肖 震

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100）

引言

煤礦井下人員定位系統(tǒng)在確保井下人員安全方面有著非常重要的作用，尤其是在開展應(yīng)急救援工作時(shí)，人員定位精度直接決定了救援的速度和效率[1-2]。人員定位系統(tǒng)要求覆蓋整個(gè)開采區(qū)域，對(duì)所有人員進(jìn)行精確定位，為了達(dá)到系統(tǒng)覆蓋的廣度要求，會(huì)用到大量的讀卡器[3]。某煤礦當(dāng)前階段使用的讀卡器通過(guò)RS485 總線和分站進(jìn)行連接，但整體數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)。為實(shí)現(xiàn)讀卡器與分站之間的連接，要在煤礦井下建設(shè)長(zhǎng)距離的通信電纜，施工難度大、成本高。且當(dāng)井下人員遇到緊急情況時(shí)，需要通過(guò)手動(dòng)方式啟動(dòng)求救信號(hào)，地面接收到求救信號(hào)后才會(huì)開展相關(guān)的應(yīng)急救援工作。如果井下人員無(wú)法通過(guò)手動(dòng)模式啟動(dòng)求救信號(hào)，地面就無(wú)法及時(shí)獲知井下實(shí)際情況，很有可能會(huì)錯(cuò)過(guò)黃金救援時(shí)間，最終引發(fā)井下人員傷亡情況[4]。鑒于當(dāng)前使用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)存在的不足之處，本文充分利用UWB 超寬帶定位技術(shù)以及LoRa 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)人員定位系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)研究，極大提升了系統(tǒng)的智能化水平，可有效避免人員傷亡事故的發(fā)生。

1 人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)工作原理可以概述如下：所有井下人員都配備有對(duì)應(yīng)的人員標(biāo)簽，該標(biāo)簽上設(shè)置有求救按鈕，通過(guò)人員標(biāo)簽可以向外部發(fā)出求救信號(hào)，由讀卡器讀取信號(hào)并根據(jù)信號(hào)來(lái)獲得人員具體位置、求救信息等具體信息。在獲得井下人員位置信息后，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)及時(shí)將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒终?，然后由分站將?shù)據(jù)信息進(jìn)一步傳輸至地面集中監(jiān)控中心，中心根據(jù)具體情況以及相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案立即組織應(yīng)急救援工作。圖1 所示為煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)工作原理框圖，該系統(tǒng)可以顯著提升井下人員定位的效果和速度。

圖1 煤礦井下人員智能化定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 人員定位系統(tǒng)主要技術(shù)

2.1 UWB 超寬帶定位技術(shù)

當(dāng)前RSSI、Zig-Bee、CSS 等定位技術(shù)在煤礦行業(yè)中都有一定程度的應(yīng)用，但這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一些問(wèn)題，其中最顯著的問(wèn)題是信息數(shù)據(jù)傳輸速度較慢且定位精度有待提升[5-6]。而UWB超寬帶定位技術(shù)正好能克服上述兩方面問(wèn)題，即能達(dá)到及時(shí)性和精確性要求。本文通過(guò)UWB 超寬帶定位技術(shù)來(lái)完成煤礦井下人員的定位，通過(guò)該技術(shù)能快速準(zhǔn)確地計(jì)算得到讀卡器與人員標(biāo)簽之間的間距，確保了人員定位的精確性，緊急情況下系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

具體而言，本文采用的是TOA 測(cè)距方法，即利用定位技術(shù)測(cè)量讀卡器與人員標(biāo)簽之間的距離，整個(gè)定位過(guò)程需要測(cè)量2 次距離。第1 次距離測(cè)量過(guò)程：讀卡器主動(dòng)向人員標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，直到讀卡器自動(dòng)應(yīng)答，計(jì)算這段時(shí)間差為T1，讀卡器發(fā)出自動(dòng)應(yīng)答到人員標(biāo)簽接收數(shù)據(jù)信號(hào)，整體時(shí)間差為T2。第2 次距離測(cè)量過(guò)程：人員標(biāo)簽對(duì)輸送過(guò)來(lái)的包含T1的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)應(yīng)答，這段時(shí)間差為T3，人員標(biāo)簽向讀卡器發(fā)送包含T3的數(shù)據(jù)信息，整體時(shí)間差為T4。信號(hào)在媒介中傳輸時(shí)有一定的傳輸速度，煤礦井下環(huán)境相對(duì)較復(fù)雜，假設(shè)數(shù)據(jù)信號(hào)在煤礦井下傳輸?shù)乃俣葹関。那么就可以通過(guò)理論方法計(jì)算得到人員標(biāo)簽與讀卡器之間的距離d=v（T2-T1+T4-T3）/2。

2.2 LoRa 無(wú)線通信技術(shù)

傳統(tǒng)人員定位通信系統(tǒng)采用的是有線通信模式，這種模式不僅施工成本高且施工難度大，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。對(duì)于讀卡器采集到的數(shù)據(jù)信息，可以通過(guò)LoRa 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)施頻譜擴(kuò)寬處理，可顯著提升無(wú)線通信距離，接受靈敏度也有一定程度的改善，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸，該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)SX1278 芯片來(lái)構(gòu)建無(wú)線通信模塊。需要指出的是，通過(guò)LoRa 無(wú)線通信技術(shù)可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，但無(wú)線傳輸模式與有線傳輸模式相比較存在一定劣勢(shì)，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較低。所以在本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)中，設(shè)立一套數(shù)據(jù)流量控制算法，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)量進(jìn)行壓縮控制，有效規(guī)避了無(wú)線傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低的問(wèn)題，確保了長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。可以看出，本文在最大限度上利用了LoRa 無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)一定的手段有效規(guī)避了該項(xiàng)技術(shù)的劣勢(shì)。

