关于煤矿井下人员智能化定位系统的设计研究.pdf

引言 煤矿井下人员定位系统在确保井下人员安全方 面有着非常重要的作用， 尤其是在开展应急救援工作 时， 人员定位精度直接决定了救援的速度和效率[1-2]。 人员定位系统要求覆盖整个开采区域，对所有人员 进行精确定位， 为了达到系统覆盖的广度要求， 会用 到大量的读卡器[3]。某煤矿当前阶段使用的读卡器 通过 RS485 总线和分站进行连接， 但整体数据传输 距离较远。 为实现读卡器与分站之间的连接， 要在煤 矿井下建设长距离的通信电缆，施工难度大、成本 高。 且当井下人员遇到紧急情况时， 需要通过手动方 式启动求救信号，地面接收到求救信号后才会开展 相关的应急救援工作。如果井下人员无法通过手动 模式启动求救信号，地面就无法及时获知井下实际 情况， 很有可能会错过黄金救援时间， 最终引发井下 人员伤亡情况[4]。鉴于当前使用的煤矿井下人员定 位系统存在的不足之处，本文充分利用 UWB 超宽 带定位技术以及 LoRa 无线通信技术对人员定位系 统进行重新设计研究，极大提升了系统的智能化水 平， 可有效避免人员伤亡事故的发生。 1人员定位系统总体结构 本文设计的煤矿井下人员智能化定位系统工作 原理可以概述如下 所有井下人员都配备有对应的人 员标签， 该标签上设置有求救按钮， 通过人员标签可 以向外部发出求救信号， 由读卡器读取信号并根据信 号来获得人员具体位置、 求救信息等具体信息。在获 得井下人员位置信息后， 通过无线通信技术及时将信 息数据传输到分站， 然后由分站将数据信息进一步传 输至地面集中监控中心， 中心根据具体情况以及相关 的应急预案立即组织应急救援工作。 图 1 所示为煤矿 井下人员智能化定位系统工作原理框图， 该系统可以 显著提升井下人员定位的效果和速度。 2人员定位系统主要技术 当前 RSSI、 Zig-Bee、 CSS 等定位技术在煤矿行 业中都有一定程度的应用，但这些技术在实际应用 过程中存在一些问题，其中最显著的问题是信息数 据传输速度较慢且定位精度有待提升[5-6]。而 UWB 超宽带定位技术正好能克服上述两方面问题，即能 达到及时性和精确性要求。 本文通过 UWB 超宽带定 位技术来完成煤矿井下人员的定位，通过该技术能 快速准确地计算得到读卡器与人员标签之间的间 距， 确保了人员定位的精确性， 紧急情况下系统可自 动发送报警信号。 具体而言， 本文采用的是 TOA 测距方法， 即利 用定位技术测量读卡器与人员标签之间的距离， 整 个定位过程需要测量 2 次距离。第 1 次距离测量过 程 读卡器主动向人员标签发送数据信号， 直到读卡 器自动应答， 计算这段时间差为 T1， 读卡器发出自动 应答到人员标签接收数据信号， 整体时间差为 T2。 第 2 次距离测量过程人员标签对输送过来的包含 T1 的数据信息进行自动应答， 这段时间差为 T3， 人员标 签向读卡器发送包含 T3的数据信息， 整体时间差为 T4。信号在媒介中传输时有一定的传输速度， 煤矿井 关于煤矿井下人员智能化定位系统的设计研究 肖震 （霍州煤电集团吕梁山煤电公司方山店坪煤矿， 山西方山033100） 摘要 针对某煤矿井下人员定位系统采用的是有线传输且只能通过手动方式触发求救信号的局限性， 基于 UWB 超宽带定位技术和 LoRa 无线通信技术对人员定位系统进行了智能化改造。实际测试发现， 当无线通信 距离在 1.5 km 以内时通信误码率为 0， 且定位系统的手动求救和自动求救成功率分别达到了 100和 96。 关键词 煤矿井下人员定位智能化无线通信 中图分类号 TD76文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 06-0194-03 收稿日期 2020-03-31 作者简介 肖震 （1992） ， 男， 毕业于安徽理工大学， 助理工程 师， 店坪矿综掘二队技术员。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.085 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6， 2020 图 1煤矿井下人员智能化定位系统总体结构 开始 读取人员标签信息 启动定时器手动求救跌倒 触发手动 求救报警 更新人员 标签信息 结束 关闭 定时器 触发自动 求救报警 在自动求救时间 阈值内人员标签 处于静止状态 YY Y N N N 自动化技术与设计 2020 年第 6 期 下环境相对较复杂，假设数据信号在煤矿井下传输 的速度为 v。那么就可以通过理论方法计算得到人 员标签与读卡器之间的距离 dv （T2 -T 1 T 4 -T 3） /2。 传统人员定位通信系统采用的是有线通信模 式， 这种模式不仅施工成本高且施工难度大， 在实际 应用中存在一定的局限性。对于读卡器采集到的数 据信息， 可以通过 LoRa 无线通信技术实施频谱扩宽 处理， 可显著提升无线通信距离， 接受灵敏度也有一 定程度的改善， 同时可以实现数据信息的无线传输， 该项技术通过 SX1278 芯片来构建无线通信模块。 需要指出的是， 通过 LoRa 无线通信技术可对数据信 息进行长距离传输， 但无线传输模式与有线传输模式 相比较存在一定劣势， 主要表现在数据传输速度相对 较低。