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煤炭工程 第 52卷第 7 期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 7 do i 10. 11799/c e202007012 煤矿井下应急导航系统设计 覃中顺-赵四海-胡云兰-李雷-苏辉2,杨波凯2 1.中国矿业大学北京机电与信息工程学院，北京100083； 2.冀中能源井降矿业集团大有机电有限公司，河北衡水053100 摘要为了保证煤矿井下在突发事故情况下能安全高效的进行人员疏散撤离，设计了一种煤 矿井下应急导航系统。该系统提出了一种煤矿井下通信网络框架，设计了一种井下移动终端用于 WI FI位置数据采集和语音导航播报。该系统在煤矿井下进行了试运行，应用结果表明其定位导航模 块运行状况良好，导航误差精度控制在3m以内，能够满足煤矿井下人员的撤离需求。 关键词WI FI定位；语音合成；应急导航；语音导航 中图分类号TD679 文献标识码A 文章编号1671-0959202007-0049-04 Design of coal mine emergency navigation system QIN Zh o n g-sh u n1 , ZHAO S i-h a i1, HU Yu n -Ia n , LI Lei2, S U Hu i2, YANG Bo -k a i2 1. S c h o o l o f Mec h a n ic a l El ec t r ic a l a n d In f o r ma t io n En gin eer in g, Ch in a Un iv er sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o gy Beijin g , Beijin g 100083, Ch in a； 2. Jizh o n g En er gy Jin gx in g Min in g Gr o u p Da y o u El ec t r ic a l Co . , Lt d . , Hen gsh u i 053100, Ch in a Abstract To sa f el y a n d ef f ic ien t l y ev a c u a t e t h e per so n n el in u n d er gr o u n d c o a l min es d u r in g a c c id en t s, a min e u n d er gr o u n d emer gen c y n a v iga t io n sy st em is d esign ed . A n ew f r a mew o r k o f c o a l min e u n d er gr o u n d c o mmu n ic a t io n n et w o r k is u sed in t h is sy st em, a n d a u n d er gr o u n d mo bil e t er min a l is d esign ed f o r WIFI l o c a t io n d a t a c o l l ec t io n a n d v o ic e n a v iga t io n br o a d c a st . Th e sy st em is t est ed in a n u n d er gr o u n d c o a l min e, a n d t h e r esu l t s sh o w t h a t t h e po sit io n in g a n d n a v iga t io n mo d u l e w o r k s w el l, t h e n a v iga t io n a c c u r a c y is w it h in 3m, w h ic h c a n meet t h e r equ ir emen t s o f per so n n el ev a c u a t io n in c o a l min e. Keywords WIFI po sit io n in g； speec h sy n t h esis； emer gen c y n a v iga t io n； v o ic e n a v iga t io n 降低煤矿井下事故发生后的死亡率，避免因为 井下突发事故时，由于安全生产管理培训不到位等 原因造成的人员伤亡和财产损失有重要的研究意 义⑴。国内目前有语音交互的应急救援系统，它利 用语音合成、语音交互等来实现更加便捷的交流, 缩短救援时间t 2J ]o但是没有比较成熟的井下应急导 航系统，井下人员自救援、自撤离能力没有较大的 提升所以引入一种煤矿井下应急导航系统为井 下人员在突发事故时指明最优撤离路径是必要的。 