2.3 緊急狀況處理方案

為確保煤礦井下人員的絕對(duì)安全，煤礦管理人員應(yīng)該對(duì)各種潛在的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題制定對(duì)應(yīng)的緊急處理預(yù)案。當(dāng)井下人員遇到突發(fā)情況需要救援時(shí)，一方面可通過(guò)手動(dòng)方式按下求救按鈕，人員標(biāo)簽會(huì)立刻向外發(fā)出求救信號(hào)，信號(hào)通過(guò)一系列傳輸會(huì)在第一時(shí)間到達(dá)管理人員處，進(jìn)而展開救援工作。如果井下人員遇到突發(fā)情況發(fā)生跌倒，無(wú)法通過(guò)手動(dòng)方式按下人員標(biāo)簽中的求救按鈕時(shí)，人員標(biāo)簽會(huì)對(duì)人員狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)人員出現(xiàn)跌倒，會(huì)立即向外發(fā)出跌倒信號(hào)，讀卡器接收到跌倒信號(hào)后將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至地面集中監(jiān)控中心，并開始計(jì)時(shí)。如果超過(guò)了系統(tǒng)設(shè)置的時(shí)間閾值后人員仍然處于跌倒?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)會(huì)判定該人員處于危險(xiǎn)狀態(tài)并向外發(fā)出警報(bào)，管理人員在接收到報(bào)警信號(hào)后立即開展救援工作。本系統(tǒng)中準(zhǔn)確判斷人員標(biāo)簽狀態(tài)非常重要，這是決定是否啟動(dòng)緊急救援的關(guān)鍵所在。2 個(gè)相鄰采樣點(diǎn)間人員移動(dòng)距離用d表示，系統(tǒng)設(shè)置的定位精度用Dmax表示。當(dāng)d

3 人員定位系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在完成人員定位系統(tǒng)的搭建工作后，對(duì)系統(tǒng)的有效性和可靠性開展了一系列測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將10 個(gè)人員標(biāo)簽隨機(jī)分布在一個(gè)長(zhǎng)度為200 m 的井下巷道內(nèi)，在巷道端部位置設(shè)置有讀卡器以讀取巷道內(nèi)部人員標(biāo)簽信號(hào)。

3.1 系統(tǒng)定位精度測(cè)試結(jié)果

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的智能人員定位系統(tǒng)工作精度，通過(guò)本系統(tǒng)每間隔1 s 對(duì)巷道內(nèi)的10 個(gè)人員標(biāo)簽進(jìn)行位置定位，與此同時(shí)標(biāo)記10 個(gè)人員標(biāo)簽的實(shí)際位置，將系統(tǒng)檢測(cè)到的位置與實(shí)際位置進(jìn)行比較，可得到系統(tǒng)的檢測(cè)誤差。每次檢測(cè)中統(tǒng)計(jì)10 個(gè)人員標(biāo)簽中誤差的最大值。圖2 所示為100 s 時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出，本系統(tǒng)的定位誤差沒(méi)有超過(guò)1 m，這樣的測(cè)量誤差完全能滿足工程實(shí)際應(yīng)用需要。

圖2 煤礦井下智能人員定位系統(tǒng)定位精度測(cè)量結(jié)果

3.2 系統(tǒng)無(wú)線通信距離測(cè)試結(jié)果

無(wú)線通信技術(shù)必須在一定的距離范圍內(nèi)才能正常穩(wěn)定工作，無(wú)線通訊距離越長(zhǎng)，其在通訊過(guò)程中越容易出現(xiàn)誤碼情況。為測(cè)試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無(wú)線通信距離，將讀卡器和數(shù)據(jù)集中器的初始距離設(shè)置為600 m，測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的信號(hào)強(qiáng)度和通信誤碼率，然后不斷擴(kuò)大兩個(gè)設(shè)備之間的距離，再次測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度和通信誤碼率。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)設(shè)備之間的距離不超過(guò)1 500 m 時(shí)，通信誤碼率為0，可見當(dāng)通信距離不超過(guò)1.5 km 時(shí)本系統(tǒng)具有非常高的可靠性。當(dāng)兩者之間的距離不超過(guò)2 km 時(shí)，通信誤碼率未超過(guò)3%。主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用SX1278 芯片，使得在進(jìn)行長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍然具有很高的接受靈敏度?；跍y(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)即便是遠(yuǎn)距離傳輸也能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

3.3 系統(tǒng)緊急狀況處理結(jié)果

對(duì)于手動(dòng)觸發(fā)求救按鈕模式，經(jīng)過(guò)100 次測(cè)試發(fā)現(xiàn)每次都能夠準(zhǔn)確將求救信號(hào)傳輸至地面集中監(jiān)控中心。對(duì)于自動(dòng)求救模式，將時(shí)間閾值設(shè)置為10 min，同樣經(jīng)過(guò)100 次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有96 次能夠準(zhǔn)確將求救信號(hào)傳輸至地面集中監(jiān)控中心。可見本文設(shè)計(jì)的井下智能化人員定位系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)定位系統(tǒng)中必須通過(guò)手動(dòng)模式進(jìn)行求救的缺陷，在很大程度上提升了井下人員的安全性。

4 結(jié)論

煤礦井下人員定位系統(tǒng)精度對(duì)于保障人員安全有著非常重要的意義?？紤]到某煤礦井下人員定位系統(tǒng)存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，基于先進(jìn)的UWB 超寬帶定位技術(shù)和LoRa 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。改造后的定位系統(tǒng)定位精度較高，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和煤礦井下人員的自動(dòng)求救，確保了人員安全。