

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.冀中能源井陘礦業(yè)集團大有機電有限公司，河北 衡水 053100)

降低煤礦井下事故發(fā)生后的死亡率，避免因為井下突發(fā)事故時，由于安全生產(chǎn)管理培訓(xùn)不到位等原因造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失有重要的研究意義[1]。國內(nèi)目前有語音交互的應(yīng)急救援系統(tǒng)，它利用語音合成、語音交互等來實現(xiàn)更加便捷的交流，縮短救援時間[2，3]。但是沒有比較成熟的井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)，井下人員自救援、自撤離能力沒有較大的提升[4，5]。所以引入一種煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)為井下人員在突發(fā)事故時指明最優(yōu)撤離路徑是必要的。

本文基于WIFI(Wireless-Fidelity)定位技術(shù)，采用語音合成的導(dǎo)航模式，通過WIFI信號實時語音導(dǎo)航，來確定逃生路線。使井下人員在突發(fā)災(zāi)害情況時，通過應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)管理平臺達到自救援、自撤離的目的，從而降低人員傷亡率。

1 總體方案設(shè)計

1.1 總體構(gòu)架設(shè)計

煤礦井下應(yīng)急語音導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理為：煤礦井下人員通過隨身攜帶的移動終端經(jīng)由井下巷道內(nèi)布置的無線AP節(jié)點(即接入節(jié)點)組成的通信網(wǎng)絡(luò)與地面進行通信[6]；在井下日常生產(chǎn)工作中，該系統(tǒng)通過各AP節(jié)點在巷道內(nèi)的位置和該AP節(jié)點與井下移動終端之間的RSSI(Received Signal Strength Indication)值來確定人員位置，以便于井下人員的調(diào)配和作為應(yīng)急語音導(dǎo)航的參考起點[7-9]；在井下突發(fā)故事時，由井下人員通過移動終端按鍵上報事故等級和位置信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)并迅速做出響應(yīng)，由語音合成的方法將地面應(yīng)急預(yù)案和導(dǎo)航路徑信息反饋給井下工作人員，完成緊急疏散[10]。

煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)由3個部分構(gòu)成，其具體構(gòu)架如圖1所示。第一部分是井下移動終端，主要由核心控制處理器、WIFI通信模塊和語音合成模塊組成；主要實現(xiàn)井下人員定位、通信數(shù)據(jù)的采集和接收、輔助人員應(yīng)急逃生等功能。第二部分是WIFI通信網(wǎng)絡(luò)，主要由無線AP節(jié)點和井下通信交換機組成；主要實現(xiàn)與井下移動終端的數(shù)據(jù)傳輸、為地面監(jiān)控管理系統(tǒng)采集井下數(shù)據(jù)和與地面監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交流和通信。第三部分是地面監(jiān)控管理系統(tǒng)，由PC機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、井上核心交換機等組成；主要實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)分析和計算、可視化顯示井下定位情況、管理人員信息、存儲及處理應(yīng)急管理預(yù)案以及相關(guān)數(shù)據(jù)庫的管理服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 井下定位設(shè)計布局

井下定位設(shè)計基于RSSI的室內(nèi)定位技術(shù)，采用指紋定位的方法進行定位。該方法將AP節(jié)點采集的RSSI值作為特征值與空間中某一位置進行匹配即可得到該特征值的匹配坐標(biāo)[11，12]。由于井下巷道多為悠長狹窄的室內(nèi)布局，采取沿巷道軸向每隔2m設(shè)置一個目標(biāo)位置，AP節(jié)點沿巷道軸向每隔40m布置一個AP節(jié)點。如圖2所示，選取移動終端所連接的AP節(jié)點中信號最強的4個節(jié)點作為離線訓(xùn)練樣本，建立巷道目標(biāo)位置數(shù)據(jù)庫。待多次完善數(shù)據(jù)庫后，在線定位時移動終端實時采集的RSSI值與數(shù)據(jù)庫比對就能得到其位置，完成在線實時定位[13-15]。

圖2 指紋定位布局原理

2 硬件設(shè)計選型及軟件流程設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計及選型

2.1.1 移動終端設(shè)計

移動終端由三個部分的構(gòu)成：控制處理器和其外圍電路、WIFI通信模塊和語音合成模塊。為了保證系統(tǒng)的快速處理能力和較大的內(nèi)存，綜合考慮，選用STM32F103ZET6作為移動終端CPU，LQFP144控制板作為終端控制處理器的載體。WIFI通信模塊選用ATK-ESP8266作為數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臉蛄?。語音合成模塊采用科大訊飛的YS-XFSV2中英文語音合成模塊作為語音導(dǎo)航的載體。移動終端采用5V/2A的電源作為輸入端，控制芯片與ESP8266、YS-XFSV2模塊采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口通信連接，通信波特率為9600，端口號為5000，采用RS232的通信方式逐字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)，其可靠性、通信效率優(yōu)良。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 移動終端硬件結(jié)構(gòu)

2.1.2 無線通信模塊連接電路

經(jīng)過板載降壓芯片后，接入3.3V電壓為WIFI模塊供電，模塊可以通過板載單片機復(fù)位，UART通信接口各外接一個電阻穩(wěn)壓，如圖4所示。

