煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)研究

龍秉政

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是保障礦工生命安全的關(guān)鍵一環(huán)，是實(shí)現(xiàn)井下人員跟蹤監(jiān)測(cè)及應(yīng)急救援的重要抓手，對(duì)于提高安全生產(chǎn)系數(shù)、降低煤礦事故人員傷亡具有重要意義。我國(guó)煤礦井下人員定位技術(shù)起步較晚，自20世紀(jì)90年代開(kāi)始研發(fā)、2002年第一套人員監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)上線應(yīng)用、2003年第一個(gè)煤礦井下人員管理系統(tǒng)正式應(yīng)用，我國(guó)煤礦井下人員定位技術(shù)發(fā)展僅有20多年的歷史。近年來(lái)，在國(guó)家行業(yè)政策指引及信息技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)上，煤礦井下安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)及系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用工作突飛猛進(jìn)，人員定位系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但是由于相關(guān)技術(shù)在井下應(yīng)用的局限性，煤礦井下人員定位系統(tǒng)的精確性、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面還存在一些不足，遇到了一定的發(fā)展瓶頸[1-4]。帶著這些問(wèn)題，本文基于UWB測(cè)距及定位技術(shù)，對(duì)煤礦井下人員的精確定位及系統(tǒng)研發(fā)展開(kāi)攻關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位、跟蹤管理、危險(xiǎn)報(bào)警等功能，從而更有力的保障礦井安全生產(chǎn)。

1 UWB測(cè)距及定位技術(shù)原理

礦井人員定位系統(tǒng)的基本原理是依靠無(wú)線電通信技術(shù)和無(wú)線發(fā)射接收技術(shù)，對(duì)配備定位標(biāo)識(shí)卡的礦工進(jìn)行定位，早期的人員定位是依靠接觸式的信息采集方式，后來(lái)逐漸發(fā)展為依靠射頻識(shí)別進(jìn)行定位，但射頻定位的缺陷也很明顯，人員定位的精確性不足，人員定位主要是依靠定位基站的安裝位置，只能定位到基站附近一定距離的標(biāo)識(shí)卡，所能體現(xiàn)的只是佩戴該標(biāo)識(shí)卡的礦工曾經(jīng)從該基站經(jīng)過(guò)，且由于礦井采掘工作面安裝基站受限，基站密度小，很難對(duì)人員的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行精確定位，往往只是能查到人員在該基站出現(xiàn)過(guò)，而無(wú)法識(shí)別其又到了其他地方，且人員定位信號(hào)容易被干擾，其缺陷主要是由于基站無(wú)法對(duì)標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)距。很顯然，若要實(shí)現(xiàn)井下人員的精確定位，我們還需要一個(gè)更可靠的井下無(wú)線測(cè)距技術(shù)。

UWB測(cè)距及定位技術(shù)在無(wú)線通信技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)短距離通信的適應(yīng)性極強(qiáng)，測(cè)距精度極高，且具有信號(hào)帶寬高、信號(hào)傳輸效率高、信號(hào)損耗低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境具有良好的適用性。UWB測(cè)距技術(shù)原理如第148頁(yè)圖1 所示，無(wú)線信號(hào)由信號(hào)收發(fā)器進(jìn)行接收，基于內(nèi)部的無(wú)線定位算法和測(cè)距模型，計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的距離，在一個(gè)預(yù)設(shè)的坐標(biāo)系中，設(shè)定基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，這個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值即是定位結(jié)果。同時(shí)，對(duì)于內(nèi)部的測(cè)距模型，在建模時(shí)預(yù)先考慮了測(cè)距過(guò)程中可能產(chǎn)生的及時(shí)誤差等，并對(duì)這些誤差進(jìn)行消除，確保距離測(cè)量及定位的準(zhǔn)確度[5-8]。

2 人員精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合測(cè)距技術(shù)及人員定位的基本原理，在對(duì)現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套基于UWB測(cè)距技術(shù)的人員精確定位系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