所以在本文设计的通信系统中， 设立一套数据 流量控制算法， 对传输数据量进行压缩控制， 有效规 避了无线传输模式数据传输速率相对较低的问题， 确 保了长距离无线数据传输的可靠性。可以看出， 本文 在最大限度上利用了 LoRa 无线通信技术的优势， 并 通过一定的手段有效规避了该项技术的劣势。 为确保煤矿井下人员的绝对安全，煤矿管理人 员应该对各种潜在的风险问题制定对应的紧急处理 预案。 当井下人员遇到突发情况需要救援时， 一方面 可通过手动方式按下求救按钮，人员标签会立刻向 外发出求救信号，信号通过一系列传输会在第一时 间到达管理人员处， 进而展开救援工作。 如果井下人 员遇到突发情况发生跌倒，无法通过手动方式按下 人员标签中的求救按钮时，人员标签会对人员状态 进行自动检测， 如果发现人员出现跌倒， 会立即向外 发出跌倒信号，读卡器接收到跌倒信号后将数据信 号传输至地面集中监控中心， 并开始计时。 如果超过 了系统设置的时间阈值后人员仍然处于跌倒状态， 系统会判定该人员处于危险状态并向外发出警报， 管理人员在接收到报警信号后立即开展救援工作。 本系统中准确判断人员标签状态非常重要，这是决 定是否启动紧急救援的关键所在。2 个相邻采样点 间人员移动距离用 d 表示，系统设置的定位精度用 Dmax表示。当 dDmax时就认为井下人员处于静止状 态没有发生移动， 在系统设定的时间范围内， 人员如 果一直处于静止状态则认为其存在一定的危险， 就 立即展开应急救援工作。这种工作模式能有效避免 由于人员跌倒无法手动触发救援按钮而导致的人员 伤亡情况， 保证了井下人员的安全。 3人员定位系统测试结果 在完成人员定位系统的搭建工作后，对系统的 有效性和可靠性开展了一系列测试实验。 将 10 个人 员标签随机分布在一个长度为 200 m 的井下巷道 内，在巷道端部位置设置有读卡器以读取巷道内部 人员标签信号。 为检验本文设计的智能人员定位系统工作精 度，通过本系统每间隔 1 s 对巷道内的 10 个人员标 签进行位置定位， 与此同时标记 10 个人员标签的实 际位置， 将系统检测到的位置与实际位置进行比较， 可得到系统的检测误差。 每次检测中统计 10 个人员 标签中误差的最大值。 图 2 所示为 100 s 时间范围内 系统的检测误差统计结果， 从图中可以看出， 本系统 的定位误差没有超过 1 m，这样的测量误差完全能 满足工程实际应用需要。 无线通信技术必须在一定的距离范围内才能正 常稳定工作， 无线通讯距离越长， 其在通讯过程中越 容易出现误码情况。为测试本文设计系统的无线通 信距离，将读卡器和数据集中器的初始距离设置为 600 m， 测试数据传输过程中的信号强度和通信误码 率， 然后不断扩大两个设备之间的距离， 再次测试信 号强度和通信误码率。 测试结果发现， 当两个设备之 间的距离不超过 1 500 m 时， 通信误码率为 0， 可见 当通信距离不超过 1.5 km 时本系统具有非常高的 可靠性。当两者之间的距离不超过 2 km 时， 通信误 码率未超过 3。 主要是因为本系统采用 SX1278 芯 片， 使得在进行长距离无线数据传输时仍然具有很 高的接受灵敏度。基于测试结果可以发现， 本系统 即便是远距离传输也能保证数据传输的可靠性和 安全性。 对于手动触发求救按钮模式，经过 100 次测试 发现每次都能够准确将求救信号传输至地面集中监 控中心。对于自动求救模式， 将时间阈值设置为 10 min， 同样经过 100 次测试， 发现有 96 次能够准确将 图 2煤矿井下智能人员定位系统定位精度测量结果 0.5 1.0 0.0 -0.5 -1.0 8070605040302010901000 时间 /s 肖震 关于煤矿井下人员智能化定位系统的设计研究195 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb Research on Design of Intelligent Positioning System for Underground Coal Mine Personnel Xiao Zhen （Fangshan Dianping Coal Mine, Lyuliangshan Coal of Huozhou Coal Power Group, Fangshan Shanxi 033100） Abstract Aiming at the limitation that the underground personnel positioning system of a coal mine adopts wired transmission and can only trigger the distress signal by manual mode, the personnel positioning system is intelligently reed based on UWB ultra-wideband positioning technology and LoRa wireless communication technology. Actual test found that the communication error rate is 0 when the wireless communication distance is less than 1.5 km, and the success rate of manual distress and automatic distress in the positioning system is 100 and 96, respectively. Key words underground coal mine; personnel location; intelligence; wireless communication 求救信号传输至地面集中监控中心。