煤矿井下人员精确定位系统及无线通信系统设计研究

2023-02-18杨元成程光显

中文信息 2023年2期

杨元成高杰程光显

（乌苏市巴音沟丛龙煤矿，新疆乌苏 833300）

当前，部分煤矿井下人员定位系统、通信联络系统存在一定不足，如定位效果差、通信质量低，而且成本高昂、维护复杂、费时费力等[1]。为避免这一情况，提升矿井人员定位与通信功能，应结合矿井下作业人员管理需求，设计功能丰富、定位可靠、成本较优的系统，以适应新环境、新标准、新要求。

一、煤矿井下人员精确定位系统及无线通信系统概念价值及原则

1．精确定位系统及无线通信系统基本概念

精准定位系统主要指基于矿井人员安全管理、作业管理需求，结合现代通讯基站、通讯系统所编制的人员定位、通讯融合系统，即能够系统拥有多种功能、多种样式，能够满足管理人员不同管理需求，如人员呼叫、任务传递、安全管理等[2]。因此两者的设计具有现实而积极的意义：第一，可优化矿井管理系统，降低管理压力，提升管理稳定性。由于矿井在作业过程中，环境较为复杂、人员分布较散，若缺乏必要的定位、通讯系统，必然会影响作业人员与上面管理人员的通讯效果。而通过设计更加现代、可靠的定位和通信系统能够有效避免这一要点，如及时了解底部人员作业状态、及时收集底部作业环境并依据信息数据分析结果，及时调整任务方向、人员分布等；第二，可提升底部人员作业安全性，通过更加快速的通信系统、精准的定位系统，能够为底部作业人员提供更加可靠的作业方式与方向，提升其作业安全性，防止其不规范作业，这样便能有效提升作业安全性[3]。

2．煤矿井下人员精确定位系统及无线通信系统设计原则

结合煤矿井下人员定位与无线通信系统功能、目标等需求，在设计时应注意：一是遵循安全性原则。其主要是指结合矿井管理、矿井生产制度，保障工作人员、工作设备等的安全，以避免事故影响作业人员的人身安全。或在安全事故发生后，能够快速定位并联系矿井作业人员；二是功能性原则。功能要符合矿井实际工作需求，如结合上下人员通讯需求，设计对讲功能。或结合人员安全管理、作业管理需求，设计人员动态监测功能。或结合运输设备参数需求，设计安全管理能力，对管理人员预警区域超员、作业人员脱离岗位预警等[4]；三是要坚持反馈性原则，即能够及时通过系统构架对管理人员进行信息反馈，以帮助安全管理人员更好地实施管理措施，如通过LED 显示屏展示各个节点人员工作情况等；四是要坚持精准性原则。由于矿底作业人员区域限制，若定位系统不准确，必然会影响管理或救助效果，据此为提升安全管理效果，应提升管理系统的精准性，如部署一套精度高于1 米的定位系统；五是要坚持联动性原则。联动性主要包含两个方面，一方面联动企业应急管理部门等，用以及时反应，如处理突发安全事故，另一方面联动医院、消防等单位，用以快速处理突发特殊事件，以进一步事故救助效果和质量[5]。

二、煤矿井下人员精确定位系统及无线通信系统设计路径

为保障设计有效性与可靠性，特结合乌苏市巴音沟丛龙煤矿项目具体情况进行设计，如其系统设备陈旧，线缆老化，现系统不能满足国家相关标准及煤矿管理要求，亦不能满足矿业生产管理需要，同时也不符合煤矿未来工业发展的需要等[6]。具体而言：

1．煤矿井下人员精确定位系统及无线通信系统技术要点

1.1“一站、一线、一网、一平台”的技术架构

设计井下和地面双融合的模式，井下设计一个融合基站，同步实现多种功能，可就近接入其他系统。同时，在一个融合调度软件上实现有线、无线、人员、车辆、视频等多系统的“调度”功能。

1.2 支持千兆自组网

在基站内部设计千兆工业以太环网模块，在基站间设计环形链路，支持VLAN 划分，支持链路冗余，地面可查看网络连接状态；同时，基站也可将千兆接口接入现有工业以太网，实现千兆链路传输，确保数据的业务传输需求。

1.3 井下本安一体化融合基站

基于井下部分区域对无线信号覆盖需要，设计井下WIFI6 融合基站。其中，融合基站运用本安型基站，体积小重量轻，融合基站内含有WIFI6 模块、UWB 精确定位模块、红绿灯控制模块及千兆工业环网模块，后期支持扩展增加4G 无线通信模块无需再重新布站[7]。

