張 靚

(山西國(guó)控集團(tuán)信息工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

當(dāng)前煤礦、非煤礦、隧道施工環(huán)境艱苦惡劣，工種危險(xiǎn)系數(shù)高，工作人員多、設(shè)備多、車(chē)輛多，企業(yè)管理相對(duì)困難，特別是煤礦井下作業(yè)人員活動(dòng)范圍和流動(dòng)性大，若事故發(fā)生后沒(méi)有精準(zhǔn)定位識(shí)別手段,就不能及時(shí)了解井下人員情況及所在位置，必將造成救援時(shí)間的延誤和救援資源的浪費(fèi)。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的要求越來(lái)越高，目前煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足國(guó)家隊(duì)煤礦現(xiàn)代化的要求。為了加強(qiáng)煤礦信息化建設(shè)，提高安全生產(chǎn)水平，迫切需要提高監(jiān)測(cè)水平，配備高效且精準(zhǔn)的人員、車(chē)輛等安全管理系統(tǒng)。經(jīng)研究，目前UWB(Ultra Wide band)超寬帶技術(shù)的第三代無(wú)線識(shí)別系統(tǒng)，其定位精度達(dá)10～30cm。本文基于UWB超寬帶技術(shù)研究并設(shè)計(jì)煤礦人員精確定位系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可綜合應(yīng)用于煤礦人員日?？记?、定位跟蹤、災(zāi)后急救、車(chē)輛軌跡追蹤等。

1 設(shè)計(jì)原則

1.1 自動(dòng)化程度高

系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)考勤作業(yè)人員的統(tǒng)計(jì)與管理，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)井下作業(yè)人員經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間、地點(diǎn)信息；人員超出工作時(shí)間或班末發(fā)現(xiàn)井下作業(yè)人員統(tǒng)計(jì)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警等。

1.2 通信系統(tǒng)先進(jìn)

井下各巷道安裝的識(shí)別系統(tǒng)，能夠?qū)⒕伦鳂I(yè)人員通過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳送給服務(wù)器，全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與信息查詢(xún)功能

系統(tǒng)提供軟件配備有專(zhuān)用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能夠完成井下作業(yè)工人通過(guò)各巷道的信息采集及統(tǒng)計(jì)分析；完成井下作業(yè)人員的考勤統(tǒng)計(jì)與管理分析；并能顯示、打印各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表資料等。能夠?yàn)槊旱V各級(jí)管理人員的查詢(xún)與管理提供完整準(zhǔn)確的服務(wù)。

1.4 重點(diǎn)、限制區(qū)域安全監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)井下作業(yè)人員出入井口，尤其是重點(diǎn)區(qū)域出入口、限制區(qū)域等進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)全區(qū)域統(tǒng)計(jì)和出入方向判斷；并能重點(diǎn)對(duì)防沖開(kāi)采工區(qū)域進(jìn)行限員管理，為防沖開(kāi)采工區(qū)礦井提供科學(xué)高效的管理手段，避免防沖開(kāi)采工區(qū)域內(nèi)的安全隱患。

1.5 雙機(jī)熱備

主機(jī)若出現(xiàn)故障，備機(jī)實(shí)時(shí)啟動(dòng)切換，自動(dòng)投入工作，能夠確保數(shù)據(jù)的安全。

1.6 可靠性高，易于擴(kuò)容，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 地面中心站設(shè)備配置

地面中心站負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備及井上井下作業(yè)人員檢測(cè)數(shù)據(jù)管理、讀卡分站屏幕顯示、畫(huà)面編輯、網(wǎng)絡(luò)通訊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)、打印查詢(xún)等任務(wù)。系統(tǒng)軟件主要完成井上井下作業(yè)人員識(shí)別、信息編碼、采集、存儲(chǔ)、顯示、加工、查詢(xún)和報(bào)表打印等。

