煤矿井下人员跟踪定位安全管理系统研究分析

任兴元 （天津财经大学信息科学与技术系 天津300222）

1 研究的目的和意义

近年来，煤矿高瓦斯矿井的数量不断增加，如何加强安全生产，提高搜救工作效率，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。调查分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现：地面与井下人员的信息沟通不及时；地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位；一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。

为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。同时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题。面对新形势、新机遇和新挑战，国家各级主管部门的领导对安全生产工作提出了很高的要求和期望。因此以提升安全生产信息化管理水平，加强灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行，是我国安全生产工作的必由之路。

“十五”期间，煤炭工业电子信息化建设在“九五”发展的基础上，围绕煤炭工业改革发展的战略任务，以信息和知识资源的开发利用为核心，结合煤炭工业实际需要，重点进行煤矿生产安全监测监控、自动控制与企业管理系统等方面的信息化建设工作，并纳入安全生产企业的经营管理日程。为此，在总结射频识别技术经验的基础上，采用9e5无线射频芯片、单总线芯片组、CAN总线技术和基于G723.1的语音压缩算法，开发设计了“煤矿井下人员跟踪定位安全管理系统”。

2 实现的功能

2.1 通过基于GIS技术的地理信息实时显示、查询井下情况

①任一时间井下或某个地点究竟有多少人，这些人都是谁。②每个人在井下任一时间的活动轨迹。③查询一个或多个人员现在的实际位置，方便调度中心可快速正确地通过对讲功能联系该人员。④查询有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员（如：瓦斯检测人员、温度检测人员、排风人员等）是否按时、到点的进行各项数据的测试和处理，从根本上尽量杜绝因人为因素而造成的相关事故。⑤应用B/S技术通过网络可实现多点共享，供多个领导同时在不同地点查看。

2.2 井下人员每时每刻在坑道的实时动态分布

根据井下的实际地理情况自动生成动态图层，使井下情况生动形象一目了然。

2.3 实现主控室与井下任一人员语音对讲功能

同时支持语音广播功能。

2.4 自动统计出各类人员下井的各种报表

①生产人员的下井时间报表、出勤月报表、加班报表、请假或缺勤报表等管理所需依据，并可生成工资报表等。②制定和统计管理人员的巡查情况报表等。③其他人员如参观、考察人员是否按要求到指定区域等。

2.5 一旦发生各类事故后的显示

立即能查出有多少人遇险，遇险人员在哪里，他们是谁。

2.6 抢险时采取移动式识别装置

更准确快速识别遇险人员的具体地点和位置，提高抢险效率和救护效果。

3 技术特点

设计井下坑道地理信息地形图，可无限放大、查询坑道各处的各种资料、信息，如放火及救援、生产设备分布信息、坑道环境信息、人员分布信息等。主要坑道安装监控设备，也可以将提前拍下的坑道环境的实图存储到地形图上，为管理人员提供信息查询资料。如果发生安全事故，动态定位系统可知坑道内人员的数量、名单，进出口位置，事故发生位置，久远设备位置等信息，保证抢险救灾的高效运作。具体特点如下：

3.1 高度自动化

系统能自动检测井下坑道人员经过该监测点的时间、地点信息，并自动实现对人员的考勤作业、统计及监测管理。

3.2 先进的通信系统

安装在煤矿井下各通道的无线信息采集设备，实时将采集到的定位信息、报警信息传送到井下专用处理传输分站，并通过井下现场总线（RS485或单总线）实时向地面的网络服务器传送相关人员通过的数据。

3.3 完备的数据统计与GIS技术的地理信息显示、查询系统

通过图层管理软件实现井下新开采坑道的动态生成以及井下人员位置的动态显示，系统软件具备专用数据库管理系统，包括工人通过坑道的信息采集和统计分析系统，考勤作业的统计与管理分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为高层管理人员的查询与管理提供全方位的服务。

