張文波

冀中能源股份有限公司葛泉礦 河北邢臺 054102

根據(jù)國家安監(jiān)總局[2010]146號，關(guān)于《建設(shè)完善井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知》的文件要求，建立完善煤礦監(jiān)測監(jiān)控、人員定位、緊急避險、壓風(fēng)自救、供水施救和通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等安全避險“六大系統(tǒng)”，提高煤礦安全保障能力。

1 系統(tǒng)簡介

人員定位系統(tǒng)采用基于UWB TDOA高精度定位技術(shù)，定位精度小于0.3米，主要實現(xiàn)對井下人員的實時定位、考勤管理、限員管理和事故救援。定位系統(tǒng)主要由定位分站、定位模塊、人員標識卡、信息化礦燈等組成。定位模塊信號覆蓋范圍為半徑400米，由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，一般情況下每隔400-600米布置一臺分站（含定位模塊），實現(xiàn)井下必要區(qū)域定位信號覆蓋。當(dāng)攜帶定位卡的人員進入井下定位網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，無論任何時刻任意一點，定位分站都可以接收到定位卡周期性自發(fā)的信號，并經(jīng)過井下環(huán)網(wǎng)把定位數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)計算中心，經(jīng)過軟件分析處理后，得出各定位卡具體信息，同時可把定位數(shù)據(jù)實時傳輸至監(jiān)控中心的大屏幕或電腦上，并儲存?zhèn)浞?，井上管理人員可隨時了解井下的狀況。

2 人員定位系統(tǒng)建設(shè)的作用和意義

入井人員攜帶一一對應(yīng)的識別卡，人員行走在巷道中，通過安裝在所有巷道中的識別器，就可以實時掌握每個人在井下的位置和活動軌跡。井下一旦發(fā)生事故，救援中心就可以在調(diào)度臺查到人員位置分布，通知相關(guān)人員撤離，亦可以只知道事故位置被困礦工數(shù)量及所處位置，給災(zāi)變情況下準確施救提供技術(shù)支持，從而提供企業(yè)的自動化、信息化管理水平。

3 系統(tǒng)特點

（1）攜卡人員入井和升井時間的監(jiān)測，進入和走出重點區(qū)域時間的監(jiān)測。

（2）可在地面監(jiān)控系統(tǒng)實時查閱井下某段時間的下井人數(shù)、分布情況以及某人的活動軌跡。

（3）每人攜帶一張一一對應(yīng)的識別卡，在入井大屏上顯示，識別卡的狀態(tài)，對缺電、損壞或是無法識別情況進行報警提示。

（4）標識卡由嵌入式微處理器、發(fā)射和接收天線、收發(fā)電路、電池和軟件組成，平時處于休眠狀態(tài)。當(dāng)進入系統(tǒng)工作區(qū)域后，激活識別卡，發(fā)射無線電信號。

（5）標識卡采用超低能耗設(shè)計，大容量鋰電池供電，正常情況下可以使用兩年以上。

（6）系統(tǒng)能依據(jù)客戶需求實現(xiàn)按需調(diào)整，識別距離 從零到200米可調(diào)。

（7）井下分站由采集信息模塊、人員信息處理模塊，隔爆電源，通訊模塊組成，實現(xiàn)人員識別、信息采集、處理和傳輸?shù)墓δ埽瑢崿F(xiàn)終端與地面監(jiān)控中心的雙向通訊功能。

（8）該系統(tǒng)能識別多張不同號碼的識別卡，具備高速識別的功能，能識別移動速度小于100Km/h的高速移動目標或是靜態(tài)目標。

（9）系統(tǒng)可容納不低于 64個位置監(jiān)測分站，單臺位置監(jiān)測分站可瞬間同時識別 200 個以上的人員標識卡。乘架空乘人裝置或是送人車的職工無需下車，在識別卡進入監(jiān)控分站的探測區(qū)域后，就可瞬間完成人員的自動識別和定位。

（10）識別區(qū)域無方向性、無盲區(qū)，分站射頻場功率遠遠小于手機的射頻功率，對周圍環(huán)境無電磁污染，對人體健康沒有影響。

（11）井下監(jiān)控分站安裝獨立的備用電池組，當(dāng)井下監(jiān)控分站由于通訊故障或是供電故障不能與地面實現(xiàn)實時通訊后，分站仍可以獨立工作，自動存貯人員定位信息兩個小時，當(dāng)通訊恢復(fù)后，地面監(jiān)控主機自動讀取監(jiān)控分站人員信息，從而實現(xiàn)不間斷監(jiān)控。

（12）系統(tǒng)可進行職工信息記錄、 顯示、查詢、編輯、增減、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

（13）可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問和查詢各類數(shù)據(jù)。

（14）門禁功能。由于當(dāng)前實現(xiàn)區(qū)域限員的規(guī)定，該系統(tǒng)可以根據(jù)要求自動識別進去重點區(qū)域人員及權(quán)限，如超過限制人數(shù)或是不具備權(quán)限人員進入該區(qū)域，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警信號，并將該報警信息及人員信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

（15）假如下井人員超時進入某區(qū)域或是長期不運行，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警信號，并將該報警信息及人員信息傳輸至地面監(jiān)控中心。

（16）當(dāng)攜卡人員遭遇緊急情況時，可向上位機發(fā)出緊急呼救或告急報警信息。

（17）礦井某一區(qū)域發(fā)生安全事故，監(jiān)控中心可依據(jù)本系統(tǒng)提供的準確位置信息，在第一時間掌握被困人員的具體位置，便于開展事故救援工作，同時向相關(guān)人員發(fā)出撤離信息。

4 于UWB TDOA高精度定位技術(shù)

基于UWB TDOA的定位方法又稱為雙曲線定位，其原理是通過測量不同監(jiān)測地點的天線單元時間差，來對發(fā)射無線電信號的發(fā)射源進行精確定位，是一種先進的定位技術(shù)，根據(jù)兩站之間的時間差轉(zhuǎn)換成距離差，可以得到一條雙曲線，通過三個或多個監(jiān)測分站得到的時間差，可以得到多個雙曲線從而提高來定位精度。再利用相關(guān)函數(shù)法、廣義相關(guān)法、相位譜法、高階累計算法計算出精確的位置信息。

TOA即“到達時間”，這種方式定位是通過Anchor和Tag之間的多次通信實現(xiàn)的，如下圖：

（1）Anchor首先發(fā)給Tag一個包，同時記錄下Anchor當(dāng)前的時間信息，記為T1。

（2）Tag收到基站的信息，返回一個ACK。

（3）Anchor收到Tag的ACK，記錄當(dāng)前的時間信息，記為T2。

（4）Anchor計算時間差Tr = T2- T1，并且根據(jù)此計算出距離。

d = c * Tr / 2其中c為光速。

結(jié)束語 高精度的人員定位系統(tǒng)是集嵌入式系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、自動控制、精確定位技術(shù)等多學(xué)科綜合應(yīng)用的自動定位信息技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。