特种煤矿人员定位系统设计.pdf

第 4 1卷 第 1 期 2 0 1 5年 1月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on V0 l J 4 1 NO ．1 J a n ．2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 1 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 4 王维 ， 霍振龙 ， 凌云， 等． 特种煤矿人员定位系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 1 4 1 7 ． 特种煤矿人员定位系统设计 王维 ， 霍振龙 ， 凌 云。 ， 谭达 克 1 ． 天地 常州 自动化股份有限公司，江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 建东职业技术学院 电子与电气工程系，江苏 常州 2 1 3 0 2 2 摘要 针对特种煤矿需要对上井人员进行定位的要求， 提 出了采用双频率的特种煤矿人 员定位 系统的设 计方案 ； 详 细介 绍 了该 系统结 构及基 本 工作 原理 ， 重点 分析 了 系统 关键 硬 件技 术和 系统软 件 功 能的设 计 。该 系统通 过低 频定 位 器 实现 了特 种煤 矿人 员的 全方位 定 位与跟 踪 ， 提 高 了特 种煤 矿 的管理 效 率和安 全 水平 。 关 键词 监狱 煤矿 ；人 员定位 ；射 频识 别 ；低 频定 位 器 ；双频 率 中图分类 号 T D6 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 0 1 0 5 1 6 2 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 1 O 5 ． 1 6 2 5 ． 0 0 4 ． h t ml 收稿 日期 2 O 1 4 - 0 6 1 1 ； 修 回日期 2 0 1 4 0 9 2 9 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家科技支撑计划项 目 2 O 1 3 B AK 0 6 B 0 5 。 作者简介 王维 1 9 8 4 ， 男 ， 江苏宿迁人 ， 工 程师 ， 现 主要从事矿用软件 的开发与应用工作 ， E ma i l t i a n d i c h a n g z h o u 1 2 6 ． e o m。 4 结 语 1 通过 研究 分析 了经 验公 式 预计 与 现 场实 测 结 果偏 差较 大 的主要 原 因 ， 对 “ 三 下 ” 开 采 规 程 的顶 板 导水 裂 隙带 高度 确定方 法进 行 了补充 和完 善 。 2 根据 研 究 的 地 质 背 景 ， 建 立 了综 放 开 采 的 三维数 值模 型 ， 模 拟 了在 充 分 采 动 条件 下 顶 板 导 水 裂隙带的最大高度 ， 其值与现场实测结果 的契合度 很高 。 3 分别 采 用“ 三下” 开采规 程 中的经 验 公 式预 计 、 数 值 模 拟 和 现 场 实 测 3种 方 法 得 出 了某 煤 矿 1 1 3 0 1首采 工 作 面 顶 板 覆 岩 的最 大 导 水 裂 隙 带 高 度 ， 综合 分析 后认 为 该值 在 6 3 ． 5 ～6 5 ． 4 m 之 间 ， 在 正 常地 质条件 下 ， 导 水 裂 隙带 未 波 及 石 盒 子 组砂 岩 含水 层 与新 近系 松散 含 水 层 ， 不 会 对 工 作 面 涌水 产 生 直接 影响 。 参考文献 [1] [2] [ 3] 钱 呜高 ， 缪协兴 ， 许家 林 ， 等． 岩层 控制 的关 键层理 论 [ M] ． 徐州 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 1 l l 一 1 3 4 ． 刘 天 泉． 煤 矿地 表 移 动 与 覆 岩 破 坏 规 律 及 其 应 用 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 8 1 2 0 8 2 3 3 ． 周 李 兵 ， 孙 骏驰 ． 