3.4 系统的安全、稳定、可靠性设计

系统产品采用坑道壁挂式设计，保证系统在恶劣的环境下能连续正常运转，具备防爆、防水、阻燃的技术特点，并提供断电后2小时的供电电源。

3.5 完善的异常情况管理

包括终端电池欠电，节点、分站发生故障的报警呼叫系统配置。

4 设计方案与组成

系统由通讯主站、通讯分站、通信节点、通讯终端、监视主机组成，通讯距离较长时加中继器延长通讯距离。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

系统施工拓补结构如图2所示。

4.1 终端设计方案

4.1.1 硬件设计方案 采用nrf9e5mcu，868 MHz，GFSK调制，PCB环形天线；锂电池供电，供电时间≥1年；微功耗设计，待机电流≤10 μA；双向语音对讲；防水设计；结构微型化；LPC2B2语音压缩和LM4860语音处理。

4.1.2 终端具体功能 定位信息主发方式9 600 BPS，每10 s一次；上位机主叫定位时指示灯显示SOS（三长三短）；ID预置；双向语音对讲；电池欠压检测。

4.2 节点设计方案

4.2.1 硬件设计方案 采用nrf9e5mcu，868 Mhz，GFSK调制，PCB环形天线；电源12 VDC，范围6～16 V；低功耗设计，待机电流≤1 mA；双向语音对讲；防水设计；结构微型化；短路保护；双串口RS232。

4.2.2 节点具体功能 接收端点信息（定位、报警）上传给分站；上电时当外接头有效时，即为尾节点，此时主动上报ID 3次；当下一级节点上报ID时加上自身ID上传；转发主站呼叫信息（首、中、尾）；语音转发（终端语音上传、主站语音下传）；支持节点属性设置（首、中、尾）；支持有线方式下的ID设置（经PC）。

图2 施工拓扑结构

4.3 分站设计方案

4.3.1 硬件设计方案 单总线NC7WZ07；为节点提供电源5～6 VDC；电源12 VDC；双串口，一个接RS232，一个接单总线；64 kb RAM或512 kb flash；指示灯用以表示本域设备运行状况；配置信息掉电保持。

4.3.2 分站具体功能 负责节点数据的算法处理；负责节点及本分站范围内的设备维护及维护信息上传；相应主站呼叫，上传本域路径配置；当下一级设备上报ID时加上自身ID上传（自主上传）；接收主站呼叫，转发主站/分站的数据信息/语音信息；申请语音拨号。

4.4 中继设计方案

4.4.1 硬件设计方案 双串口设计；单总线；电源12 VDC；后备电池。

4.4.2 中继具体功能 透明传输；支持故障诊断协议，数据不透明。中继接到主站设备维护信息后，向下一中继发送设备维护数据包，同时发功能码为0x51的确认数据包至上级设备。本中继如果在5 s内没有收到下级设备确认数据包，则将自身ID打包，发送功能码为0x50的设备维护信息包，表示此节点后设备有问题。

4.5 主站设计方案

4.5.1 硬件设计方案 考虑独立布线时能为所有设备提供12 V直流电源；每个主板管理2条总线，主机间可构成2n条总线；具备与瓦斯传感器共线和独立布线功能；每个主板设置指示灯指示通讯状态、线路故障等信息；多个通讯接口，包括网络RS232；FLASH数据存储；每分板自带CPU及存储器/FLASH，负责本线路的设备维护及定位、语音对讲等工作；主板负责与上位机的通讯及支总线的管理；提供RS232及网络接口。

4.5.2 主站具体功能 各条总线上的设备维护；PC指令下传；数据信息上传；双向语音对讲。

5 结束语

“煤矿井下人员跟踪定位安全管理系统”把尖端的短距离射频识别技术、网络通讯技术、语音压缩技术和自动控制技术有机结合，解决了煤矿井下的设备安全运行、人员精确定位、井下矿道路径自动生成、设备故障自动上报、语音对讲、网络数据通信、数据的远距离传输、信号转换接口和信息处理等方面的技术难题，将为煤矿井下人员监测、控制和跟踪管理，以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑，必将有力地推动煤矿企业的经济发展。■

[1]周立功.ARM嵌入式系统软件发开实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[2]杨晔.实时操作系统μC/OS-II下TCP/IP协议栈的实现[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，7（3）：20-23.