井下人员精准定位系统应用探究

陶建彬

（山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272063）

煤矿开采作为高危行业之一，近些年国内外煤矿开采安全事故频繁发生，加强井下作业安全管理势在必行。在市场经济体制改革持续深化背景下，煤矿开采行业主管部门对矿井安全生产日益重视，监管力度持续加强，各大煤矿均已引入煤矿安全监控系统，减少了瓦斯爆炸等安全事故发生。因此，必须要积极采用井下人员跟踪定位系统和设备，全天候对井下作业人员自动跟踪，掌握每位井下作业人员的精准位置以及运动轨迹，确保矿井生产安全。

1 现有井下热源定位系统存在的不足

目前很多矿井采用基于RFID（射频卡）的井下人员跟踪系统。该系统是在井口处或其他通道，使用RFID读取的方式跟踪记录井下人员信息，其主要存在的问题包括以下几点：

1.在复杂井下环境中，如弯道、岔路、曲面等区域，存在信号受阻、信号盲区、信号不均，并且受到设备、墙壁等遮挡，信号衰减度很大。

2.存在较为严重的漏卡情况，漏卡是因为分站识别距离短、信号覆盖范围小，识别时间短，标识卡通过分站时系统没有足够时间获取标识卡信息，从而增加了漏卡概率。特别是在多目标、高速经过分站情况下，漏卡概率更高，无法为井下人员管理提供保障。

3.分站识别范围小，如果想要实现全井下覆盖，则必须增加分站数量，成本非常高。再加上带宽限制，如果增加分站数量，则难以及时传递人员、设备信息。采用基于RFID 技术的井下监测系统只能获得人员经过分站信息，无法实时定位井下人员精准位置[1]。

2 井下“三网一体”的井下人员精准定位系统设计总体方案

2.1 设计思路

本文提出的“三网一体”的井下人员精准定位系统，结合了矿井生产安全管理与人员管理要求，从实时获取井下人员精准位置需求出发，借助无线监测技术、射频识别技术、无线通讯技术等，实现井下目标定位跟踪。本系统不仅可以解决基于RFID 井下系统的问题，还可以适应井下各类复杂地形，最大程度地满足井下人员精准定位需求。本系统借助“三网”实现井下信号全覆盖，可对井下作业人员、设备等目标进行全程、实时、持续、精准的跟踪定位，并且具有实时无线寻呼功能。

2.2 运行原理

系统中，井上调度室设置中心控制计算机系统（下文简称“控制中心”），应用计算机通讯技术、射频识别技术，在井口位置设置验卡、考勤系统，井下位置布设矿用本安型读卡分站和无线收发器，在重点区域安装矿用射频定位器。使用矿用光缆连接读卡分站、控制中心，井下作业人员均配备标识卡，系统通过读卡分站与标识卡之间的无线通讯功能，即可实现对井下目标的精准定位以及无线寻呼，更好地开展指挥调度、人员考勤、门禁控制、安全检验、紧急处理等工作，系统采集的所有井下信息会自动上传到各个管理部门，为领导决策提供信息支持[2]。

2.3 构成与主要参数

本矿井人员精准定位系统主要包括：（1）井上。控制中心、验卡与大屏幕现实系统、考勤系统；（2）井下。读卡分站、无线收发器、标识卡、射频定位器、信号传输通道等。

2.3.1 井上系统

1.控制中心。主要包括数据采集系统、数据库、通信接口（防护等级在IP20 以上，配备光纤和RS485双端口）、打印机等。可以现实井下区域分布情况、特定目标所在位置，可实时进行目标定位、跟踪、呼叫控制。工作人员可查看、记录、打印井下定位信息以及设备运行信息。接收各个读卡分站上传的数据，并显示在大屏幕上，同时信息自动存储到数据库，可随时调用查询。此外，系统还具有数据自动分类、统计、警告等功能。