煤 矿 巷道 顶 板离 层 监 测 系统 设 计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 4 9 5 9 6 ． [4] 陈荣华 ， 白海波 ， 冯梅梅． 综放面覆岩导水裂 隙带高度 的确定 [ J ] ． 采矿 与安 全工 程学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 2 2 2 0 22 3． [ 5] 涂 敏． 潘谢矿 区采动岩体裂 隙发育 高度的研究 [ J ] ． 煤 炭 学报 ， 2 0 0 4， 2 9 6 6 4 i - 6 4 5 ． [ 6] 尹 增德 ． 采动覆岩破坏 特征及其 应用 研究 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t r o n i c a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，J i a n d o n g Co l l e g e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 2 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r d e ma nd o f po s i t i o ni n g o f g r ou nd pe r s o nne l of s p e c i a l c o a l mi ne be s i d e s t o und e r g r o un d pe r s o na l ，t he pa pe r pr op o s e d a d e s i g n s c he me o f p e r s on ne l p os i t i on i ng s y s t e m of s p e c i a l c oa l mi n e wh i c h us e s d ua l f r e q ue nc y．I t i n t r od uc e d s y s t e m s t r u c t u r e a nd ba s i c wor ki ng p r i nc i pl e s ，a nd m a i nl y a n a l y z e d ke y t e c hn ol o g i e s o f h a r d wa r e a nd s of t wa r e f un c t i on de s i g n o f t he s y s t e m ．The s y s t e m r e a l i z e s a l l d i me ns i o na l t r a c ki ng a nd p os i t i o ni ng o f a l l pe r s o nne l o f t he s p e c i a l c o a l m i n e b y l ow f r e q u e nc y l oc a l i z e r ，a n d i m p r o ve s ma na g e me nt e f f i c i e n c y a n d r a i s e s s a f e t y l e ve l o f s p e c i a l c o a l mi n e． Ke y wo r d sp r i s o n c o a l m i ne； pe r s o nne l p os i t i o ni ng； r a di o f r e q ue nc y i de n t i f i c a t i o n； l o w f r e q ue nc y l oc a l i z e rdu a l f r e q ue nc y 0 引言 煤 矿 井下 人员 定位 系统 作 为煤 矿井 下安 全避 险 “ 六 大系统 ” 之 一 ， 已经 在煤 矿得 到广 泛 的应用 ， 并 且 在 安 全生 产 中起 到 了不 可替 代 的作 用 ] 。 目前 的煤 矿 人 员定 位 系统 发射 卡 主要 是 绑 定 在 矿 灯 上 、 矿 工 帽上 或腰 带 上 ， 上 井 的时候 发射 卡 随矿灯 一 起收 回。 