配置Web發(fā)布服務(wù)器，對(duì)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)Web發(fā)布，可以查詢(xún)，打印各類(lèi)報(bào)表,同時(shí)發(fā)布三維GIS地圖服務(wù)。在三維GIS(Geographic Information System)地圖上顯示人員、車(chē)輛、設(shè)備各類(lèi)元素的狀態(tài)?？梢栽谌SGIS地圖上實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)追蹤人員和車(chē)輛，也可以對(duì)人員車(chē)輛等以三維方式進(jìn)行歷史軌跡回放。在副井口部署LED井口顯示大屏，重點(diǎn)顯示井下總?cè)藬?shù)，副井口人員明細(xì)、井下帶班領(lǐng)導(dǎo)、井下各部門(mén)人數(shù)、重點(diǎn)區(qū)域、限制區(qū)域、防沖區(qū)域人數(shù)等信息。各服務(wù)器操作終端均通過(guò)網(wǎng)線連接到調(diào)度中心核心交換機(jī)上，其余設(shè)備通過(guò)接入交換機(jī)匯入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中。

2.2 系統(tǒng)連接方式

系統(tǒng)傳輸信號(hào)設(shè)計(jì)通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。礦用本安型分站、信息傳輸接口、讀卡器等全部與井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)相連接。

2.2.1 硬件接入

系統(tǒng)中的礦用本安型分站可以就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)中，也可以通過(guò)分站級(jí)聯(lián)方式接入井下環(huán)網(wǎng)中，讀卡器可以就近接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口，也可以通過(guò)通信電纜連接到礦用本安型分站中，本安型分站與本安型分站之間也可以通過(guò)分站自帶的無(wú)線橋接功能進(jìn)行無(wú)線橋接(無(wú)線橋接距離不低于400m，帶寬不低于50Mbps)，以節(jié)省光纜、電纜等布線。本安型分站之間可以進(jìn)行光纖級(jí)聯(lián)。

2.2.2 軟件接入

1000M以太網(wǎng)卡及數(shù)據(jù)交換接口由系統(tǒng)上位機(jī)提供；數(shù)據(jù)交換優(yōu)先采用數(shù)據(jù)庫(kù)共享方式；系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件全面提供共享數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)存取調(diào)用的接口程序清單及數(shù)據(jù)格式清單由各種自動(dòng)化平臺(tái)提供。

2.3 井下設(shè)備配置

井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格執(zhí)行《AQ1048-2007煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》的要求。礦用本安型分站設(shè)置分布原則如下：

1) 人員密集場(chǎng)所、人員正常工作行進(jìn)路徑上設(shè)置礦用本安型分站。

2) 重要的工作場(chǎng)所設(shè)置礦用本安型分站。

3) 采煤工作面回風(fēng)巷道和進(jìn)風(fēng)巷道都設(shè)置礦用本安型分站。監(jiān)測(cè)該工作面內(nèi)作業(yè)人員情況，同時(shí)具備限員管理功能，可以聲光提示現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、視頻聯(lián)動(dòng)報(bào)警、地面軟件主動(dòng)報(bào)警等方式進(jìn)行人員進(jìn)入限制，現(xiàn)場(chǎng)配置LED屏，顯示采煤工作面內(nèi)的人員詳細(xì)情況。

4) 掘進(jìn)巷道設(shè)置礦用本安型分站。監(jiān)測(cè)各掘進(jìn)巷道內(nèi)人員情況；同時(shí)具備限員管理功能，可以聲光提示現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、視頻聯(lián)動(dòng)報(bào)警、地面軟件主動(dòng)報(bào)警等方式進(jìn)行人員進(jìn)入限制，現(xiàn)場(chǎng)配置LED屏，顯示掘進(jìn)工作面內(nèi)的人員詳細(xì)情況。

