李 浩

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 寧武 036706）

引言

煤礦井下開采的環(huán)境相對比較惡劣，若監(jiān)控不全面，存在較多的盲區(qū)。實(shí)現(xiàn)井下與井上信息的有效傳遞，并準(zhǔn)確定位井下作業(yè)人員，是安全、可靠、高效煤礦生產(chǎn)活動(dòng)的首要任務(wù)。近年來，煤礦開采行業(yè)逐步發(fā)展起來人員定位系統(tǒng)，并得到不斷發(fā)展[1-2]。文本在已有的定位系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對原系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，以WIFI無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，成功搭建了人員定位系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)存在問題

1）軟件操作界面顯示單一，不能及時(shí)有效進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸交互，特別是系統(tǒng)使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互延遲非常明顯。容易導(dǎo)致系統(tǒng)監(jiān)測的人員位置與實(shí)際人員位置存在較大差異[3-4]。

2）傳感器使用的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)信號滯后，在實(shí)際使用中存在響應(yīng)不及時(shí)的問題。

3）系統(tǒng)所采用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種比較便宜、落后的無線組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的傳輸依靠每個(gè)傳感器所構(gòu)建起來的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，其通信能力有限，而且系統(tǒng)計(jì)算與處理能力較差，導(dǎo)致系統(tǒng)整體精度低，時(shí)延長[5]。

4）傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等硬件設(shè)備在使用相當(dāng)一段時(shí)間之后，故障率高，對系統(tǒng)本身構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。因此，為了解決現(xiàn)有井下人員定位安全系統(tǒng)存在的不足，對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)迫在眉睫。

2 井下定位系統(tǒng)需求分析

井下環(huán)境復(fù)雜，地面通信設(shè)備信號無法傳輸?shù)较露?，且在相對密閉的環(huán)境中容易出現(xiàn)瓦斯?jié)舛绕?、環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量等問題。在設(shè)計(jì)人員定位系統(tǒng)時(shí)，為了滿足定位精確、信息傳輸能力強(qiáng)、操作方便的要求，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行分析。

1）功能需求。井下人員定位系統(tǒng)具備如下幾個(gè)功能：對井下所有人員位置的定位、顯示；對位置信號的記錄；查詢指定區(qū)域內(nèi)，在一段時(shí)間內(nèi)所有定位對象的分布情況；發(fā)生安全事故，系統(tǒng)能進(jìn)行報(bào)警，并準(zhǔn)確提供人員位置信息。

2）系統(tǒng)性能需求。礦井人員定位應(yīng)用WIFI技術(shù)，并結(jié)合企業(yè)自身的實(shí)際需求，以及通信特點(diǎn)，要求系統(tǒng)應(yīng)具備如下的性能要求：高定位精度要求；低時(shí)間延遲；系統(tǒng)的容量大等，以備后續(xù)拓展。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于WIFI技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)主要包括WIFI通信技術(shù)與地面硬件設(shè)備，井下作業(yè)人員位置信息的獲取和信息傳輸均通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖1所示為井下人員定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 WIFI網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

潞寧煤礦礦井南北長約4.8 km，該區(qū)域東西寬約5.3 km，其中包括南北方向6條主要進(jìn)回風(fēng)巷道，3條東西走向的主要進(jìn)回風(fēng)巷道。該煤礦設(shè)定位系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)由太網(wǎng)采用兩根12芯單模光纖組建。巷道內(nèi)采用POE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，每條巷道布置一條可延伸光纖。副井中的通信網(wǎng)與各個(gè)橫穿東西的巷道內(nèi)通信網(wǎng)構(gòu)成環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由此可以保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，圖2所示為主干網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 井下主干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

將WIFI網(wǎng)絡(luò)地址配置為C類IP，對網(wǎng)咯中終端IP地址進(jìn)行分配，使用C類IP的優(yōu)勢在于避免以后在接入公網(wǎng)時(shí)地址沖突。利用WIFI虛擬局域網(wǎng)劃分技術(shù)，將交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)使用功能的不同，劃分為三個(gè)區(qū)，分別對應(yīng)于定位、通信、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等模塊。