对 于某些 特 种煤 矿 ， 如 监狱 煤矿 ， 地 面人 员仍 然需 要 有效 监管 ， 没 有发 射 卡 ， 地 面 的人员 定位 信 息则 成为 空白， 存在安全隐患， 因此 ， 传统的煤矿人员定位系 统 不能满 足 监 狱煤 矿 的需 求 。本 文 针 对 以上 问题 ， 设计了适合监狱煤矿使用的人员定位 系统 ， 可以实 时 显示 区域 内所 有 人 员 的 位 置 信 息 ， 包 括 井下 人 员 的分布 情况 。 1系统关 键 技术 1 ． 1 RFI D 技 术 R F I D Ra d i o F r e q u e n c y I d e n t i f i c a t i o n ， 射 频 识 别 技 术是 一 种非 接触 式 自动识 别 目标 的技术 ， 它 利 用射频信号的空间耦合或反射的传输特性 ， 实现对 被 识 别物 体 的 自动识别 _ 2 ] 。配备 了发 射 卡 的人 员 ， 不需 要再 去刷 卡 ， 只要 经过 接 收点 ， 其人 员信 息都 会 被 自动传 到服 务 器 ， 从 而 实 现 了被 测 目标 无 负 担 和 通行 方式 的无 限制 。对 于煤 矿 来 说 ， 整 个 下 井 过 程 无需 人工 参 与 ， 极 大地 提 高 了工作 效 率 ， 因此 ， R F I D 技术 在煤 矿人 员 定位 系统 中得 以广泛应 用 。 监 狱房 间 紧凑 ， 接收 信号 覆盖 容易 出现 交叉 ， 以 前的煤矿人员定位难 以准确 判定信号交 叉点 的位 置 。为此 ， 本文设计 的系统采用双频率 RF I D组合 定位方 式来 实 现定 位。发射 卡 采用 2 ． 4 GHz与 1 2 5 k Hz 两个工作频率 ， 通过 2 ． 4 GHz 频率实现与 接 收器 之 间 的数 据传 输 ， 利 用 1 2 5 k Hz 低频 定 位 器 实 现位 置 的精 确 判 定Ⅲ 6 ] 。发 射 卡 进 入 1 2 5 k Hz天 线 磁 场后 ， 接 收低频定 位 器发 出 的信号 ， 该信 号包 含 低 频定 位器 的位 置 编 码 信 息 ， 由此来 确定 人 员 的具 体 位 置 。发 射 卡一 直 主动 发送 2 ． 4 GHz的信 号 ， 在 激活前与激活后， 发射信号频次会 明显不同， 从而达 到 了省 电 的 目的 。2 ． 4 GHz接 收 器 读 取 射 频 信 息 并 解 码后 ， 再传 到 上位 机进行 相 关数 据处 理 。 1 ． 2 RS SI测 距 方 法 发射卡位置的确定通过 RS S I R e c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h I n d i c a t o r ， 接收信号强度指示器 测距方法 来实现。已知发射节点 的发射信号强度 ，接收点根 据 收到信 号 的强度 来计 算 出信 号 的功 率 损耗 ，利用 已知 的发射 功率 和 测 量 得 到 的接 收 功 率 之 间 的关 系 ， 再应 用理 论 和经验 模 型将 功率损 耗转 换 为距离 ， 从 而计 算 出待测 节 点 和 已 知节 点 之 间 的 距 离 ， 据 此 得 到待 测节 点 的位置 7 ] 。 RS S I 测距 方法 的 理论模 型 如式 1 所 示 。 P 一 Po一 1 O n 。l g 7 “ -一 1 “o 式 中 P 为距 离 为 d的信 号 强 度 ； P。 为 参考 点 距 离 d 。的信 号 强 度 ； 。为 路径 损 耗 指 数 ； 为高 斯 分 布 随机数 ， 均值 为 0 。 路径损耗指数 。 在不同的环境下值是不同的。 在特定环境下 ， 选取多个不同距离 ， 测量得到对应的 P 值 ， 利用最小二乘法对 进行估算 。当 确 定时 ， 已知 P 。 及 d 。 ， 根据现场所测量到的信号强度 P ， 通 过式 1 即可 求得 现场 的距 离 d。 1 6 工矿 自动化 2 0 1 5 年 第 4 1卷 2 系统 结构 及 工作原 理 2 ． 1 系统 架 构 特 种煤 矿人 员定 位系统 的硬件设 备 主要 由射频 发射卡、 射频接收器 、 低频定位器 、 分站、 传输接 口 交 换机 、 数 据库 服务 器 、 客 户端 组成 。接 收器 和定 位 器根 据现 场环 境情 况来 配置 ， 通 常一个 位置 点 房 间 配置 一 个 定 位 器 ， 每 楼 层 或 巷 道 配 置 数 个 接 收 器 。