本文基于WI FI Wireless-Fidelit y定位技术，采 用语音合成的导航模式，通过WI FI信号实时语音导 航，来确定逃生路线。使井下人员在突发灾害情况 时，通过应急导航系统管理平台达到自救援、自撤 离的目的，从而降低人员伤亡率。 1总体方案设计 1.1总体构架设计 煤矿井下应急语音导航系统的基本工作原理为 煤矿井下人员通过随身携带的移动终端经由井下巷 道内布置的无线AP节点即接入节点组成的通信 网络与地面进行通信⑷；在井下日常生产工作中， 该系统通过各AP节点在巷道内的位置和该AP节点 与井下移动终端之间的RSSI Rec eived Signal St rengt h I ndic at io n值来确定人员位置，以便于井下人员的调 收稿日期2020-01-16 基金项目国家重点研发计划项目2016YFC0600908 作者简介覃中顺 1996,男，湖南常德人，主要从事机电一体化方面的研究，E-ma il 18811757273 163. c o m0 通讯作者赵四海1968-,男，河南淮阳人，工学博士，教授，主要研究方向为煤矿机械、流体传动与控制和机电一 体化方面的研究，E-ma il zsh c u mt b. ed u . c no 引用格式覃中顺，赵四海，胡云兰，等.煤矿井下应急导航系统设计[J].煤炭工程，2020, 527 49-52. 49 设计技术煤炭工程 2020年第7期 配和作为应急语音导航的参考起点⑺刃；在井下突 发故事时，由井下人员通过移动终端按键上报事故 等级和位置信息，通过无线网络发送给地面应急导 航系统并迅速做出响应，由语音合成的方法将地面 应急预案和导航路径信息反馈给井下工作人员，完 成紧急疏散“。 煤矿井下应急导航系统通信网络由3个部分构 成，其具体构架如图1所示。第一部分是井下移动 终端，主要由核心控制处理器、WI FI通信模块和语 音合成模块组成；主要实现井下人员定位、通信数 据的采集和接收、辅助人员应急逃生等功能。第二 部分是WI FI通信网络，主要由无线AP节点和井下 通信交换机组成；主要实现与井下移动终端的数据 传输、为地面监控管理系统采集井下数据和与地面 监控管理系统实现数据交流和通信。第三部分是地 面监控管理系统，由PC机、数据库服务器、井上核 心交换机等组成；主要实现井下数据分析和计算、 可视化显示井下定位情况、管理人员信息、存储及 处理应急管理预案以及相关数据库的管理服务。 井下员工井下员工 井下员工 井下员工 图1系统总体结构图 1.2井下定位设计布局 井下定位设计基于RSSI的室内定位技术，采用 指纹定位的方法进行定位。该方法将AP节点采集 的RSSI值作为特征值与空间中某一位置进行匹配即 可得到该特征值的匹配坐标[1M2]o由于井下巷道多 为悠长狭窄的室内布局，采取沿巷道轴向每隔2m设 置一个目标位置，AP节点沿巷道轴向每隔40m布 置一个AP节点。如图2所示，选取移动终端所连接 的AP节点中信号最强的4个节点作为离线训练样 本，建立巷道目标位置数据库。待多次完善数据库 后，在线定位时移动终端实时采集的RSSI值与数据 库比对就能得到其位置，完成在线实时定位⑴-切o 移动终端 AP节点 目标位置 图2指纹定位布局原理 信息位置 AP节点1AP节点2AP节点3AP节点4 XI,Y1RSSI 11RSSI 12RSSI 13RSSI 14 X2,Y2RSSI21RSSI22RSSI23RSSI24 ・・・・・・・・・・・・・・・ Xn,YnRSSInlRSSIn2RSSIn3RSSIn4 2硬件设计选型及软件流程设计 2.1硬件设计及选型 2. 1. 1移动终端设计 移动终端由三个部分的构成控制处理器和其 外围电路、WI FI通信模块和语音合成模块。为了保 证系统的快速处理能力和较大的内存，综合考虑, 选用STM32F103ZET6作为移动终端CPU, LQFP144 控制板作为终端控制处理器的载体。WI FI通信模块 选用ATK-ESP8266作为数据采集与传输的桥梁。语 音合成模块采用科大讯飞的YS-XFSV2中英文语音 合成模块作为语音导航的载体。移动终端采用5V/ 2A的电源作为输入端，控制芯片与ESP8266, YS- XFSV2 模块采用 UART Universal Async hro no us Rec eiver/Transmit t er串口通信连接，通信波特率为 9600,端口号为5000,采用RS232的通信方式逐字 节发送数据，其可靠性、通信效率优良。其硬件结 构如图3所示。 ES8266P | YS込FSV2 I AP节点I I喇叭I | UART|1 UART1 STM32F103ZET6 LQFP144控制板 电源5V/2A | USB 回回回回叵 按键1融2按键3 W4 开关 图3移动终端硬件结构 2. 1.2无线通信模块连接电路 经过板载降压芯片后，接入3. 3V电压为WI FI 模块供电，模块可以通过板载单片机复位，UART 通信接口各外接一个电阻稳压，如图4所示。 