1.4 厘米级高精确定位

采用北路UWB 定位技术。这种技术具有超低功耗、休眠与自动唤醒和抗干扰技术等优势，采用TDOA 算法，最大静态定位误差不大于0.3m，最大动态定位误差不大于1m，能够提升定位精准性。

1.5 电源远程智能管理功能

基于系统基站配套的后备电源远程管理需求，赋予电源远程智能管理功能。例如，能够在软件中远程查看当前电池电量，支持远程的充放电管理。

1.6 标识卡超低功耗设计

精确定位识别卡采用可更换电池供电，标识卡采用微功耗器件与智能节电设计，电池使用寿命不小于6 个月；依据系统软件功能要求和标准，设计针对性的校验和算法处理程序，保证无线数据高度可靠传输，确保定位精度。

1.7 区域限员管理

对于高瓦斯矿井、冲击地压严重矿井，在采煤工作面及顺槽，以及掘进工作面，需要进行限员管理。据此，精确定位系统应结合矿用显示屏，实现多区域、对部门联动，达到区域人数精确统计，就地显示和超限语音告警的功能。

1.8 超远覆盖距离

精确定位模式下，定位分站的无线覆盖半径应超过300～400 米（视巷道情况调整）。

1.9 系统唯一性识别

本系统主要由人像识别、人员定位数据库、语音提示及报警装置等部分构成。其原理为：入井人员携带人员定位识别卡通过该装置时，安检门上方的摄像头自动扫描人员脸部特征信息，并把扫描信息上传至检测主机进行判断，如识别出不带卡、多带卡、替代卡、携带坏卡等情况，立即进行声光报警并禁止通行。

1.10 分类查询功能

在实时监控及查询统计报表中，系统可按员工工号、卡号、姓名、职务、工种、部门、巷道位置、时间段等进行分类查询。

2．技术系统总体构成设计

2.1 系统总体结果

基于上述分析结果，系统整体的结果应报站精准定位系统和无线通信（如图1所示）。其中，系统结构应保持多样，组网灵活，支持光缆自组网及接入工业环网等多种组网方式，可根据现场实际需求进行选择。

图1 矿井人员精准定位及通信融合系统构架

利用融合基站的千兆光接口组成系统的骨干网络。系统能够很轻易地组成较大的定位网络结构模式，满足矿方的较大规模的使用需求。

2.2 系统总体功能设计

系统总体功能主要包含工作业务、人员管理等层面。首先，业务功能，主要用于语音和视频通话，其能够支持有线调度通信系统，扩展调度固话直拨，具备井下无线信号数据的高速率传输，支持多路高清视频同时传输，不卡顿延时低等特性；其次，汇接功能。系统提供多种中继接口，E1 中继信令齐全，如PRI，SIP，VOIP 等信令，可为用户提供多种组网。汇接方式多样，包括实现数字中继和SIP 中继的中继汇接、中继分组、中继局向管理等功能；其三，管理功能，其主要包含录音、热线、会议、综合功能、汇接功能、网管功能等；其四，对讲功能，全数字化设计。如抗干扰能力强，通话清晰；不需要主机、基地台等控制中心，只要有Wi-Fi 基站，接入后即可实现喊话对讲功能；其五，人员动态监测功能与查询考勤功能，如可查询一定时间段内人员下井信息、可查看具体日期各部门下井人数等；其六，安全管理功能，如生命安全监测预警、生命安全监测预警、生命安全监测预警、生命安全监测预警等。

3．系统细节设计

为实现矿井人员精准定位、人员通讯需求，应结合现场实际情况，细化设计相关管理系统。而汇总井下定位与通讯共性和个性需求，在系统设计上应把控调度室、井口显示、唯一性检测、基站四个层面。具体而言：

3.1 设计调度室

定位设备可安装在调度室机柜，数据服务器配置2 台，通过交换机相连，数据服务器采用双机热备方式，满足1min 钟内自动切换的要求。为满足WEB 发布的需求，配备1 台服务器，实现定位信息的WEB 发布。WIFI6 无线系统配置一台支持500 门用户的IP 语音交换机、一台综合网管服务器，实现分部门调度、监控、管理等功能；同时配置一台数字中继媒体网关，提供数字E1 口，实现互联互通。具体如图2所示