2.验卡与大屏系统。主要包括验卡、屏控、验卡计算机、LED 大屏等硬件构成。本次设计的验卡系统可分为手持验卡、固定验卡两种方式。手持验卡系统是由多功能便携式验卡器组成；固定验卡系统由计算机、分站、定位器等组成。通过验卡系统可以实现呼叫、检验、搜索、查询等功能，可实现井下人员的安全管理。验卡系统可以检测标识卡是否正常，包括收发功能、电池状况等，可及时发现标识卡故障，第一时间更换新卡。大屏幕现实系统主要是显示验卡信息、井下人员及设备位置信息等。

3.考勤系统。本设计结合井下安全生产管理要求，提供了超过20 种多个类型的考勤数据统计模式，根据矿井生产实际需求持续完善报表数据，并根据系统采集信息作为考勤依据[3]。

2.3.2 井下系统

1.读卡分站与无线收发器。包括读卡分站、无线收发器、隔爆不间断电源构成。分站和收发器用于检测范围内标识卡信息，并发送呼叫信号。分站和收发器上配置延伸天线（3 个方向）提高标识卡识别范围和识别率，单向识别可达250m 以上。分站和收发器主要安装在矿井进出口、交叉路以及各个关键部位，根据矿井实际情况以及信号覆盖范围标定具体安装位置。

2.标识卡。井下人员下井前没人携带一个标识卡，系统可对标识卡进行定位跟踪。系统以声、光的方式向井下人员发出信息，如寻呼、警告等，呼叫模式包括单独呼叫、小组呼叫、全体呼叫三种模式。如果井下人员遇险可通过标识卡向控制中心发出特定求救信号。标识卡上安装可拆卸电池供电，正常状态每次更换电池可持续使用6 个月以上。

3.射频定位器。射频定位器是一种辅助设备，作用于标识卡，从而实现井下人员精准定位。射频定位器上安装可拆卸电池供电，正常状态每次更换电池可持续使用6 个月以上。

3 “三网合一”井下人员精准定位系统设计

3.1 总体规划

根据井下人员精准定位系统设计标准以及井下实际情况，设计井下作业人员管理系统，实现井下人员精准定位、双向通讯、考勤，为生产调度、井下安全检测、紧急事件处理等工作提供有效手段，系统所采集的信息自动传输到各个部门；井下搭建人员定位安全平台，最终实现安全监测网、井下视频、通讯网的“三网合一”系统[4]。

3.2 系统特点

1.具体检验射频时频卡功能，包括识别卡信息、识别卡功能，根据识别卡信息判断人员位置信息。

2.具有双向通讯功能，可接收识别卡的呼救功能，运行可靠、防误触。采用轻质识别卡，体积小，不占用人员身上空间，佩戴腰卡，避免遗落。

3.混合组网方案在实际应用中更加灵活，井上采用光缆传输信号、井下采用矿用线缆传输信息，同时保证信号传输率和安全性。

4.可精准定位、跟踪井下人员行走线路、各个地点停留时间。

5.具备web 信息发布功能，系统提供软件接口协议，便于后期系统升级与其他系统对接。

6.预留接口可连接总公司调度系统，也可连接其他系统，实现数据信息的实时共享。

3.3 系统功能

3.3.1 考勤管理功能

系统可实时采集人员出入井、井下区域停留时间等信息，通过统计这些信息记得获取下井班数、班次、迟到、早退等各类信息，将此类系统汇总、分类、存储以及生成表报，为企业考勤管理提供数据支持。考勤系统数据可在数据库中实时查询，数据库存储周期为2 年。

3.3.2 完善报表功能

根据采矿企业报表制作要求，系统提供20 种以上的不同类别报表，多方面满足矿井生产信息需求，并可根据企业实际需求更改、重新定制报表。

3.3.3 安全管理功能

根据多信息判定井下人员分布情况和状况，包括识别定位、数据分析、动态信息、实时显示等，并且系统可以实时模拟井下人员行动轨迹。重点区域定位器设置数量多，可以连续采集人员信息实现精准定位。结合井下电子地图，地面调度指挥可实时与井下管理人员、组长等人员保持沟通。一旦系统检测到可能出现安全事故会自动发出声光警报，提醒井下人员通过识别卡向控制中心发送安全信息。风险判定包括：井下信号丢失、井下长时间滞留、安全检测系统判定存在风险等[5]。