50 2020年第7期煤炭工程 设计技术 P10 冬冬 _______1 3 3V 330V 2 3.3V3 3.3V4 WiFi模块接口 UTXDGND CH_PDGPIO02 RSTGPIOOO 图4 WIFI模块接口电路 8___________ 7 i GND 6___ 5 PI I -------------------------- --------------- 330R 2. 1.3语音合成模块连接电路 YS-XFSV2语音模块与主控芯片采用UART串 口通信方式连接，其原理如图5所示。语音模块的 XFS5152CE芯片电源输入、接地与主控制芯片的电 源VCC、接地GND相通，其数据发射端口 P39、数 据接收端口 P41分别与主控芯片的第一组串口通信 端口的数据接收端口 P30、数据发射端口 P31相连， 中间分别通过一个lOkfl的电阻稳压。 语音模块接口 SPI_MOSIPWRJN SPI_MOSOP39_TXD SPI_CLK P41_RXD SPI_CS GND RDY IIC_SCL RESET IIC_SDA XFS5152CE VCC R11 叫“ □-------------TXD_P31 10K 图5 XFS5152CE芯片接口电路 2. 1.4其他设备选型 井下AP节点型号选用MZ-FBWX,其无线信号 覆盖范围最大可达500m,可用于井下在有甲烷、煤 尘爆炸性气体混合物的场合。 井下通信交换机选用KJ J 127矿用隔爆兼本安型 网络交换机，该交换机具有光纤组网，以太网光、 电信号接入，RS458信号和CAN信号接入功能，符 合井下无线AP节点的组网要求，其防爆性能、信 号传输、抗摔、耐腐蚀、耐磨损性均符合井下使用 要求和国家标准。 井上核心交换机采用华为S5720系列千兆级以 太网交换机，其网络管理功能、安全管理功能、Qo S Qualit y o f Servic e等均符合井上数据管理要求。 地面服务器选用Think Server RD40,其数据存 储能力、运算处理速度均满足系统设计要求。 2.2软件流程设计 系统的软件设计主要分为移动终端子系统设计 和后台监控管理软件设计。移动终端子系统是其内 置的嵌入式程序，主要负责和AP基站通信，返回 位置信息和接收导航数据并合成播放。在对硬件模 块进行初始化及初始参数配置之后，移动终端在接 收到AP基站发送的指令或者自身按键指令时，对 其分析判断，实现人员位置数据采集并发送以及解 析AP基站返回的语音数据并经过合成后播报。移 动终端子系统的软件工作流程如图6所示。 图6移动终端工作流程图 地面监控管理软件分为信息管理、跟踪定位管 理、应急救援管理和系统管理等四部分，其系统结 构如图7所示。信息管理实现井下工作人员的人事、 考勤等日常管理；人员定位管理实现显示井下巷道 信息界面和人员位置及轨迹管理；应急救援管理实 现矿井预警和应急报警管理，并利用蚁群算法及时 规划应急导航路线；系统管理主要是设置系统数据 和对综合数据库进行管理。系统数据库主要存储人 员管理信息、井下地图、应急预案、AP基站数据、 位置数据和导航预备数据等。 3系统实现与应用 煤矿井下应急导航系统在冀中能源井胫矿业集 团下属煤矿井下进行试运行测试。该系统上位机软 件采用VS2019的.NET窗体应用开发平台，结合 SQL Server数据库管理器，设计了一个窗体应用程 序，地面管理人员通过人员定位模块、应急救援管 理模块、系统数据库管理模块和跟踪定位管理模块 对井下人员信息、井下巷道信息和应急管理预案进 行监控和管理。 跟踪定位管理模块下拉出人员定位导航管理界 面，根据SQL Server数据库存储的井下巷道地图信 息和AP节点信息，可以实时寻找人员位置、查看 井下AP节点连接情况、变更井下巷道地图信息等。 51 设计技术煤炭工程 2020年第7期 |煤矿井下应急导航系统| 图7地面监控管理系统结构图 当出现紧急情况时，可以实时报警并列出事发位置 信息和附近人员位置信息。 应急救援管理模块负责调用应急导航预案和应 急管理文件，并且发送给井下移动终端，通过语音 合成模块的数据合成转化为语音信息，实时为井下 工作人员导航播报。 煤矿井下试运行表明，该系统井下定位功能基 本实现良好，导航预案与语音合成导航状况良好。 根据上文定位设计的指纹定位方法和AP节点的布 局情况，以及训练好的离线样本进行在线测试，选 取了9组在线应急导航测试结果。由井下定位精度 误差所致，井下导航也出现了少许误差，其精度控 制在3m以内。导航单条路径的平均误差如图8所 示，纵坐标为单路径平均误差，横坐标为路径编号。 123456789 组别 图8导航单条路径的平均误差 4结语 本文设计了一种煤矿井下应急导航系统，给出 了系统的硬件设计及软件流程设计。该系统在煤矿 井下进行了试运行，其定位能与导航功能应用实现 状况良好，导航精度控制在3m以内，满足井下人员 自撤离的需要。下一阶段将要对其井下定位精度进 行优化，从而进一步提高井下导航的精度。 参考文献 [1] 郝娟华煤矿瓦斯灾害应急物资调度管理系统研究[D]. 太原太原科技大学，2016. 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