特 种煤 矿人 员定 位系统 架 构如 图 1 所 示 。 客户端 服 务器 图 1 特 种 煤 矿 人 员 定 位 系 统 架 构 2 ． 2 系统工 作原理 发射 卡 进 入 低 频 定 位 器 的 磁 场 范 围 内 后 ， 1 2 5 k Hz 芯 片 接 收 低 频 定 位 器 I D 信 息 并 检 测 出 RS S I 值 ， 然后 激 活 发 射 卡 的 MC U 控 制 单 元 ， 发 射 卡把这些信息 以及射频信号通过 2 ． 4 GHz芯片发 送 出去 ， 接 收 器收到 信 号之后 交 给分站 ， 分 站对数 据 进 行 必要 处理 后将 这些 信息通 过传 输接 口或交换 机 传 到 上位 机 。 本系统有 2种通信模式 ， 一种是 R S 4 8 5通信 ， 一 种 是 TC P ／ I P通 信 口 。R S 4 8 5通 信 适 合 于 没 有 环 网 、 数据 量 不是 特 别 大 、 传 输 距离 比较 远 的地 点 ； 而 TC P ／ I P通信 则适 用 于环 网结 构 ， 从 交 换 机 到 分 站 的传输 距离 有 限 ， 如 果太 远 ， 中间需 要增 加光 电转 换模 块 ， 通过 光缆来 传 输 。 数 据采集 主要 采用 主从 方 式 ， 如 图 2所 示 。上 位机 向 分 站 发 送 命 令 ， 接 到 应 答 后 ， 如 果 是 R S 4 8 5 通信 ， 则轮巡至本通道的下一个分站 ， 如图 2中虚线 所示 ； 如果是 T C P ／ I P通信 ， 则是并行发送 和接收 ， 所有配置 T C P ／ I P通信的分站 同时收发信息。本系 分站 1 分站 2 分站 图 2数据采集方式 统分 站 硬件 上 同 时具 有 R S 4 8 5接 口和 R J 4 5接 口 ， 可满 足 2种方 式 的选 择 ， 适 用 于 特 种 煤 矿地 面 和井 下各 种复 杂情 况 。 2 ． 3低 频 定 位 器 低频 定 位 器 的频 率 为 1 2 5 k Hz ， 作 用是 唤醒 发 射卡并提供辅 助定位信息。发射 卡在 1 2 5 k Hz时 一 直处 于接 收状态 ， 当收 到低频 激活 信号 时 ， 才 改 为 2 ． 4 GHz 发射 频率 。因为 1 2 5 k Hz 场 强 容 易控 制 ， 并 且 发 射 卡1 2 5 k Hz 芯 片 在 接 收 状 态 时 比 2 ． 4 GHz 耗 电要小 很多 ， 所 以发 射 卡 采 用 2个 工 作 频率， 并配置低频定位器 。本 系统 中的低频定位 器 有 2 种 一 种低 频定 位器 利用 R S S I 测 距 方法 来 实 现 位 置 的精 确 判 定 ， 或 者 利 用 R S S I 值 来 确 定 发 射 卡 所 处低 频天 线位 置 ， 例 如一 个硐 室 的 4个 点放 置 A， B， C， D 四个 低频 天线 ， 假 设 发射 卡 处 于 4个 点 的 覆 盖 范 围 内 ， 那 么会 得 到 4个 R S S I 值 ， 而最 大 的 RS S I 值 是 A 点 ， 则代 表 发射 卡 离 A 点 最 近 ； 另 一 种 低 频 定 位器 加上 可变 电阻可调 节低 频定 位器 的磁 场覆 盖 范 围 ， 例如监 狱 只需要 确定 被监 视人 员所 在房 间 ， 则 把 低频 天线 置 于 进 门 1 ～ 2 m 处 ， 该 天 线 的覆 盖 范 围可通过旋钮调节 ， 该操作可在现场完成 。 低频定位器组 成如 图 3所 示。电源模块上 电 后 ， 对 MC U 控制模 块 以及 驱动 电路 同时供 电 ， 驱 动 电路决定低频天线的 I D地址 。图 3中的天线提供 了一定 覆盖 范 围 的磁 场 ， 该 范 围可 以调 节 。进 入 该 磁 场 范 围内的 发射 卡将 会 收 到低 频 脉 冲 信 号 ， 该 数 据 中包含 驱动 电路激 活 I D， 对 应 天线 安装位 置 。 3低 频 定 位 器 组 成 2 ． 4发射 卡 发射卡有 2种 一种是普通卡 ， 主要用于狱警及 外来人员携带 ； 另外一种是腕带式发射卡 ， 带在手腕 或者 脚 腕上 ， 用 于被 监 视 人 员 佩戴 。这 2种 发射 卡 上都配有寻呼按钮， 当人 员遇到突发情况时按下按 钮 ， 上位机则会弹出报警人员的信息及其所在位置 。 