基于无线通讯的煤矿井下人员定位系统设计应用

许 峰

(山西焦煤集团有限责任公司 东曲煤矿，山西 古交 030200)

0 引 言

矿井开采属于高危作业，保障矿井员工生命安全是煤矿开采的重中之重。由于矿井高瓦斯、高潮湿、视线昏暗以及片帮脱落、塌方等危险源，发生矿井事故具有不确定性。因此，在发生事故时，如何能够高效率、精准性的对井下人员进行施救成为整个救援工作的关键。煤矿井下人员定位系统能够实时、精准的确定井下被困人员信息，进而可提高搜救效率。国外井下人员定位系统的发展比较成熟，如利用红外线定位技术、射频识别技术、UWB技术等，定位精度从5～10 m逐渐精确到0.1～0.15 m，系统安全系数逐渐升高、无线信号的穿透力和抗干扰力逐渐增强，系统功耗以及成本逐渐降低[1-3]。国内井下人员定位系统的发展较为滞后，在借鉴国外先进技术的基础上，逐渐应用煤矿考勤管理系统、无源射频识别技术、无源双频RFID技术、ZigBee无线通信技术、WiFi无线通信技术、无线传感器网络技术等，极大的提高了井下人员定位精度，保障了井下人员生命安全[4-6]。但是，煤矿企业实际应用上述人员定位系统时还有以下问题：①定位精度低，还停留在区间定位，无法满足厘米级定位精度；②定位标签卡较少，远小于煤矿安全规程中规定的65 000个；③无法将人员位置显示在地图上并实现信心共享；④人员定位系统只能单向通信，无法接收来自井下人员的信息。文章针对上述问题，设计基于无线通信的煤矿井下人员定位系统，重点通过对井下人员定位系统功能需求及实际工况进行分析，设计井下人员定位系统方案，达到井下人员实时精准定位、保障生命安全的目的。

1 基本原理

WiFi是基于IEEE 802.11的无线通信手段，通过WiFi基站周期性的获取覆盖范围内的WiFi终端无线信号，并通过一定的算法估算该终端距离基站的距离以及位置坐标。基于WiFi无线通信的定位方位有如下四种[7-8]：①基于到达角定位，即基站A、基站B同时检测待测终端信号到达角度差，并利用角度测量方法计算该待测终端的位置坐标；②基于达到时间定位，即待测终端发送信号并达到基站A、基站B，计算信号发出、信号返回的时间差，估算待测终端与基站之间的距离；③基于到达时间差定位，即待测终端向基站A、基站B发射不同强度的信号，并分别计算达到时间以及到达时间差，得到待测终端与基站之间的距离；④基于RSS定位，即根据信号接收强度估计待测终端位置。文中采用RSS定位方法。

2 定位系统设计

2.1 功能要求

煤矿井下人员定位系统是保障煤矿井下工作人员生命安全的重要措施，需实现的功能为：①精确定位，即定位精度小于等于30 cm，实时巡检周期小于等于5 s；②故障报警，即人员超时、人数超限报警，杜绝超时、疲劳工作，杜绝工作面人员超出最大限额；故障报警还包括危险区域预警，即当井下工作人员误入危险区域后发生声光语音预警并反馈至地面监控平台提示管理人员作出警示处理；③双向呼叫，即地面监控平台可以向井下定位标签发出指令；井下工作人员可通过携带的标签发出求救信息；④数据存储，即对标签卡数据定期存储并可历史回溯；⑤GIS显示，即可在地图上显示井下人员定位位置。

2.2 总体设计

基于无线通信的煤矿井下人员定位系统总体设计如图1所示，分为井上、井下两部分。

图1 煤矿井下人员定位系统总体设计

井上部分为人员定位系统监控平台，井下所有数据经地面交换机传送至地面监控平台，可实时显示井下定位标签位置坐标信息并在GIS地图中动态展示。该监控平台可接收井下定位标签的“求救”信号并迅速定位；还可以发送控制命令，对指定定位标签进行控制。井下部分由区域控制器、井下交换机、定位基站分站以及定位标签组成。布置到井下人员衣服或者设备机身的定位标签以WiFi无线通信模式实时、周期性的将自身位置坐标信息上传至定位基站分站，然后经区域控制器处理后经井下交换机上数据上传至地面。

2.3 定位基站设计

煤矿井下人员定位系统定位基站结构设计如图2所示，由主控制器模块、射频模块、以太网接口模块以及电源管理模块组成。井下所有定位标签信息通过定位分站基站以TCP/IP通信模式上传至地面监控平台，A0定位基站负责分配并管理各定位分站基站接收定位标签数据的时隙，保证信息上传的实时性和准确性，不发生数据碰撞。

图2 定位基站结构设计

2.4 定位标签设计

煤矿井下人员定位系统定位标签结构设计如图3所示，主控芯片为STM32103C8T6，以IO模式控制蜂鸣器报警模块，以SIP通信模式控制DWM1000射频模块，电池管理单元以CAN总线通信模式为上述三个模块供电。定位标签一般固定于井下人员衣服或者井下作业设备机身，外形尺寸要小且便于携带。另外，定位标签还需功耗低、处理速度快。

图3 定位标签结构设计

3 应用效果分析

(1) 定位精度试验 选取煤矿井下10个位置点坐标值并对实际坐标值进行记录，利用设计的基于无线通信的人员定位系统对上述10个位置点进行定位并记录定位到的位置坐标。对前后两次试验得到的位置坐标点进行误差分析，得到误差绝对值和相对值大小，进而验证该人员定位系统的正确性和可信度。该定位系统的相对误差、绝对误差曲线图如图4所示，平均绝对误差为0.389 1，平均相对误差为14.939%，实际误差距离小于30 cm,即利用该人员定位系统后，定位坐标值与实际坐标值接近,有应用价值。

(2) 定位标签试验 根据煤矿井下基站分布情况，基于无线通信组网理论，重新布置井下定位标签并不少于65 000个，增强人员定位的准确性。实际布置井下定位标签65 107个。

图4 煤矿人员定位系统相对误差与绝对误差曲线

(3) GIS显示试验 打开GIS地图界面后，可点击工具条中的放大、缩小、漫游、全图、前一屏、后一屏、放大镜、点选、测距以及缩略图等工具后，地图可进行相应的变化。对指定定位标签在地图中显示，并以红色五角星标注并可实时显示行动轨迹。

(4) 双向通信试验 利用布置的煤矿井下定位标签，发出“求救”信号，观察地面监控平台是否可以接收到该信号。实际测试时，测试10组定位标签，向地面发送“求救”信号，地面监控平台可实时、准确的接收到该信号。

4 结 语

煤矿井下人员定位系统是保障井下人员安全的必要措施，是保证煤矿安全生产的必要手段。文中建立以WiFi无线通信技术为核心的煤矿井下人员定位系统，实现了井下人员、井下设备的高效、精准定位，定位精度小于30 cm；扩展了井下定位标签，完善了井下无线定位系统；实现了井上监控平台、井下定位标签数据的双向通信，提高了井下定位效率；为煤矿安全、高效生产提供了强有力的保障。