煤矿井下应急导航系统设计

2020-07-24覃中顺赵四海胡云兰苏辉杨波凯

煤炭工程 2020年7期

覃中顺，赵四海，胡云兰，李雷，苏辉，杨波凯

(1.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京 100083；2.冀中能源井陉矿业集团大有机电有限公司，河北衡水 053100)

降低煤矿井下事故发生后的死亡率，避免因为井下突发事故时，由于安全生产管理培训不到位等原因造成的人员伤亡和财产损失有重要的研究意义[1]。国内目前有语音交互的应急救援系统，它利用语音合成、语音交互等来实现更加便捷的交流，缩短救援时间[2，3]。但是没有比较成熟的井下应急导航系统，井下人员自救援、自撤离能力没有较大的提升[4，5]。所以引入一种煤矿井下应急导航系统为井下人员在突发事故时指明最优撤离路径是必要的。

本文基于WIFI(Wireless-Fidelity)定位技术，采用语音合成的导航模式，通过WIFI信号实时语音导航，来确定逃生路线。使井下人员在突发灾害情况时，通过应急导航系统管理平台达到自救援、自撤离的目的，从而降低人员伤亡率。

1 总体方案设计

1.1 总体构架设计

煤矿井下应急语音导航系统的基本工作原理为：煤矿井下人员通过随身携带的移动终端经由井下巷道内布置的无线AP节点(即接入节点)组成的通信网络与地面进行通信[6]；在井下日常生产工作中，该系统通过各AP节点在巷道内的位置和该AP节点与井下移动终端之间的RSSI(Received Signal Strength Indication)值来确定人员位置，以便于井下人员的调配和作为应急语音导航的参考起点[7-9]；在井下突发故事时，由井下人员通过移动终端按键上报事故等级和位置信息，通过无线网络发送给地面应急导航系统并迅速做出响应，由语音合成的方法将地面应急预案和导航路径信息反馈给井下工作人员，完成紧急疏散[10]。

煤矿井下应急导航系统通信网络由3个部分构成，其具体构架如图1所示。第一部分是井下移动终端，主要由核心控制处理器、WIFI通信模块和语音合成模块组成；主要实现井下人员定位、通信数据的采集和接收、辅助人员应急逃生等功能。第二部分是WIFI通信网络，主要由无线AP节点和井下通信交换机组成；主要实现与井下移动终端的数据传输、为地面监控管理系统采集井下数据和与地面监控管理系统实现数据交流和通信。第三部分是地面监控管理系统，由PC机、数据库服务器、井上核心交换机等组成；主要实现井下数据分析和计算、可视化显示井下定位情况、管理人员信息、存储及处理应急管理预案以及相关数据库的管理服务。

图1 系统总体结构图

1.2 井下定位设计布局

井下定位设计基于RSSI的室内定位技术，采用指纹定位的方法进行定位。该方法将AP节点采集的RSSI值作为特征值与空间中某一位置进行匹配即可得到该特征值的匹配坐标[11，12]。由于井下巷道多为悠长狭窄的室内布局，采取沿巷道轴向每隔2m设置一个目标位置，AP节点沿巷道轴向每隔40m布置一个AP节点。如图2所示，选取移动终端所连接的AP节点中信号最强的4个节点作为离线训练样本，建立巷道目标位置数据库。待多次完善数据库后，在线定位时移动终端实时采集的RSSI值与数据库比对就能得到其位置，完成在线实时定位[13-15]。

图2 指纹定位布局原理

2 硬件设计选型及软件流程设计

2.1 硬件设计及选型

2.1.1 移动终端设计

移动终端由三个部分的构成：控制处理器和其外围电路、WIFI通信模块和语音合成模块。为了保证系统的快速处理能力和较大的内存，综合考虑，选用STM32F103ZET6作为移动终端CPU，LQFP144控制板作为终端控制处理器的载体。WIFI通信模块选用ATK-ESP8266作为数据采集与传输的桥梁。语音合成模块采用科大讯飞的YS-XFSV2中英文语音合成模块作为语音导航的载体。移动终端采用5V/2A的电源作为输入端，控制芯片与ESP8266、YS-XFSV2模块采用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口通信连接，通信波特率为9600，端口号为5000，采用RS232的通信方式逐字节发送数据，其可靠性、通信效率优良。其硬件结构如图3所示。

