左權(quán)阜生煤礦人員定位系統(tǒng)的研究應(yīng)用

王云平

（山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司 ，山西 晉中 030600）

采用傳統(tǒng)區(qū)域定位技術(shù)的礦井人員定位和跟蹤管理系統(tǒng)由于在定位精度以及人員實時跟蹤管理等方面存在嚴(yán)重不足，特別是突發(fā)災(zāi)害（時，既不便于及時快速地采取有效應(yīng)急措施，也不便于救援人員快速判斷被救人員和重要設(shè)備的當(dāng)前精確位置等情況。左權(quán)阜生煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)采用先進(jìn)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻UWB技術(shù)，實現(xiàn)井下重要區(qū)域無線全覆蓋，定位精度不大于10m,理想狀態(tài)下可達(dá)到3米，同時識別定位不少于80張；另一方面，能夠兼容目前市場上的區(qū)域定位系統(tǒng)，在保證定位精度的前提下，能夠最大限度地降低投入成本。下面對井下人員精確定位系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

系統(tǒng)主要由監(jiān)控計算機(jī)、系統(tǒng)軟件、人像唯一性檢測裝置、人員管理分站、主讀卡器、輔讀卡器、精確定位標(biāo)識卡、以太網(wǎng)通訊平臺等組成，如圖1所示。

監(jiān)控主機(jī)：負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、分站實時數(shù)據(jù)通訊、統(tǒng)計存儲、顯示、查詢打印等任務(wù)。

系統(tǒng)軟件：接收井下上傳的測距定位信息，進(jìn)行信息加工及井下實時精確位置信息動態(tài)顯示、存儲、查詢和報表打印。

以太網(wǎng)通訊平臺：負(fù)責(zé)地面監(jiān)控主機(jī)與井下分站間信息傳輸通道，實現(xiàn)信號遠(yuǎn)距離有線高速傳輸。

圖1 精確定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

人員管理分站：分站周期性巡檢主、輔讀卡器，收集實時位置數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行邏輯分析處理，計算人員的精確位置信息，與中心站進(jìn)行通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；接收中心站命令并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)給讀卡器，實現(xiàn)地面命令的快速下發(fā)。

主讀卡器：該設(shè)備能夠?qū)崟r接收巷道內(nèi)覆蓋范圍內(nèi)精確定位標(biāo)識卡發(fā)送的定位信息，計算出精確定位標(biāo)識卡距離主讀卡器的距離，能夠接收區(qū)域定位標(biāo)識卡。

輔讀卡器：該設(shè)備能夠?qū)崟r接收巷道內(nèi)覆蓋范圍內(nèi)精確定位標(biāo)識卡發(fā)送的定位信息，計算出精確定位標(biāo)識卡距離輔讀卡器的距離，能夠接收區(qū)域定位標(biāo)識卡。

精確定位標(biāo)識卡：承載唯一的人員編碼信息，能夠與主輔讀卡器分別進(jìn)行測距通信，實現(xiàn)精確位置定位；能夠發(fā)送求救命令及電池電量欠壓信息；能夠接收上位機(jī)命令，通過生、光及震動等方式進(jìn)行提示。

2 系統(tǒng)工作原理

KJ251A人員精確定位管理系統(tǒng)分為三級控制網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控備機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及地面交換機(jī)等為第一級網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯集、分析處理、存儲、顯示、發(fā)布、調(diào)度任務(wù)編制及執(zhí)行；以太網(wǎng)通訊平臺、人員管理分站組成第二級網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)把采集的信息及時上傳，地面命令快速轉(zhuǎn)發(fā)；主、輔讀卡器和精確定位標(biāo)識卡組成第三層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)實時測試精確定位標(biāo)識卡與讀卡器間的距離，判定人員準(zhǔn)確位置信息。

系統(tǒng)雙向TOA測距算法，測距原理如圖2所示。

圖2 基于TOA算法的測距原理

信號單純的傳輸時間為d，則整個測量過程中，產(chǎn)生了四次測量過程4d，以及2次回復(fù)等待時間（TReply,A；TReply,B）；可以計算出單次測量時間。

由 于 TRound,A，TRound,B，TReply,A，TReply,B均能測量出來，故單次信號傳輸時間、傳輸距離也能夠計算出來。

3 系統(tǒng)主要功能特點

1）實時精確定位功能：能夠自動實時跟蹤定位井下所有作業(yè)人員的精確位置信息，定位精度可達(dá)3m，最大定位誤差不超過10m，地面中心站動態(tài)刷新井下作業(yè)人員的精確位置信息；

2）兼容區(qū)域定位功能：系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一張標(biāo)識卡即可進(jìn)行精確定位，還兼容目前大量推廣的單、雙向區(qū)域定位系統(tǒng)，便于煤礦在安全區(qū)域使用區(qū)域定位模式，在采掘工作面等危險區(qū)域使用精確定位模式，降低投入成本；

3）防作弊（攜卡唯一性檢測）功能：結(jié)合人像識別系統(tǒng)，確保一人一卡，入井人員信息的準(zhǔn)確性；

4）信號全覆蓋功能：單臺讀卡器覆蓋距離不少于200m,運輸大巷等條件好的區(qū)域可達(dá)到300m,實現(xiàn)井下重要巷道及區(qū)域全覆蓋，確保信號無盲區(qū)；