可见本文设计 的井下智能化人员定位系统能够克服传统定位系统 中必须通过手动模式进行求救的缺陷，在很大程度 上提升了井下人员的安全性。 4结论 煤矿井下人员定位系统精度对于保障人员安全 有着非常重要的意义。考虑到某煤矿井下人员定位 系统存在的现实问题，基于先进的 UWB 超宽带定 位技术和 LoRa 无线通信技术对人员定位系统进行 了升级改造。 改造后的定位系统定位精度较高， 实现 了远距离无线数据传输和煤矿井下人员的自动求 救， 确保了人员安全。 参考文献 [1]奚强.井下通信及人员定位的自动化技术分析[J].数字化用户， 2019 （18） 183. [2]胡平， 鞠捷.井下救援人员定位中的信号抗干扰技术研究[J].计 算机仿真， 2013， 30 （4） 208-211； 216. [3]文金朝， 刘丹蕾， 张超， 等.基于光缆振动的井下无源定位系统 的研究[J].光通信技术， 2018， 42 （3） 59-62. [4]刘宇.基于 WSN 的井下故障定位系统研究[D].阜新 辽宁工程 技术大学， 2014. [5]李新.基于 ZigBee 的井下个人定位系统设计[J].山西煤炭， 2014 （12） 39-41. [6]杨荣明， 赵阳.基于井下 RSSI 无线传感器的定位系统的补偿算 法[J].测控技术， 2014， 33 （10） 140-142； 146. （编辑 王瑾） Research and Analysis on the Protection Configuration of Grounding Transer in Mine Substation Zheng Bentao （Shanxi Coal Import and Export Group Zuoquan Xinshun Coal Industry Co.,Ltd., Jinzhong Shanxi 032699） Abstract The capacitance current is large when the power grid cable is grounded. The traditional neutral arc suppression coil grounding can not solve the problem of field grounding protection. This paper puts forward the connection mode of neutral point grounded through resistance. On the basis of conventional grounding transer protection which needs to be provided with two-stage current protection, the improvement and analysis of the configuration and setting of grounding transer protection are made, and the additional two-stage zero sequence current protection is provided. The setting schemes of small resistance grounding and medium resistance grounding are analyzed in detail, when the single-phase grounding fault occurs in the power system After the fault, when zero sequence current is generated, the protection trip action can be relied on to realize the disconnection between the grounding equipment and the system, so as to ensure the safety and stability of the operation process of the power system. Key words substation; grounding transer protection; resistance grounding; configuration and setting （上接第 134 页） 196