基于WIFI技术的煤矿井下人员定位安全系统的研究

李 浩

（山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司， 山西 宁武 036706）

引言

煤矿井下开采的环境相对比较恶劣，若监控不全面，存在较多的盲区。实现井下与井上信息的有效传递，并准确定位井下作业人员，是安全、可靠、高效煤矿生产活动的首要任务。近年来，煤矿开采行业逐步发展起来人员定位系统，并得到不断发展[1-2]。文本在已有的定位系统基础上，对原系统进行了升级改造，以WIFI无线通信技术为基础，成功搭建了人员定位系统。

1 现有监控系统存在问题

1）软件操作界面显示单一，不能及时有效进行数据自动传输交互，特别是系统使用一段时间后发现数据交互延迟非常明显。容易导致系统监测的人员位置与实际人员位置存在较大差异[3-4]。

2）传感器使用的无线网络传输系统信号滞后，在实际使用中存在响应不及时的问题。

3）系统所采用的无线传感网络（WSN）是一种比较便宜、落后的无线组织网络，数据的传输依靠每个传感器所构建起来的节点网络，其通信能力有限，而且系统计算与处理能力较差，导致系统整体精度低，时延长[5]。

4）传感器、网络通信等硬件设备在使用相当一段时间之后，故障率高，对系统本身构成了严重的安全隐患。因此，为了解决现有井下人员定位安全系统存在的不足，对其进行优化改进设计迫在眉睫。

2 井下定位系统需求分析

井下环境复杂，地面通信设备信号无法传输到下端，且在相对密闭的环境中容易出现瓦斯浓度偏高、环境温度、空气质量等问题。在设计人员定位系统时，为了满足定位精确、信息传输能力强、操作方便的要求，对系统的设计需要进行分析。

1）功能需求。井下人员定位系统具备如下几个功能：对井下所有人员位置的定位、显示；对位置信号的记录；查询指定区域内，在一段时间内所有定位对象的分布情况；发生安全事故，系统能进行报警，并准确提供人员位置信息。

2）系统性能需求。矿井人员定位应用WIFI技术，并结合企业自身的实际需求，以及通信特点，要求系统应具备如下的性能要求：高定位精度要求；低时间延迟；系统的容量大等，以备后续拓展。

3 系统的总体设计

基于WIFI技术的井下人员定位系统主要包括WIFI通信技术与地面硬件设备，井下作业人员位置信息的获取和信息传输均通过WIFI无线网络技术来实现。图1所示为井下人员定位系统架构示意图。

图1 井下人员定位系统架构图

3.1 WIFI网络的设计

潞宁煤矿矿井南北长约4.8 km，该区域东西宽约5.3 km，其中包括南北方向6条主要进回风巷道，3条东西走向的主要进回风巷道。该煤矿设定位系统主干网络由太网采用两根12芯单模光纤组建。巷道内采用POE交换机实现各条光纤数据的连接，每条巷道布置一条可延伸光纤。副井中的通信网与各个横穿东西的巷道内通信网构成环状网结构，由此可以保证确网络信号传输的稳定性以及网络结构的稳定性，图2所示为主干网络的拓扑结构。

图2 井下主干网络拓扑结构

将WIFI网络地址配置为C类IP，对网咯中终端IP地址进行分配，使用C类IP的优势在于避免以后在接入公网时地址冲突。利用WIFI虚拟局域网划分技术，将交换机网络根据使用功能的不同，划分为三个区，分别对应于定位、通信、监控数据等模块。

3.2 系统主要硬件的选取

根据潞宁煤矿自身特点，并结合人员定位系统功能需求所设定目标，进行系统硬件的设计。既满足系统的设计目标，同时也要考虑到设备可靠性，经济性等，下面对该系统中主要硬件做简要说明。

1）POE交换机。POE交换机是以太网通信的枢纽，根据煤矿的实际情况，与将来可能的扩展；选择POE交换机应具备包转发率高，同时支持100 Mvps及以上的网络数据传输速率；POE交换机型号可选用GSDXH DF-M2475G-30HS-W，其所有端口上都能够提供40 W功率。

2）监控中心服务器。服务器是整体系统的大脑，负责对各种信号数据进行处理，保障各定位传感器数据传送和处理各种网络服务请求。服务器高性能主要体现在高效、快速的信号传输、信号处理；具有比较强的外部数据吞吐能力。根据以上原则，选择联想Think version E3-1220V6服务器，CPU频率2.5 GHz；8 G的处理器；四个核心处理器，自带Windows10专业版操作系统。

3）定位终端硬件选取。首先，定位终端必须具有WIFI通信模块，可以实现在WIFI网络下数据的传输。因为，T301型定位终端具有双向通信功能，且能够满足自动定位和请求定位两种工况，提高求系统对于人员定位的识别率，图3所示为T301定位终端。

4 人员定位系统功能的实现

软件操作系统是基于Ekahau环境下，对煤矿井下人员定位管理系统进行了开发设计，依据潞宁煤矿自身特点，改进系统硬件配置，网络传输硬件设备以及服务器。参考煤矿需求和网络部署，在已有的煤矿井下定位管理系统设计基础上进行改进，完善对潞宁煤矿井下安全定位系统设计。

操作界面上进行了集约化设计，创建将新增设的工具栏，图4所示为井下人员定位系统主界面，设置用户登录窗口，下侧有人员监控、报警管理、人事管理、用户管理、考勤情况、复杂系统、请假公示等信息。

图3 T301型定位终端

图4 WIFI技术煤矿井下人员定位安全系统

煤矿井下人员定位安全系统软硬件的设计搭建成功，为煤矿矿井人员监测提供了可靠有力的措施。针对煤矿矿井的特殊环境，提出基于WIFI通信技术的监测系统。巷道内采用POE交换机实现各条光纤数据的连接，副井中的通信网与各个横穿东西的巷道内通信网构成环状网结构，由此可以保证确网络信号传输的稳定性以及网络结构的稳定性。在系统后期的使用中也证实系统升级达到了预期设定目标，系统在硬件、软件层面均得到了改进优化，很好地满足了煤矿井下人员定位的实际需求，具有较好的可靠性，为井下人员定位系统的后续深入研究提供了有力参考。

5 结论

1）综合改进了系统通信传输硬件、位置定位传感器、服务器等，同时对软件层进行集约化处理，新增报警管理模块，完成定位系统总体设计并达到设计指标。

2）井下人员定位系统基于WIFI通信技术，巷道内采用POE交换机实现各条光纤数据的连接，保证确网络信号传输的稳定性以及网络结构的稳定性。系统升级达到了预期设定目标，系统在硬件、软件层面均得到了改进优化，提高了系统的精度与可靠性。