5）欠壓報警功能：精確定位標(biāo)識卡能夠?qū)﹄姵仉娏窟M(jìn)行周期性檢測，通過液晶顯示電量狀態(tài)，欠壓狀態(tài)下可在中心站進(jìn)行欠壓提示；

6）自診斷功能：系統(tǒng)實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)各設(shè)備的運行狀態(tài)，跟蹤診斷設(shè)備故障點及故障類型，并對診斷結(jié)果進(jìn)行報警提示；

7）考勤功能：系統(tǒng)能夠?qū)崟r地記錄作業(yè)人員出入井時刻；自動生成井下作業(yè)時間；可對全礦員工進(jìn)行月考勤。

8）“一卡通”功能：通過一張標(biāo)識卡，既能保證井下精確定位跟蹤，也能實現(xiàn)班前會管理、地面營養(yǎng)餐廳用餐、礦燈管理、澡堂用水管理、便攜儀管理、門禁等一卡通信息化管理。

9）巡更管理功能：通過跟蹤瓦檢員井下作業(yè)軌跡，使井下瓦斯巡檢工作可視化，加強(qiáng)安全管理。

4 設(shè)備性能和功能

4.1 主監(jiān)控計算機(jī)

1）研祥工控機(jī)P43.0/1G/160G/17LCD/雙網(wǎng)卡，數(shù)量為2臺，其中1臺為備用監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)和備機(jī)之間安裝雙機(jī)熱備軟件，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及速度。

2）監(jiān)控主機(jī)運行膠輪車管理軟件，對井下膠輪車進(jìn)行實時定位信息進(jìn)行收集、分析處理、存儲及顯示，對井下膠輪車動態(tài)可靠自動調(diào)度。

3）能夠在主機(jī)上對井下設(shè)備重新定義，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實時增減。

4）備用機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，統(tǒng)計生成各種實時信息，供系統(tǒng)管理員進(jìn)行車輛信息分析處理及系統(tǒng)維護(hù)管理。

5）備機(jī)可作為服務(wù)器，對檢測的有效信息數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。

4.2 KJ251-F8礦用本安型分站

KJ251-F8型礦用定位分站可掛接多個主、輔讀卡器，能對下級智能設(shè)備等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，具有信號采集和通訊功能，通過工業(yè)以太網(wǎng)能及時將監(jiān)測到的人員精確位置信息封包傳送到地面中心站，并轉(zhuǎn)發(fā)中心站發(fā)出的各種命令。具有數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、顯示、紅外遙控及遠(yuǎn)距離通訊等功能，中斷情況下可存儲信息不少于4000條信息。

4.3 KGE116D型精確定位標(biāo)識卡

定位卡基于煤礦井下傳輸特性好、衰減小的2.4GHz的載波頻段；采用一次性電池供電，是一種有源射頻識別卡。整個電路設(shè)計為本質(zhì)安全型。該定位卡功率發(fā)射功率低，對人體無害；天線增益高，實現(xiàn)信號的較遠(yuǎn)距離傳輸；工作平均電流低，可實現(xiàn)電池工作壽命長；采用有效的防碰撞算法，能夠瞬間識別多張標(biāo)識卡。

4.4 KJ251-WY唯一性檢測裝置

由于傳統(tǒng)檢卡考勤裝置不能徹底杜絕不帶卡、攜帶壞卡入井現(xiàn)象；更嚴(yán)重的是，部分人員為了增加考勤數(shù)量，造成多帶卡、替代卡現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致井下人員數(shù)量統(tǒng)計不準(zhǔn)確，入井人員身份信息存有差錯。

該裝置采用先進(jìn)的身份識別技術(shù)、短距離快速測試技術(shù)及擁有專利的唯一性檢測算法，加強(qiáng)出入井人員攜卡管理，滿足AQ6210-2007和AQ1048-2007對出入井人員驗卡及攜卡唯一性檢測要求。通過出、入井人員自動逐一檢測，實現(xiàn)了其身份核對確認(rèn)；準(zhǔn)確判斷是否攜帶標(biāo)識卡、標(biāo)識卡是否完好及欠壓；準(zhǔn)確檢測入井人員攜卡數(shù)量，發(fā)現(xiàn)多帶卡則立即進(jìn)行聲光提示，并實時記錄。整個過程檢測準(zhǔn)確、快速高效、顯示直觀、無行為約束及人工干預(yù)，徹底解決了虹膜識別速度慢、不直觀、對人員行為約束性強(qiáng)的應(yīng)用難題，實現(xiàn)了出入井人員快速驗卡、準(zhǔn)確統(tǒng)計及身份確認(rèn)。

5 總 結(jié)

對山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，分析了系統(tǒng)的架構(gòu)分析和系統(tǒng)工作原理，闡述了系統(tǒng)的主要功能特點，對系統(tǒng)的關(guān)系設(shè)備性能和功能進(jìn)行了說明。該系統(tǒng)能滿足左權(quán)阜生煤礦井下人員實時跟蹤管理的需求，可以在災(zāi)害發(fā)生時快速的做出有效的應(yīng)爭措施。