井下人员跟踪定位系统的组网设计

景伟平

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030024）

井下人员跟踪定位系统的组网设计

景伟平1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030024）

以青瓷窑煤矿为例，探讨煤矿入井人员实时跟踪监测和定位，随时掌握每个人的位置及活动轨迹。通过考察矿井结构与实际应用做出系统组网设计。井下系统采用RS-485组网，实现数据采集传输。

井下人员跟踪定位系统；组网设计；RS-485

1 井下人员跟踪定位系统的概述

井下人员跟踪定位系统可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，随时掌握每个人员的位置活动轨迹。

系统包括：井口检测分站、井下分站、个人信息识别卡、通信隔离交换机、通信线路、计算机输出系统、多功能综合管理软件等。

井下人员跟踪定位系统软件，由通讯控制系统、后台数据库系统、主控系统、网络查询构成。系统在“考勤管理系统”基础上，结合井下人员跟踪定位系统的特点，采用当前最先进的软件开发工具构成，系统工作稳定可靠，充分考虑到煤矿使用的方便性、系统的可扩充性、功能的实用性。见图1。

图1 软件系统结构图

2 井下人员跟踪定位系统的设计方案

煤矿井下要求系统有高安全性和高可靠性，设计时既要保持功能的完整性，同时也要适应井下的环境和要求。HST系统的总体设计主要体现在高自动化、高效性、安全性、延伸扩展性等方面[2]。

（1）高度自动化：系统应能自动检测井下坑道工人经过该监测点的时间、地点信息，并自动实现考勤作业的统计与管理。实现对煤矿井下人员进出做有效识别和监测监控，使管理方式人性化、信息化、自动化。

（2）先进的通信系统：安装在井下各通道的识别系统，实时向网络服务器传送相关人员通过的数据，整个过程无需人为干预。要求能为煤矿管理部门提供多方面的信息支持，一旦发生安全事故，可以通过通信系统快速准确地了解井下人员情况，为后续工作的高效运作提供保障。

（3）系统的安全、稳定、可靠性设计：系统采用坑道壁挂式设计，并保证系统在恶劣环境下24h连续正常运转，并完善异常情况（包括无效识别卡、故障识别卡进入）时的报警呼叫系统。井下人员跟踪定位系统本着“统一配置、统一管理”的原则，按上岗人员实行“一人一卡”制，视为上岗凭证。具体方案见图2［3］。

图2 井下人员跟踪定位系统方案图

（4）煤矿单位在井下坑道、作业面的交叉道口，安装一定数量的井下分站设备，以满足辐射区域为准。

（5）煤矿生产主管单位，向下井人员发放个人信息标识卡，并固定在安全帽的顶部。

（6）系统数据库记录该标识卡对应人员基本信息（包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务、上下井时间等）。

（7）安全生产部门对进入坑道人员的识别卡经过设置和授权（例如可进入或不准进入的地区，并以某个员工可进入的坑道或作业面进行设置，防止无关人员和非法人员进入坑道和作业面），当该人员经过识别系统的地点时，被系统识别同时激活，系统将读取该卡号信息，通过系统传输网络，将持卡人通过的地点、时间等资料传输到地面监控中心，进行数据处理并自动生成多种报表、资料，作为生产管理部门的原始数据，从而提高管理效益。