3.2 系統(tǒng)主要硬件的選取

根據(jù)潞寧煤礦自身特點(diǎn)，并結(jié)合人員定位系統(tǒng)功能需求所設(shè)定目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。既滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)也要考慮到設(shè)備可靠性，經(jīng)濟(jì)性等，下面對該系統(tǒng)中主要硬件做簡要說明。

1）POE交換機(jī)。POE交換機(jī)是以太網(wǎng)通信的樞紐，根據(jù)煤礦的實(shí)際情況，與將來可能的擴(kuò)展；選擇POE交換機(jī)應(yīng)具備包轉(zhuǎn)發(fā)率高，同時(shí)支持100 Mvps及以上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率；POE交換機(jī)型號可選用GSDXH DF-M2475G-30HS-W，其所有端口上都能夠提供40 W功率。

2）監(jiān)控中心服務(wù)器。服務(wù)器是整體系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)對各種信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保障各定位傳感器數(shù)據(jù)傳送和處理各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求。服務(wù)器高性能主要體現(xiàn)在高效、快速的信號傳輸、信號處理；具有比較強(qiáng)的外部數(shù)據(jù)吞吐能力。根據(jù)以上原則，選擇聯(lián)想Think version E3-1220V6服務(wù)器，CPU頻率2.5 GHz；8 G的處理器；四個(gè)核心處理器，自帶Windows10專業(yè)版操作系統(tǒng)。

3）定位終端硬件選取。首先，定位終端必須具有WIFI通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)在WIFI網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)的傳輸。因?yàn)?，T301型定位終端具有雙向通信功能，且能夠滿足自動(dòng)定位和請求定位兩種工況，提高求系統(tǒng)對于人員定位的識別率，圖3所示為T301定位終端。

4 人員定位系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

軟件操作系統(tǒng)是基于Ekahau環(huán)境下，對煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，依據(jù)潞寧煤礦自身特點(diǎn)，改進(jìn)系統(tǒng)硬件配置，網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件設(shè)備以及服務(wù)器。參考煤礦需求和網(wǎng)絡(luò)部署，在已有的煤礦井下定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，完善對潞寧煤礦井下安全定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

操作界面上進(jìn)行了集約化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建將新增設(shè)的工具欄，圖4所示為井下人員定位系統(tǒng)主界面，設(shè)置用戶登錄窗口，下側(cè)有人員監(jiān)控、報(bào)警管理、人事管理、用戶管理、考勤情況、復(fù)雜系統(tǒng)、請假公示等信息。

圖3 T301型定位終端

圖4 WIFI技術(shù)煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)

煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)搭建成功，為煤礦礦井人員監(jiān)測提供了可靠有力的措施。針對煤礦礦井的特殊環(huán)境，提出基于WIFI通信技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。巷道內(nèi)采用POE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，副井中的通信網(wǎng)與各個(gè)橫穿東西的巷道內(nèi)通信網(wǎng)構(gòu)成環(huán)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由此可以保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在系統(tǒng)后期的使用中也證實(shí)系統(tǒng)升級達(dá)到了預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進(jìn)優(yōu)化，很好地滿足了煤礦井下人員定位的實(shí)際需求，具有較好的可靠性，為井下人員定位系統(tǒng)的后續(xù)深入研究提供了有力參考。

5 結(jié)論

1）綜合改進(jìn)了系統(tǒng)通信傳輸硬件、位置定位傳感器、服務(wù)器等，同時(shí)對軟件層進(jìn)行集約化處理，新增報(bào)警管理模塊，完成定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)并達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2）井下人員定位系統(tǒng)基于WIFI通信技術(shù)，巷道內(nèi)采用POE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各條光纖數(shù)據(jù)的連接，保證確網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)升級達(dá)到了預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進(jìn)優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的精度與可靠性。