井下人员定位系统

1前言
我国是世界第一产煤大国,煤矿矿山近3万多个,其中大中型煤矿500多个,小煤矿2万多个,井下工作人员超过100万人。近年来矿井危险性事故时有发生,煤矿事故死亡人数是世界上其他主要采煤国家死亡人数的4倍。山西省小煤矿爆炸、北京大安山煤矿巷道塌陷、吉林省万宝煤矿火灾……随着对煤炭需求量的不断增大,近年来我国煤矿事故攀升趋势严重,煤矿安全状况令人担忧。分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现最主要的原因是地面与井下人员的信息沟通不及时,以至地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况,难以进行精确人员定位。井下地形复杂给人员撤离和事故抢救带来了极大的困难。若能及早确定井下人员所处的位置,会给营救工作带来极大的方便,并且能节省大量的时间,将人员损失减少到最小。无线矿井生命安全与救援系统(WMSRS, Wireless Mine Secure and Rescue System)是基于RFID (Radio Frequency Identification)技术进行井下定位,可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,其传输范围大,成本低,因此备受关注。
2 WMSRS系统设计目标
(1)实时统计考勤与井下人车查询功能,主要包括人员以及车辆的下井统计与报告(Access Report)、位置报告(Position Report)、工作时间报告(Worker Insider Mine Report)。
(2)实时地进行瓦斯浓度报告(Gas Density Report) .温度与湿度报告(Temperature and Humidity Report)、环境参数报告(Other Surrounding Parameters Report)。
(3)事故救援:出现任何形式的事故,比如塌方、瓦斯爆炸等,可对事故现场被埋人员进行搜寻和定位,与其进行简单通信(语音、数据及视频),以便有效准确的进行救援,最大限度的减少人员的损失,并且可以通过通讯手段将事故的发生地点和事故性质进行通知,进而可以指挥井下工作人员选择最合理的逃生路线及进行自救。
(4)安全保障功能:实现人员定位,阻止违章事件,并将违章人员记录在案。如出现人员丢失即时报警或发现井下人员超过规定时间,自动报警提示并提供相关人员的名单。
(5)视频实时监控:BS可装备带图像编码的数字网络摄像机,对采矿现场进行实时高清晰度图像监控。
3 W M SRS系统整体方案
WMSRS综合应用W SN(W ireless Sensor Network无线传感器网)、RFID, W LAN, SDR(Short Distance Radio短距离无线通信设备)技术相结合实现一套高效、高可靠性、低成本、布设容易的无线矿井安全与救援系统。它是采用射频识别技术对井下人员进行识别,利用无线传感网进行数据采集、传送。系统结构如图1所示。
WMSRS系统分为地上和地下两个部分。其地上部分主要为WMSRS信息监控中心以及与其相关网络设备与硬软件平台。位于W M SRS信息监控中心的WMSRS Seve:主要是基于数据库技术的软件系统,通过适时采集的数据,系统软件对整个矿井进行适时监控,同时该软件也具备考勤记录功能,环境数据分析与比较以及通过有线和无线网络在整个矿区报警等功能。WMSRS系统的地下部分有两种设备,一种是W M SRS BS (W M SRS无线基站),结构如图2所示,BS实现W SN网络的AP功能,收集与采集同样装备有SDR设备的矿工、环境监测设备和矿车的位置信息、状态信息以及矿井下瓦斯、
CO、温度、湿度等环境信息,并将这些信息作本地的压缩、加密处理,向Sever实时提交数据。另一种是WMSRS SDR,它的功能类似于一般的RFID(Radio Frequency Identification)标签,利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别目的。SDR设备采用ISM频段的短距离无线电通信技术,主要装备在矿工、矿车以及环境监测设备三个实体上。结构如图3所示,在矿工在井下工作时通过与BS的通信,监测其位置以及持续工作时间;必要时,矿工可控制其向BS发送呼救、请求、应答等预设信息。并且可以将各种传感器采集到的环境监测数据传输到BS.
4井下定位原理
W M SRS系统将BS安装在井下需要监控的地方,分布区域的大小可视井下具体环境而定,SDR设备插在矿工的矿帽上。采用信号强度检测的方法,实现地面控制中心对井下人员的实时通信与位置监测。通过传感设备可以实现对井下重要仪器设备进行实时监控和故障预报。SDR设备RF芯片选用了Ch ipcon公司的CC1010无线收发芯片,其系统结构如图4所示。CC1010是Ch ipcon公司推出的单片机可编程RF收发芯片,它基于Ch ipcon's Sm art RF技术,可工作在is m频段(300-1OOOM H z) 。 CCI O10集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。它配置最常用的通信参数,如接收/发射方式、射频输出的功率、射频输出频率、数据传输率和数据编码等。
系统采用的定位算法主要是基于信号强度测距法RSSI(Received Signal Strength Indicator),在已知发射功率的情况下,在接收点测量接收功率,通过测量接收到的信号强度可以推算出井下移动物体到基站的距离,计算传播损耗,使用理论和经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。得到SDR与BS之间的大概距离后,采用三边测距法计算出SDR的位置。三边计算的理论依据是,在三维空间中,知道了一个SDR设备到三个BS的距离来确定该点的坐标。三边测距法在二维平面上用几何图形表示出来的意义是:当得到未知节点到一个锚节点的距离时,就可以确定此未知节点在以此锚节点为圆心、以距离为半径的圆上;得到未知节点到3个锚节点的距离时,3个圆的交点就是未知节点的位置。
5管理软件系统结构
位于W M SRS信息监控中心的W M SRS Sever主要是基于数据库技术的软件系统,通过适时采集的数据,系统软件对整个矿井进行适时监控,是一套综合性的煤矿监控软件,监测内容多、处理数据量大、实时性要求高、控制能力强、功能多。
基于人员定位的WMSRS系统综合应用W SN,RFID, WLAN技术相结合实现一套高效、高可靠性、低成本、布设容易的无线矿井安全与救援系统。该系统可实现对井下人员进行实时跟踪定位,对井下重要仪器设备进行实时监控和故障预报,可快速指导矿井突发性事故的救护工作,是一种先进实用的井下人员跟踪定位系统。W M SRS系统有着非常大的社会意义和市场前景。
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