3 青瓷窑煤矿井下人员跟踪定位系统的组网设计

3.1 串行通信方式的选择

常用的多点串行通信方式有：RS-232C和RS-485两种：（1）RS-232C规定:逻辑“1”为 -5V～-15V；逻辑“0”为+5V～15V。这种电平的抗干扰性比TTL强的多。RS-232C规定最大负载电容为2500pF，这个电容限制了传送距离和传送速率，且TTL/RS-232C转换电路属非平衡电压型线电路，没有抗共模干扰特性。一般情况下，RS-232C只用于短距离通讯（一般15m内）。若要远距离传送，要加调制解调器。（2）RS-485为半双工，当用于多站互连时，可节省信号线，便于高速率远距离传输信号。RS-485通信协议是双向、平衡传输线标准，支持多点连接，允许创建多达256个节点的网络，传输速率为10KBS和使用双绞线作为传输介质时，传输距离可到1200m，或在网络中增加中继器，可以扩大网络节点数量和系统监控范围。RS-485支持半双工通信，即只需两根线就可同时进行数据的发送和接收，系统成本低、线路简单、稳定可靠。井下人员定位系统中，传输距离介于近传输距离(＜20m）和远传输距离(＞2km)之间，这时RS-232C不能采用；如果一定要使用，则必须加装Modem（调制解调器）使用，增加了成本，系统的稳定性也会因众多调制解调器而降低，很不合算，故选用RS-485串行通信接口标准。

3.2 线电路的选择

（1）数字信号的传输，随着距离的增加和信号传输速率的提高，传输线上的反射、串扰、衰减、共地噪声等将引起信号的畸变，从而限制通讯距离。普通的TTL电路驱动能力差、输入电阻小、灵敏度不高、抗干扰性能差，传输信号的距离短。所以要有适用于总线系统能与长线进行接口的专用线路——线电路(指一个系统内部或在几个系统之间和总线相接的用于数字通讯的专用集成电路，它是向传输线发送和接受信号的电路)。线电路分为三类:单端非平衡型线电路、通讯专用接口电路、差分平衡型线电路。

（2）单端非平衡型线电路，例如SN54128、SN74128驱动器等，可与低阻抗的同轴传输线配接，信号以TTL电平传送；其特点是线上电流较大、传输距离有限（一般是几十米到上百米）。通讯专门接口电路，例如TTL/RS-232C转换电路(MAX232，MAX233等)适用于RS-232C通讯标准信号的传输。差分平衡型线电路适合于RS-485/RS-422通讯标准的接口电路；规定平衡发送和差分接收。即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出;在接收端，将差分信号变成TTL电平。因此具有抗共模干扰能力，弥补了RS-232C的不足，使传送距离和传送速率大大提高。

（3）本文组网设计选用RS-485串行通信接口标准的差分平衡型线电路，抗干扰能力强，接收器可检测低达200mV信号，传输数据可从千米以外得到恢复，特别适用于远距离通讯；可组成满足RS-485/RS422标准的通讯网络，通讯系统能稳定可靠运行。

3.3 组网硬件安装

跟踪系统把监控分成两大类：一类是区域监控，另一类是采区监控。跟踪系统中的区段是指两个或者三个井下分站之间所构成的一个区域定义为井下区段，各有区段代码和名称，井下分站探测到的每一次数据，均代表该员工最后所属的区域，当井下分站分布越密时，定位精确度也就越高。采区监控是指对进入采区的员工信息感兴趣，每个采区入口均有一个动态目标识别传感器（相当于一个特殊的区段），区段的一端连接着两个探头，另一端则是一个路线的关键点。当员工下井后，员工所处的位置区域假设为“0000”区。此时不管他走到井下的什么位置，只要不经过井下分站或采区动态目标识别传感器，均认为他处于井口区段；当所属采区探测到他的数据时，则认为他进入了指定采区[4]。青瓷窑煤矿煤层较为单一，主要由主井和新副井构成。井下所需分站设备少于32，因此不必使用RS-485中继组网，只需应用RS-485技术井下普通组网。

3.3.1 井口检测分站的安装

（1）为能了解井下人员的具体位置和行进轨迹，每个入井口各安装一台井口检测分站，用来检查校验个人识别卡的运行正常与否，及时发现坏卡及黑卡等，杜绝安全隐患，同时起到考勤作用。可以视为本系统井下网络组网的核心层。井口检测分站的安装见图3。

