煤礦井下人員精確定位系統及無線通信系統設計研究

楊元成 高 杰 程光顯

（烏蘇市巴音溝叢龍煤礦，新疆 烏蘇 833300）

當前，部分煤礦井下人員定位系統、通信聯絡系統存在一定不足，如定位效果差、通信質量低，而且成本高昂、維護復雜、費時費力等[1]。為避免這一情況，提升礦井人員定位與通信功能，應結合礦井下作業人員管理需求，設計功能豐富、定位可靠、成本較優的系統，以適應新環境、新標準、新要求。

一、煤礦井下人員精確定位系統及無線通信系統概念價值及原則

1．精確定位系統及無線通信系統基本概念

精準定位系統主要指基于礦井人員安全管理、作業管理需求，結合現代通訊基站、通訊系統所編制的人員定位、通訊融合系統，即能夠系統擁有多種功能、多種樣式，能夠滿足管理人員不同管理需求，如人員呼叫、任務傳遞、安全管理等[2]。因此兩者的設計具有現實而積極的意義：第一，可優化礦井管理系統，降低管理壓力，提升管理穩定性。由于礦井在作業過程中，環境較為復雜、人員分布較散，若缺乏必要的定位、通訊系統，必然會影響作業人員與上面管理人員的通訊效果。而通過設計更加現代、可靠的定位和通信系統能夠有效避免這一要點，如及時了解底部人員作業狀態、及時收集底部作業環境并依據信息數據分析結果，及時調整任務方向、人員分布等；第二，可提升底部人員作業安全性，通過更加快速的通信系統、精準的定位系統，能夠為底部作業人員提供更加可靠的作業方式與方向，提升其作業安全性，防止其不規范作業，這樣便能有效提升作業安全性[3]。

2．煤礦井下人員精確定位系統及無線通信系統設計原則

結合煤礦井下人員定位與無線通信系統功能、目標等需求，在設計時應注意：一是遵循安全性原則。其主要是指結合礦井管理、礦井生產制度，保障工作人員、工作設備等的安全，以避免事故影響作業人員的人身安全?；蛟诎踩鹿拾l生后，能夠快速定位并聯系礦井作業人員；二是功能性原則。功能要符合礦井實際工作需求，如結合上下人員通訊需求，設計對講功能?；蚪Y合人員安全管理、作業管理需求，設計人員動態監測功能?；蚪Y合運輸設備參數需求，設計安全管理能力，對管理人員預警區域超員、作業人員脫離崗位預警等[4]；三是要堅持反饋性原則，即能夠及時通過系統構架對管理人員進行信息反饋，以幫助安全管理人員更好地實施管理措施，如通過LED 顯示屏展示各個節點人員工作情況等；四是要堅持精準性原則。由于礦底作業人員區域限制，若定位系統不準確，必然會影響管理或救助效果，據此為提升安全管理效果，應提升管理系統的精準性，如部署一套精度高于1 米的定位系統；五是要堅持聯動性原則。聯動性主要包含兩個方面，一方面聯動企業應急管理部門等，用以及時反應，如處理突發安全事故，另一方面聯動醫院、消防等單位，用以快速處理突發特殊事件，以進一步事故救助效果和質量[5]。

二、煤礦井下人員精確定位系統及無線通信系統設計路徑

為保障設計有效性與可靠性，特結合烏蘇市巴音溝叢龍煤礦項目具體情況進行設計，如其系統設備陳舊，線纜老化，現系統不能滿足國家相關標準及煤礦管理要求，亦不能滿足礦業生產管理需要，同時也不符合煤礦未來工業發展的需要等[6]。具體而言：

1．煤礦井下人員精確定位系統及無線通信系統技術要點

1.1“一站、一線、一網、一平臺”的技術架構

設計井下和地面雙融合的模式，井下設計一個融合基站，同步實現多種功能，可就近接入其他系統。同時，在一個融合調度軟件上實現有線、無線、人員、車輛、視頻等多系統的“調度”功能。

1.2 支持千兆自組網

在基站內部設計千兆工業以太環網模塊，在基站間設計環形鏈路，支持VLAN 劃分，支持鏈路冗余，地面可查看網絡連接狀態；同時，基站也可將千兆接口接入現有工業以太網，實現千兆鏈路傳輸，確保數據的業務傳輸需求。

1.3 井下本安一體化融合基站

基于井下部分區域對無線信號覆蓋需要，設計井下WIFI6 融合基站。其中，融合基站運用本安型基站，體積小重量輕，融合基站內含有WIFI6 模塊、UWB 精確定位模塊、紅綠燈控制模塊及千兆工業環網模塊，后期支持擴展增加4G 無線通信模塊無需再重新布站[7]。

1.4 厘米級高精確定位

采用北路UWB 定位技術。這種技術具有超低功耗、休眠與自動喚醒和抗干擾技術等優勢，采用TDOA 算法，最大靜態定位誤差不大于0.3m，最大動態定位誤差不大于1m，能夠提升定位精準性。

1.5 電源遠程智能管理功能

基于系統基站配套的后備電源遠程管理需求，賦予電源遠程智能管理功能。例如，能夠在軟件中遠程查看當前電池電量，支持遠程的充放電管理。

1.6 標識卡超低功耗設計

精確定位識別卡采用可更換電池供電，標識卡采用微功耗器件與智能節電設計，電池使用壽命不小于6 個月；依據系統軟件功能要求和標準，設計針對性的校驗和算法處理程序，保證無線數據高度可靠傳輸，確保定位精度。