圖4 WIFI模塊接口電路

2.1.3 語音合成模塊連接電路

YS-XFSV2語音模塊與主控芯片采用UART串口通信方式連接，其原理如圖5所示。語音模塊的XFS5152CE芯片電源輸入、接地與主控制芯片的電源VCC、接地GND相通，其數(shù)據(jù)發(fā)射端口P39、數(shù)據(jù)接收端口P41分別與主控芯片的第一組串口通信端口的數(shù)據(jù)接收端口P30、數(shù)據(jù)發(fā)射端口P31相連，中間分別通過一個10kΩ的電阻穩(wěn)壓。

圖5 XFS5152CE芯片接口電路

2.1.4 其他設(shè)備選型

井下AP節(jié)點型號選用MZ-FBWX，其無線信號覆蓋范圍最大可達500m，可用于井下在有甲烷、煤塵爆炸性氣體混合物的場合。

井下通信交換機選用KJJ127礦用隔爆兼本安型網(wǎng)絡(luò)交換機，該交換機具有光纖組網(wǎng)，以太網(wǎng)光、電信號接入，RS458信號和CAN信號接入功能，符合井下無線AP節(jié)點的組網(wǎng)要求，其防爆性能、信號傳輸、抗摔、耐腐蝕、耐磨損性均符合井下使用要求和國家標(biāo)準(zhǔn)。

井上核心交換機采用華為S5720系列千兆級以太網(wǎng)交換機，其網(wǎng)絡(luò)管理功能、安全管理功能、QoS(Quality of Service)等均符合井上數(shù)據(jù)管理要求。

地面服務(wù)器選用Think Server RD40，其數(shù)據(jù)存儲能力、運算處理速度均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

2.2 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為移動終端子系統(tǒng)設(shè)計和后臺監(jiān)控管理軟件設(shè)計。移動終端子系統(tǒng)是其內(nèi)置的嵌入式程序，主要負(fù)責(zé)和AP基站通信，返回位置信息和接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)并合成播放。在對硬件模塊進行初始化及初始參數(shù)配置之后，移動終端在接收到AP基站發(fā)送的指令或者自身按鍵指令時，對其分析判斷，實現(xiàn)人員位置數(shù)據(jù)采集并發(fā)送以及解析AP基站返回的語音數(shù)據(jù)并經(jīng)過合成后播報。移動終端子系統(tǒng)的軟件工作流程如圖6所示。

圖6 移動終端工作流程圖

地面監(jiān)控管理軟件分為信息管理、跟蹤定位管理、應(yīng)急救援管理和系統(tǒng)管理等四部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。信息管理實現(xiàn)井下工作人員的人事、考勤等日常管理；人員定位管理實現(xiàn)顯示井下巷道信息界面和人員位置及軌跡管理；應(yīng)急救援管理實現(xiàn)礦井預(yù)警和應(yīng)急報警管理，并利用蟻群算法及時規(guī)劃應(yīng)急導(dǎo)航路線；系統(tǒng)管理主要是設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)和對綜合數(shù)據(jù)庫進行管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存儲人員管理信息、井下地圖、應(yīng)急預(yù)案、AP基站數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和導(dǎo)航預(yù)備數(shù)據(jù)等。

圖7 地面監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)在冀中能源井陘礦業(yè)集團下屬煤礦井下進行試運行測試。該系統(tǒng)上位機軟件采用VS2019的.NET窗體應(yīng)用開發(fā)平臺，結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫管理器，設(shè)計了一個窗體應(yīng)用程序，地面管理人員通過人員定位模塊、應(yīng)急救援管理模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊和跟蹤定位管理模塊對井下人員信息、井下巷道信息和應(yīng)急管理預(yù)案進行監(jiān)控和管理。

跟蹤定位管理模塊下拉出人員定位導(dǎo)航管理界面，根據(jù)SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲的井下巷道地圖信息和AP節(jié)點信息，可以實時尋找人員位置、查看井下AP節(jié)點連接情況、變更井下巷道地圖信息等。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，可以實時報警并列出事發(fā)位置信息和附近人員位置信息。

應(yīng)急救援管理模塊負(fù)責(zé)調(diào)用應(yīng)急導(dǎo)航預(yù)案和應(yīng)急管理文件，并且發(fā)送給井下移動終端，通過語音合成模塊的數(shù)據(jù)合成轉(zhuǎn)化為語音信息，實時為井下工作人員導(dǎo)航播報。

煤礦井下試運行表明，該系統(tǒng)井下定位功能基本實現(xiàn)良好，導(dǎo)航預(yù)案與語音合成導(dǎo)航狀況良好。根據(jù)上文定位設(shè)計的指紋定位方法和AP節(jié)點的布局情況，以及訓(xùn)練好的離線樣本進行在線測試，選取了9組在線應(yīng)急導(dǎo)航測試結(jié)果。由井下定位精度誤差所致，井下導(dǎo)航也出現(xiàn)了少許誤差，其精度控制在3m以內(nèi)。導(dǎo)航單條路徑的平均誤差如圖8所示，縱坐標(biāo)為單路徑平均誤差，橫坐標(biāo)為路徑編號。

圖8 導(dǎo)航單條路徑的平均誤差

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件流程設(shè)計。該系統(tǒng)在煤礦井下進行了試運行，其定位能與導(dǎo)航功能應(yīng)用實現(xiàn)狀況良好，導(dǎo)航精度控制在3m以內(nèi)，滿足井下人員自撤離的需要。下一階段將要對其井下定位精度進行優(yōu)化，從而進一步提高井下導(dǎo)航的精度。