被监视人员需要 2 4 h监控 ， 以防止他们擅离指定区 域 或者 接近 限制 区域 ， 这 就要 求 佩 戴 的 腕 带 不 可擅 自拆 卸 ， 如果 拆卸 狱警 应能 第一 时 间发现 ， 所 以腕带 卡 回 国 一 篓 劓 一 2 0 1 5 年 第 1期 王 维等 特 种煤矿 人 员定 位 系统设 计 1 7 要 求 具有 防拆 卸 报警 功能 。本 文采 用 防拆 回路设 计 有 效 解决 该 问题 ， 如 图 4所 示 。防拆 回路 采 用 光 信 号 回路判 断 ， 一端 是 光 接 收器 ， 一 端 是 光 发 射 器 ， 发 射端 通 过光 电转 换一 直 发送光 信 号 ， 腕 带一 旦 割断 ， 则 光纤 损坏 ， 接 收端 收不 到光 信号 ， 立 即发 送报 警信 号 。上 位机 会发 出报 警 信 号 ， 并 报 告 人 员 信 息及 所 处 位置 ， 由狱 警 采取 措施 。 图 4 腕带 防拆 回路设计 3系统功 能 设计 特种煤矿人员定位系统包括通信子系统和综合 操 作 平 台 2个 功 能模块 ， 如 图 5所示 。 特种煤矿人 员定位 系统 通信子系统l l 综合操作平台 通信 子 系统 主要 用 于 数 据 的采 集 ， 另外 包 含 分 站接收器及巡检参数的配置。通信子系统一般安装 在主控机上 ， 主控机接入井 下及地面 内网。综合操 作平 台则安 装 于调 度 台 等 需要 查 询 数 据 的地 方 ， 相 当于查 询客 户端 。综 合操 作平 台又包 括 8个功 能模 块 ， 其 中地 图跟 踪模 块 主 要 用 于 实 时 观 看 人 员 的分 布情 况 和各 区域 的人 数 ， 人 员 寻 呼 报 警 则 会 在地 图 上对 应 地点 显示 人 员 头 像 及 姓 名 ， 并 可 显 示人 员 运 行 轨迹 等 ； 人 员 管理 模块 主要 用 于人 员名单 的维护 ； 位 置信 息模 块 用于查 询 各 区域人 员名 单及 进 入时 间 等 详 细信 息 ； 轨 迹查 询模 块用 于演 示 历史行 走 轨迹 ； 考 勤信 息 模 块 用 于 查 询 上 下 井 信 息 及 各 种 报 表 统 计 ； 巡更管理模块用于指定巡警或者瓦斯检测员等 在 指定 时 间到 达指 定地 点 ， 若 违 反则 予告 警 ； 安全告 警 模 块包 含越 界 报警 、 离 岗 报警 、 犯 人脱 管 报警 、 寻 呼报 警 、 缺 电报 警 、 腕 带 拆 离 报 警 、 分 站 及 接 收 器 故 障报警等 ， 这些报警信息都会第一时间弹出， 并记录 在系 统 中 ； 系 统管理 模块 用 于地 图 的导 入 编辑 、 区域 编辑 及 系统密 码设 置等 。 4 结语 特 种 煤 矿 人 员 定 位 系 统 采 用 2 ． 4 GHz与 1 2 5 k Hz 双 频率 ， 通 过 激 活 唤 醒 工 作 机 制 实 现 了发 射卡 的省 电 ， 通 过 RS S I 定 位 方 法 实 现 了位 置 的判 定 和接 收距离 的控制 。该 系统有 效解 决 了监 狱煤矿 地 面人 员位 置信 息 的 空 白问题 ， 将 井 下 和 监 狱 房 间 人 员信 息连 接起 来 ， 实 现 了对 监狱 煤 矿 人 员 定 位 的 无 盲 区监控 ， 可 随 时清 楚 掌 握 狱警 及 被 监 视 人 员 的 位 置及 活动 轨迹 ， 及 时 获 得 突 发 事件 现 场 的人 员 分 布 情况 、 人员 安 全告警 等 信息 ， 为调 度指 挥 提供 了重 要 的决 策依 据 。系 统 实 现 简 单 ， 便 于在 监 狱 煤 矿 推 广 应用 。 参 考 文 献 [ 1 ] 包建军 ， 霍 振 龙． 一种 高精 度井 下人 员无 线 定位 方法 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 5 1 O 1 8 2 1 ． [ 2 ] E O M J B ，L E E T J ，R I E TMAN R ． A n e f f i c i e n t f r ame d s l ot t e d AI 0HA a l go r i t hm wi t h p i l ot f r a me a nd b i n a r y s e l e c t 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