图3 青瓷窑煤矿井下人员跟踪定位系统的井口检测分站安装示意图

（2）当员工A带识别卡经过井口检测分站时，通过RFID射频读取该卡的信息，上传至工控主机，进入实时数据库，使管理人员能在软件系统中查询到该卡号对应员工的姓名、工种、权限等，下井次数、工作时间等统计信息。起到考勤作用，如果发现坏卡黑卡则启动声光报警，提醒员工及时检查，或者联系煤矿相应技术人员和管理部门协助解决。

（3）卡信息注册后，如果该员工最后的信息只在井口检测分站出现时，即认为员工A在井口区域；如是井口检测分站1检测到他的识别卡信息，就知道他下了主井，如果是井口检测分站2获得了他的识别卡信息，即员工A进入新副井井口区域。数据库中设置，井口检测分站1对应的区域为0000区，井口检测分站2对应的区域为0001区。

3.3.2 井下分站的安装

（1）井下分站的作用是：在煤矿井下各个巷道的岔口处设置系统关键点。原则上当有3个或以上路口时，必须在该处安置井下分站；以便对人员定位提供粗略信息，覆盖每个岔道关键点。井下分站作为汇聚联接各个动态目标识别传感器，故在井下的主干道岔口处设置井下分站，动态目标识别传感将信息传输至井下分站，然后井下分站根据网络存取控制方式选择暂时存储或转发数据[5]。可以确保RS-485总线上信息传输的准确性，为人员跟踪定位系统的精确覆盖打下基础。青瓷窑煤矿井下分站的安装见图4。

图4 青瓷窑煤矿井下人员跟踪定位系统下分站安装示意图

（2）根据图4，共在主干道各岔道口放置7台井下分站，满足系统覆盖的精度要求，配合动态目标识别传感器，根据数据库记录的员工个人识别卡的行进轨迹，可以精确得出某个员工在井下的位置信息。井下分站主要覆盖各个岔道口和各工作面入口处，负责接受、汇总、上传各个动态目标识别传感器的信息。作为系统的关键点，可以视为本系统井下网络组网中的汇聚层。

图5 青瓷窑煤矿井下人员跟踪定位系统的组网总拓扑图

3.3.3 组网总结

综上所述，青瓷窑煤矿井下组网采用RS-485现场总线拓扑网络。利用屏蔽双绞线（STP）构成一条单一、连续的信号通道作为总线，连接井下系统中的各个设备，方便现场施工和更改。经过通信隔离交换机汇聚并转换RS-485信号为RS-232信号，传输进入煤矿局域网主机，为管理部门提供分析数据。最终形成的网络拓扑，见图5。

4 结束语

本文对井下人员跟踪定位系统例如硬件的功能进行了阐述，重点对井下组网技术方案展开讨论，建立了安全，稳定，可靠的井下人员跟踪定位网络。

[1] 郭星歌.工业以太网技术在矿井通信的应用[J].中国矿业大学学报，2005（10）：19-22.

[2] 王坤,林明星.一种基于人员定位的矿井综合通信系统[J].山东大学信息科学与工程学院学报，2005（8）.

[3] 李世银,刘富强,钱建生,等.基于光纤传输和计算机网络的煤矿综合调度通信系统[J].光通信技术，2002(6)：22-27.

[4] 卞佳丽.现代交换原理与通信网技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005：74-82.

[5] 张宝富，崔敏，王海潼.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004：159-166.

Networking Design of People Tracking System inmine

JING Wei-ping1,2
(1.College ofmining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024;2.Xishan Jinxing Energy Co.,Taiyuan Shanxi 030024)

Taking Qingciyaomine as an example,the real-time people tracking,monitoring,and positioning are discussed.Each person's position andmovement track aremonitored at any time.The network design is based on the investigation of themine structure and the field.Besides,RS-485is used to realize the data acquisition and transmission.

people tracking system;networking design;RS-485

TN929.5

A

1672-5050（2012）08-0055-04

2012-02-23

景伟平（1977—），男，山西临汾人，研究生，从事采矿工程研究。

刘新光