首先，對(duì)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能進(jìn)行分析，結(jié)合國(guó)家及行業(yè)對(duì)礦井人員定位系統(tǒng)的建設(shè)要求，以及礦井的實(shí)際使用需求，要求建立的人員定位系統(tǒng)應(yīng)具有的基本功能是井下人員的精準(zhǔn)定位，其次還應(yīng)具備危險(xiǎn)預(yù)警功能、監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能、存儲(chǔ)分析功能、考勤管理功能以及良好的人機(jī)交互功能?；谶@些功能要求，又必須滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸、高效計(jì)算及分析，設(shè)計(jì)的人員定位系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將井上部分和井下部門(mén)聯(lián)系在一起，井上部分主要包括地面基站、定位和通訊服務(wù)器、地面交換機(jī)、監(jiān)控操作設(shè)備以及移動(dòng)通訊設(shè)備等，井下部分則包括井下交換機(jī)、無(wú)線通訊基站、傳輸線路等，還有通過(guò)無(wú)線網(wǎng)接入系統(tǒng)的人員定位標(biāo)識(shí)卡、無(wú)線監(jiān)控設(shè)備等。按照信息數(shù)據(jù)流來(lái)進(jìn)行劃分，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)又可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層及數(shù)據(jù)處理層3個(gè)層次，數(shù)據(jù)采集層即是基于UWB原理的無(wú)線通訊基站，基站廣泛分布于井下巷道、掘進(jìn)迎頭、采煤工作面等位置，位于整個(gè)系統(tǒng)的最前沿，其設(shè)計(jì)原理及功能優(yōu)劣直接影響人員定位的精度，數(shù)據(jù)傳輸層是在工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并在監(jiān)控終端屏幕上進(jìn)行人員位置的動(dòng)態(tài)顯示。

圖1 UWB測(cè)距技術(shù)原理示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

前文所述，數(shù)據(jù)采集層位于整個(gè)系統(tǒng)的最前沿，其設(shè)計(jì)原理及功能優(yōu)劣直接影響人員定位的精度，故人員定位標(biāo)識(shí)卡及無(wú)線通訊基站的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。人員定位標(biāo)識(shí)卡由入井人員隨時(shí)佩戴，其核心部件為定位芯片及處理器，由定位天線增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，由電源進(jìn)行供電，且具備按鍵長(zhǎng)按進(jìn)行求救的功能，模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮性能好、精度高、能耗低、體積小、可靠性好等要素。無(wú)線通訊基站布置在井下的各個(gè)區(qū)域，其核心的處理器及芯片內(nèi)置無(wú)線定位算法和測(cè)距模型，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，設(shè)計(jì)定位模塊、通訊模塊、供電模塊共3個(gè)模塊，并具備存儲(chǔ)功能、抗干擾功能及時(shí)鐘功能，并設(shè)計(jì)有正常工作、停機(jī)和待機(jī)等工作模式。

圖2 人員定位系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

圖3 人員定位標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)示意圖

圖4 無(wú)線通訊基站設(shè)計(jì)示意圖

3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)及測(cè)試

一個(gè)好的系統(tǒng)必須具備良好的人機(jī)交互性，最重要的是要有一個(gè)好的操作軟件。人機(jī)交互性的好壞首先體現(xiàn)在操作系統(tǒng)的主界面，用戶(hù)通過(guò)主界面來(lái)使用系統(tǒng)不同的功能模塊，進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整、數(shù)據(jù)的查詢(xún)、報(bào)表的生成，最主要的是整個(gè)人員定位系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理均會(huì)通過(guò)人機(jī)交互的操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及MATLAB編譯程序來(lái)完成系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。類(lèi)似常規(guī)的Windows窗口界面，工作人員可以方便地調(diào)取人員位置信息，具備人員位置信息管理、入井考勤、工時(shí)管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、數(shù)據(jù)查詢(xún)、曲線及報(bào)表生成等功能。例如，人員誤入獨(dú)頭巷道或封閉區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)立刻報(bào)警，與井下語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等聯(lián)動(dòng)，向危險(xiǎn)區(qū)域人員發(fā)出警報(bào)，避免事故發(fā)生。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，對(duì)最終要的精確度指標(biāo)進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)試，經(jīng)過(guò)600組測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)定位的誤差控制在1 m以?xún)?nèi)，大約為0.71 m，其中在垂直方向上的定位精度較高，控制在0.2 m以?xún)?nèi)，在水平方向上的定位精度控制在1.1 m，尤其是最大靜態(tài)定位誤差能夠控制在0.3 m以?xún)?nèi)，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

礦井人員精確定位系統(tǒng)作為煤礦信息化及智能化的重點(diǎn)突破方向，作用會(huì)越來(lái)越凸顯，也會(huì)得到更多的重視和發(fā)展。在特定的井下工作環(huán)境中，基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)無(wú)論是從定位精度、實(shí)時(shí)性，還是穩(wěn)定性、容量大小都完全符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用要求。系統(tǒng)通過(guò)采集的人員數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，管理人員可以在計(jì)算機(jī)中查看作業(yè)人員實(shí)時(shí)的位置分布、井下人員數(shù)量、指定人員的動(dòng)態(tài)等，便于掌握人員工作情況，進(jìn)行管理和調(diào)度，在井下危險(xiǎn)及重要的區(qū)域設(shè)置電子圍欄，如果非指定人員進(jìn)入時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。結(jié)合軟硬件的研發(fā)及測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)性能，整體精確度較好，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有利于保障煤礦井下生產(chǎn)的安全性。