3.3.4 无线寻呼

标识卡上配备声光报警灯，在分站发出呼叫信号后标识卡发出声光信息提醒作业人员。无线寻呼功能可通过远程发送声光警报信息的方式，有助于人员紧急撤离或失踪人员寻找。呼叫可以是个人、小组、区域人员、全体人员，由计算机控制呼叫范围，向分站发送指令即可呼叫。呼叫分为多个类型，包括日常呼叫、紧急呼叫、撤离呼叫，不同颜色报警灯代表不同呼叫类型。

3.3.5 安全监测管理

实时跟踪井下特殊岗位人员的运动轨迹，如瓦斯员、安检员等，记录这些特殊岗位人员在指定位置停留时间，从而确保严格按照标准执行安全监测工作。

3.3.6 紧急事件处理

如果井下出现紧急状况，井下人员可通过识别卡向控制中心发送呼救信号，控制中心根据呼救信号等级判断采取哪种应急方案。控制中心与应急预案联动，系统自动提供各类事故应急预案，点击进入后呈现事先设定好的避灾路线，查询井下附近人员信息，统计丢失人员数量，定位所有标识卡，提供井下人员分布情况，便于开展搜救行动。如果发生紧急状况且通讯系统中断，系统可提供灾前各个时间段标识卡信息，判定井下人员位置范围，为抢险人员制作搜救图提供信息支持。

3.3.7 系统运行管理

本次设计的“三网一体”井下人员精准定位系统具有自检功能，系统检测到出现故障情况会自动发出报警信息，提供基站设备、系统运行状况信息，也可以根据需求打印装备与系统状态报表。对各类设备统一管理，设定标识卡、射频定位器电量警报以及电量底线，提示工作人员及时对设备展开运维。系统支持导入CAD 电子矿图，可移动、放大、缩小，在矢量图上自定义信息、呈现标识卡位置信息[6]。

3.3.8 历史信息记录与查询

系统可对矿井生产信息长期保存并定时更新，包括目标定位、统计考勤、双向寻呼、监测管理、系统运行参数等，保存周期为1 年，工作人员可随时访问数据库调用、打印历史信息。

3.3.9 管理软件功能

系统采用B/S 模式，借助身份识别技术设定分级管理权限，工作人员只需输入账号、密码即可自动进入权限界面，界面采用模块化导航设计，操作十分便捷。矢量地图可灵活导入CAD 图形。通过软件设计，实现井下定位与跟踪、双向寻呼、总调联网、考勤统计等功能，通过标识卡实现井下人员精准定位、连续追踪，显示重点区域人员出入事件、滞留事件等信息，并根据所采集信息情况发出声光警报。井口验卡系统可显示井下人员分布信息、部门分布信息。系统可通过接口连接各类传感器，如通过温感器采集井下温度信息，并自动绘制温度曲线[7]。借助网络化与信息共享功能，可为各方提供网络通信平台。

4 结语

本次设计的“三网合一”井下人员精准定位系统，结合了矿井生产特点和要求，借助射频识别、计算机通讯技术等，实现了井下全覆盖、重点区域实时监测，根据所采集的定位信息统一上传控制中心，分布式信息采集可以保障人员管理的针对性，双向寻呼系统可实时保持与井下联系，根据井下紧急事故快速发出调控信息，保障井下生产安全。此外，该系统分站信号覆盖范围大，可避免出现漏卡问题，灵活的组网模式，系统容量更大，后续升级更加便捷。总之，该系统保障了井下人员定位精度、时效，提高了井下生产的安全性。