5) 各出入井口配置礦用本安型分站。監(jiān)測(cè)入出作業(yè)人員情況并進(jìn)行下井作業(yè)人員考勤。

6) 特殊區(qū)域、重點(diǎn)區(qū)域入口如重點(diǎn)危險(xiǎn)巷道、炸藥庫(kù)入口、變電所等區(qū)域，設(shè)置礦用本安型分站。檢測(cè)是否有人員進(jìn)入；使用白名單制度，可以對(duì)進(jìn)入人員進(jìn)行識(shí)別，非白名單人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警、識(shí)別卡聲光震動(dòng)報(bào)警、地面上位機(jī)主動(dòng)報(bào)警等方式進(jìn)行管理。

7) 采取多煤層開(kāi)采、多采區(qū)或者兩翼開(kāi)采的礦井，要在每一個(gè)區(qū)域進(jìn)出口設(shè)置礦用本安型讀卡分站。檢測(cè)每個(gè)區(qū)域的人員情況，以便管理。

8) 智能分站之間可采用電纜、光纜、無(wú)線橋接等多種連接方式，主傳輸線路接入環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，也可以由基站之間使用星型加樹(shù)型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方便在煤礦礦井下安裝部署。

9) 智能分站無(wú)線模塊采用開(kāi)放的WIFI協(xié)議。使用標(biāo)準(zhǔn)WIFI協(xié)議的設(shè)備或移動(dòng)終端都可接入到智能分站，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)管理各個(gè)子系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線通信功能。

10) 礦用本安型信息礦燈以本安礦燈為載體，采用模塊化設(shè)計(jì)集成UWB精準(zhǔn)定位、信息顯示屏等模塊，具有精確定位、聲光、震動(dòng)報(bào)警，文字信息，緊急呼叫，信息確認(rèn)等功能。采用定位模塊可拆卸設(shè)計(jì)，可以把精確定位模塊進(jìn)行單獨(dú)更換實(shí)現(xiàn)不換卡功能，節(jié)省用戶(hù)投資。

11)系統(tǒng)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，具有遠(yuǎn)程WEB管理功能，維護(hù)操作簡(jiǎn)便，管理功能可獨(dú)立也可在系統(tǒng)整體管理界面實(shí)現(xiàn)。

3 功能及特點(diǎn)

3.1 可靠的信息識(shí)別

UWB定位技術(shù)利用超寬帶脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)定位，采用TOF(Time of flight信號(hào)飛行時(shí)間)到達(dá)時(shí)間差的算法，同時(shí)結(jié)合其高帶寬、高波形分辨率，使其具有抗干擾性強(qiáng)、定位精度高等特點(diǎn)。達(dá)到實(shí)時(shí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)定位，靜態(tài)狀態(tài)下小于30cm，動(dòng)態(tài)狀態(tài)小于1m。

3.2 分站語(yǔ)音報(bào)警

地面上位機(jī)可以通過(guò)輸入文字下發(fā)到分站的方式進(jìn)行語(yǔ)音提示管理。無(wú)論是詢(xún)?nèi)?、?bào)警、下發(fā)指令等管理均可編輯文字信息下發(fā)到礦用本安型分站，分站屏幕提示文字信息內(nèi)容，同時(shí)分站揚(yáng)聲器播放語(yǔ)音(系統(tǒng)自動(dòng)將下發(fā)的文字信息轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音內(nèi)容)，播放次數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置(1-100次)。

3.3 遠(yuǎn)距離無(wú)線覆蓋

識(shí)別卡與無(wú)線礦用本安型讀卡分站的雙向通訊距離(空間無(wú)障礙)不小于400m。

3.4 實(shí)時(shí)顯示井下人員動(dòng)態(tài)

礦用本安型讀卡分站通過(guò)采集識(shí)別卡的信息，把井下作業(yè)人員、車(chē)輛和設(shè)備信息實(shí)時(shí)收集、傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)，并實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。該定位系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)功能，井下一旦發(fā)生災(zāi)變，可以根據(jù)定位系統(tǒng)人員分布情況，及時(shí)有效提供最佳救援路線。定位系統(tǒng)也可提供多種類(lèi)型的報(bào)表，為管理人員提供井上井下作業(yè)人員活動(dòng)等情況的智能分析。

