五里堠煤业井下人员定位系统设计与应用

齐瑞宏

（山西潞安集团 左权五里堠煤业有限公司，山西 左权 032600）

1 概 况

煤矿井下人员定位系统是煤矿开采安全可靠运行的重要保障，关系着井下作业人员的生命安全及工作效率。五里堠煤业现有井下人员定位系统存在定位精度不足、抗干扰及穿透能力差等问题，针对这些问题，进行了煤矿井下人员定位系统的优化设计。

2 系统结构设计

2.1 方案设计

煤矿井下工作环境恶劣，精准定位井下人员困难，对系统数据采集的准确性和可靠性要求较高。基于上述问题，以五里堠煤业为例，提出了借助工业以太网完成移动标签和定位分站之间测距数据的传输，由上位机进行数据处理。设计完成的煤矿井下人员定位系统方案如图1 所示。系统主要包括井上和井下两部分，前者由监控中心、LED 大屏、远程监控终端等组成，后者由移动标签、定位分站、矿用网络交换机等组成。

图1 煤矿井下人员定位系统方案Fig.1 Scheme of personnel positioning system in underground mine

2.2 功能实现

煤矿井下人员定位系统涉及信号检测、信息收集与传输和数据处理与应用3 个层次。信号检测层设置于煤矿井下，包括测距基站和定位标签，主要实现实时监测井下移动目标位置的功能，为了保证数据采集的可靠性，基站和定位标签通信采用UWB；信息收集与传输层作为信号检测层与数据处理与应用层之间的重要纽带，负责收集无线电信号并做初步的信息处理，将处理的信息传输至上位机，数据传输方式采用以太网；数据处理与应用层包括监控终端、上位机等，负责接收井下采集得到的位置数据，按监控人员的需要进行数据分析处理并实时显示。

3 硬件设计

3.1 定位标签

定位标签跟随井下人员一起运动，通过收发射无线信号的方式实现井下人员目标的识别与定位功能，对位置数据进行实时存储。定位标签结构原理如图2 所示。系统处理器选择32 位的cortex-m3芯片，工作频率72 MHz，程序运行存储空间128KByte，20KByteSRAM；配套使用型号为24C512的存储芯片，实现设备的识别与数据的存储，通过IPC 总线实现与处理器间的通信；随井下人员移动的定位芯片的型号为DW1000，支持EEE802.15.4-2011 协议，具有UWB 信号的收发功能，收发天线使用陶瓷天线，型号为ACS5200HFAUWB；时钟单元配置38.4 MHz 晶体振荡器，供电电源使用锂离子蓄电池。

图2 定位标签结构原理Fig.2 Positioning label structure principle

3.2 定位分站

定位分站设于煤矿井下，主要作用是定位标签的通信，运用SDS-TWR 测距算法计算得出定位标签之间的距离，基站系统结构组成如图3 所示。主控单元选择32 位高性能cortex-m4 芯片，工作频率最大值为168 MHz，具有15 个通信接口；存储芯片选择型号为AT24C512，负责存储数据与设备的识别，通信方式为IPC 总线；时钟单元选择石英晶体振荡器，工作频率为32.768 kHz；定位通信单元由定位芯片和天线组成，选择型号为DW1000 的芯片进行射频收发工作，支持IEEE802.15.4-2011 协议，通信距离可达300 m，配合外置陶瓷天线使用；有线通信模块采用LAN8720A 芯片，具有标准以太网通信接口；定位分站的供电采用锂离子蓄电池。

图3 定位分站结构原理Fig.3 Structure and principle of positioning sub-stations

4 软件设计

4.1 数据收发程序

数据的收发主要是指定位标签与定位分站之间的数据传输，定位标签与定位分站之间数据收发使用的是UWB 无线定位系统。数据收发时首先需要启动无线天线和定位标签，数据采集装置开始实时采集定位标签的位置坐标，之后转换为无线信号，通过无线天线传输至定位基站无线信号接收装置，定位基站对信号进行处理并实时显示定位标签的位置。定位基站向定位标签发送数据的程序与接收数据的程序基本一致，只是数据传输的方向相反，为数据发送流程如图4 所示，首先将待发送数据转化为无线信号，确定需要发送之后进行数据发送，等待定位标签确定接收到定位基站数据之后，数据传输程序结束。

图4 监控系统主界面Fig.4 Main interface of monitoring syste

图4 数据发送流程Fig.4 Data sending process

4.2 定位标签测距程序

煤矿井下人员定位系统中的定位标签测距主要指测量定位分站和定位标签之间的距离，基于SDS-TWR 测距算法设计了定位分站和定位标签之间距离的测量流程。测距程序启动之后需进行初始化，之后由定位基站发送测距数据包，同时，记录数据发出的时间，定位标签收到有效数据信息之后发出ACK 返回信号，定位分站接收到ACK 信号后停止计时，得到数据测距包往反用时，结合数据测距包的传输时间，即可计算得到定位分站与定位标签之间的距离。

4.3 定位数据上传程序

完成井下定位标签位置及距离的测定之后，通过工业以太网将数据由定位分站传输至地面的人员定位监控系统的上位机进行实时显示。监控人员可以依据获取的井下作业人员位置信息进行人员调整与调度，提高井下作业人员的工作效率；一旦煤炭掘进过程中出现险情，监控人员能够及时搜救或者提供逃生指导，保证煤矿井下作业人员的安全。

5 人机交互界面设计

人机交互界面是煤矿井下人员定位系统的重要组成部分，主界面如图5 所示。监控系统主界面包括了人员轨迹的查询、人员分布查询、人员信息的查询、出入井时间的统计以及电量不足卡报警等功能，通过点击对应的按键即可实现功能界面的切换，满足监控人员的监控需求。

图5 所示为监控系统主界面Fig.5 Main interface of the monitoring system

6 结 语

为了验证煤矿井下人员定位系统设计的合理性和可行性，在五里堠煤业进行实践应用，跟踪记录运行实际情况。结果表明，人员定位系统运行稳定可靠，满足五里堠井下复杂环境中人员定位的要求。统计结果显示，相较于原人员定位系统，应用改进人员定位系统之后，实现了井下人员100%定位，降低了近8%的井下人员调度时间，预计为煤炭企业新增经济效益近60 万/a，取得了很好的应用效果。