1.7 區域限員管理

對于高瓦斯礦井、沖擊地壓嚴重礦井，在采煤工作面及順槽，以及掘進工作面，需要進行限員管理。據此，精確定位系統應結合礦用顯示屏，實現多區域、對部門聯動，達到區域人數精確統計，就地顯示和超限語音告警的功能。

1.8 超遠覆蓋距離

精確定位模式下，定位分站的無線覆蓋半徑應超過300～400 米（視巷道情況調整）。

1.9 系統唯一性識別

本系統主要由人像識別、人員定位數據庫、語音提示及報警裝置等部分構成。其原理為：入井人員攜帶人員定位識別卡通過該裝置時，安檢門上方的攝像頭自動掃描人員臉部特征信息，并把掃描信息上傳至檢測主機進行判斷，如識別出不帶卡、多帶卡、替代卡、攜帶壞卡等情況，立即進行聲光報警并禁止通行。

1.10 分類查詢功能

在實時監控及查詢統計報表中，系統可按員工工號、卡號、姓名、職務、工種、部門、巷道位置、時間段等進行分類查詢。

2．技術系統總體構成設計

2.1 系統總體結果

基于上述分析結果，系統整體的結果應報站精準定位系統和無線通信（如圖1所示）。其中，系統結構應保持多樣，組網靈活，支持光纜自組網及接入工業環網等多種組網方式，可根據現場實際需求進行選擇。

圖1 礦井人員精準定位及通信融合系統構架

利用融合基站的千兆光接口組成系統的骨干網絡。系統能夠很輕易地組成較大的定位網絡結構模式，滿足礦方的較大規模的使用需求。

2.2 系統總體功能設計

系統總體功能主要包含工作業務、人員管理等層面。首先，業務功能，主要用于語音和視頻通話，其能夠支持有線調度通信系統，擴展調度固話直撥，具備井下無線信號數據的高速率傳輸，支持多路高清視頻同時傳輸，不卡頓延時低等特性；其次，匯接功能。系統提供多種中繼接口，E1 中繼信令齊全，如PRI，SIP，VOIP 等信令，可為用戶提供多種組網。匯接方式多樣，包括實現數字中繼和SIP 中繼的中繼匯接、中繼分組、中繼局向管理等功能；其三，管理功能，其主要包含錄音、熱線、會議、綜合功能、匯接功能、網管功能等；其四，對講功能，全數字化設計。如抗干擾能力強，通話清晰；不需要主機、基地臺等控制中心，只要有Wi-Fi 基站，接入后即可實現喊話對講功能；其五，人員動態監測功能與查詢考勤功能，如可查詢一定時間段內人員下井信息、可查看具體日期各部門下井人數等；其六，安全管理功能，如生命安全監測預警、生命安全監測預警、生命安全監測預警、生命安全監測預警等。

3．系統細節設計

為實現礦井人員精準定位、人員通訊需求，應結合現場實際情況，細化設計相關管理系統。而匯總井下定位與通訊共性和個性需求，在系統設計上應把控調度室、井口顯示、唯一性檢測、基站四個層面。具體而言：

3.1 設計調度室

定位設備可安裝在調度室機柜，數據服務器配置2 臺，通過交換機相連，數據服務器采用雙機熱備方式，滿足1min 鐘內自動切換的要求。為滿足WEB 發布的需求，配備1 臺服務器，實現定位信息的WEB 發布。WIFI6 無線系統配置一臺支持500 門用戶的IP 語音交換機、一臺綜合網管服務器，實現分部門調度、監控、管理等功能；同時配置一臺數字中繼媒體網關，提供數字E1 口，實現互聯互通。具體如圖2所示

圖2 調度室構成細節圖

3.2 井口顯示設計

將LED 屏安裝在井口附近，經過軟件處理與人員定位系統中的人事庫和卡表關聯，將調出的識別卡對應的人員信息顯示在與電腦相連的LED 電子屏幕上?？娠@示下井總人數、人員的所屬部門與部門人數、姓名、上井標志和卡的電量等。用于攜卡人員通過該覆蓋區域時，系統自動檢測識別卡信息。

3.3 唯一性檢測設計

唯一性檢測裝置由：不銹鋼通道門、攝像機、顯示屏、主機、屏蔽門等組成。攜卡人員入井前先經過屏蔽門，被井口讀卡器讀取到標識卡后，再經過人臉識別，如入井人員出現不帶卡、多帶卡、替代卡、攜帶壞卡等情況，立即進行聲光報警并禁止通行。如核對標識卡和人臉信息一致且符合唯一性原則，則閘機打開放行。

3.4 基站分布

本系統設計KT162-F8 融合基站27 臺（含備用4 臺），配套電源27 臺（含備用4 臺）；配備1 個KJ1626J-S1 井下手持搜索儀，用于井下人員的搜索識別；配備礦用本安型顯示屏2臺，用于限員區域告警；配備燈繩皮帶一體識別卡240 張。如表1所示。

表1 分站在各區域的分布表

綜上所述，相關單位應在井下無線通信及人員精準定位在相關原則基礎上，明確井下工作人員通訊與定位功能需求，優化系統構架，提升管理效果，以在實現管理需求的同時，大幅度削減了經濟與人工成本。據此，本文以相關案例為基點，設計了安全監控系統、考勤系統、井下應急廣播等系統的聯動系統，具有較好的應用效果。