3.5 人員考勤管理

每個(gè)下井人員的下井時(shí)間和升井時(shí)間都被系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄，按照不同井下作業(yè)工人工種的時(shí)間規(guī)定，判斷是否全勤足班，進(jìn)而判斷該次下井是否正常有效。同時(shí)，系統(tǒng)可形成井下作業(yè)工人考勤統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并能供財(cái)務(wù)軟件直接調(diào)用，減輕了人事管理部門(mén)的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了工作效率。在精確人員定位系統(tǒng)內(nèi)，還可以實(shí)現(xiàn)多種班次并存考勤，實(shí)現(xiàn)靈活考勤。

3.6 特殊工種管理

系統(tǒng)可以對(duì)特殊工種進(jìn)行巡檢到位管理，特殊工種人員按照既定的計(jì)劃及路線進(jìn)行巡檢工作，如有偏離，分站會(huì)立即發(fā)出語(yǔ)音提示，并發(fā)送至標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行警示。同時(shí)也可以對(duì)領(lǐng)導(dǎo)干部帶班管理進(jìn)行計(jì)劃設(shè)置和跟蹤執(zhí)行。每月可根據(jù)實(shí)際情況輸出統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表供管理決策部門(mén)查閱。

3.7 井下設(shè)備管理

系統(tǒng)可以對(duì)需要管理的設(shè)備綁定標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示井下設(shè)備的位置、使用單位等信息，統(tǒng)計(jì)設(shè)備數(shù)量、使用情況，可以有效避免設(shè)備丟失，為管理設(shè)備提供技術(shù)保障，也可為供應(yīng)部門(mén)擬定采購(gòu)計(jì)劃提供第一手可靠信息。

3.8 智能融合分站

智能分站為模塊化設(shè)計(jì)，集成了遠(yuǎn)距離UWB精確定位模塊、WIFI無(wú)線AP、橋接模塊。相當(dāng)于在精確人員定位系統(tǒng)建設(shè)時(shí)同時(shí)建設(shè)了一套WIFI無(wú)線通信系統(tǒng)。數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸，設(shè)備統(tǒng)一供電，一套系統(tǒng)建設(shè)完成兩套系統(tǒng)功能，減少資金投入，減少系統(tǒng)維護(hù)，減少電纜敷設(shè)。

3.9 唯一性

當(dāng)有人需要下井時(shí)通過(guò)虹膜識(shí)別獲取人員信息并能根據(jù)此人攜帶的標(biāo)示卡信息進(jìn)行管理。當(dāng)人卡相符時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)閘機(jī)并語(yǔ)音提示進(jìn)行放行，將入井記錄上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)。當(dāng)人卡不符、未攜帶卡(或卡損壞、缺電)、一人攜帶多卡時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音提示并將現(xiàn)場(chǎng)視頻及人員(卡)信息記錄并上傳系統(tǒng)平臺(tái)。

3.10 三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示

基于三維GIS全面展現(xiàn)井下巷道全景，管理人員可以在軟件界面上觀察人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況及回放人員運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.11 易擴(kuò)容、區(qū)域化

系統(tǒng)具有多種組網(wǎng)方式為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容和區(qū)域化及集中化管理，提供了可靠的技術(shù)保障。

4 結(jié)論

煤礦精確人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用UWB超寬帶技術(shù)，結(jié)合三維GIS、以太網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件、圖形處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下作業(yè)人員考勤、定位、重點(diǎn)及限制區(qū)域的安全監(jiān)測(cè)、安全警示報(bào)警、應(yīng)急快速搜尋等功能。煤礦配備這一系統(tǒng)將提高煤礦信息化管理水平，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)智慧礦山建設(shè)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。