图3 移动终端硬件结构

2.1.2 无线通信模块连接电路

经过板载降压芯片后，接入3.3V电压为WIFI模块供电，模块可以通过板载单片机复位，UART通信接口各外接一个电阻稳压，如图4所示。

图4 WIFI模块接口电路

2.1.3 语音合成模块连接电路

YS-XFSV2语音模块与主控芯片采用UART串口通信方式连接，其原理如图5所示。语音模块的XFS5152CE芯片电源输入、接地与主控制芯片的电源VCC、接地GND相通，其数据发射端口P39、数据接收端口P41分别与主控芯片的第一组串口通信端口的数据接收端口P30、数据发射端口P31相连，中间分别通过一个10kΩ的电阻稳压。

图5 XFS5152CE芯片接口电路

2.1.4 其他设备选型

井下AP节点型号选用MZ-FBWX，其无线信号覆盖范围最大可达500m，可用于井下在有甲烷、煤尘爆炸性气体混合物的场合。

井下通信交换机选用KJJ127矿用隔爆兼本安型网络交换机，该交换机具有光纤组网，以太网光、电信号接入，RS458信号和CAN信号接入功能，符合井下无线AP节点的组网要求，其防爆性能、信号传输、抗摔、耐腐蚀、耐磨损性均符合井下使用要求和国家标准。

井上核心交换机采用华为S5720系列千兆级以太网交换机，其网络管理功能、安全管理功能、QoS(Quality of Service)等均符合井上数据管理要求。

地面服务器选用Think Server RD40，其数据存储能力、运算处理速度均满足系统设计要求。

2.2 软件流程设计

系统的软件设计主要分为移动终端子系统设计和后台监控管理软件设计。移动终端子系统是其内置的嵌入式程序，主要负责和AP基站通信，返回位置信息和接收导航数据并合成播放。在对硬件模块进行初始化及初始参数配置之后，移动终端在接收到AP基站发送的指令或者自身按键指令时，对其分析判断，实现人员位置数据采集并发送以及解析AP基站返回的语音数据并经过合成后播报。移动终端子系统的软件工作流程如图6所示。

图6 移动终端工作流程图

地面监控管理软件分为信息管理、跟踪定位管理、应急救援管理和系统管理等四部分，其系统结构如图7所示。信息管理实现井下工作人员的人事、考勤等日常管理；人员定位管理实现显示井下巷道信息界面和人员位置及轨迹管理；应急救援管理实现矿井预警和应急报警管理，并利用蚁群算法及时规划应急导航路线；系统管理主要是设置系统数据和对综合数据库进行管理。系统数据库主要存储人员管理信息、井下地图、应急预案、AP基站数据、位置数据和导航预备数据等。

图7 地面监控管理系统结构图

3 系统实现与应用

煤矿井下应急导航系统在冀中能源井陉矿业集团下属煤矿井下进行试运行测试。该系统上位机软件采用VS2019的.NET窗体应用开发平台，结合SQL Server数据库管理器，设计了一个窗体应用程序，地面管理人员通过人员定位模块、应急救援管理模块、系统数据库管理模块和跟踪定位管理模块对井下人员信息、井下巷道信息和应急管理预案进行监控和管理。

跟踪定位管理模块下拉出人员定位导航管理界面，根据SQL Server数据库存储的井下巷道地图信息和AP节点信息，可以实时寻找人员位置、查看井下AP节点连接情况、变更井下巷道地图信息等。当出现紧急情况时，可以实时报警并列出事发位置信息和附近人员位置信息。

应急救援管理模块负责调用应急导航预案和应急管理文件，并且发送给井下移动终端，通过语音合成模块的数据合成转化为语音信息，实时为井下工作人员导航播报。

煤矿井下试运行表明，该系统井下定位功能基本实现良好，导航预案与语音合成导航状况良好。根据上文定位设计的指纹定位方法和AP节点的布局情况，以及训练好的离线样本进行在线测试，选取了9组在线应急导航测试结果。由井下定位精度误差所致，井下导航也出现了少许误差，其精度控制在3m以内。导航单条路径的平均误差如图8所示，纵坐标为单路径平均误差，横坐标为路径编号。