论文部分内容阅读
摘要：人员定位及无线通讯二合一系统能够对出入矿井的人员进行24小时跟踪和定位，通过该系统地面管理人员能够实时掌握每个井下人员的具体位置，并且具备语音通话功能。本文通过介绍该系统的系统结构，阐述系统的设计方案，研究分析系统的功能和运行效果，对于维护国家和人民的生命财产安全具有重要的意义。
关键词：人员定位 无线通讯 以太环网 基站 定位卡
对于平煤股份三矿，井下巷道长、作业点分散、人员流动性比较大，并且人员活动轨迹难以确定，安全生产信息在矿井上下之间难以及时传递，在一定程度上给矿井安全生产埋下隐患。通过建立和完善人员管理系统，加快矿井现代化管理水平、提高产能，强化安全生产管理，维护国家和人民的生命财产安全具有重要意义。
1 系统结构
本系统由三部分构成：
第一部分：地面管理中心。主要设备包括：管理主机、管理软件、机房配套设备。在地面通过设置管理主机，对系统进行实时监管，实现数据信息进行管理，语音监听和录音，强拆等。
第二部分：数据传输部分。该部分由以太环网、防爆电源、无线通信基站等构成。
第三部分：数据终端。主要设备包括本安手机等终端设备，其作用是实现无线信号的全覆盖和通讯。
在系统中，数据通过无线通信基站进行传输，同时无线通信基站又作为无线信号覆盖的终端设备，实现有线和无线相互转换的重要设备。
2 系统方案设计
2.1 工业以太网平台设计
2.1.1 井下交换机布置
地面监控中心布置一台支持三层动态路由功能的核心交换机，用于连接井下工业以太环网平台环网交换机。地面监控中心交换机选用PT-7828-F-HV型核心交换机。井下环网交换机选用三台KJJ137防爆千兆交换机，布置于平煤股份三矿己组中央变电所、己组采区变电所和戊组采区变电所三个地点。设计8芯矿用阻燃光缆作为传输介质。
2.1.2 平台性能
在传输速度、带宽容量、传输距离、抗干扰方面该平台独具优势。在带宽方面，为传输数据、视频、语音提供了足够的带宽；整个网管系统具备自动报警功能，能够对全部综合自动化的网络设备进行实时监控。系统通过采用光纤冗余环网工作模式，整个系统不受接节故障的影响，故障自动恢复时间比较短（约为0.05S），通信更可靠，为以后扩容和升级奠定了基础。
2.2 无线通信、人员定位二合一系统设计
系统中具备人员无线移动通讯功能及人员定位管理功能，无线通讯及人员定位共用一套传输线路，性价比比较高。以工业以太网为主干结合总线型的网络结构方案搭建系统网络结构，将工业以太网交换机作为星型的中心点，基站之间通过总线型方式进行连接。基站兼具语音通信和定位的双重功能，定位终端包括两种：即手机和专用定位卡。
2.2.1 基站在井下主要巷道覆盖距离技术特征。无线信号通过直射、折射和反射的方式进行传输。无线信号在不同的环境中传输距离存在差异，在轨道巷、通风巷等主巷道中传输距离比较长，通常情况下能够达到300～500m；在皮带巷、工作面等小巷道中，无线信号被屏蔽和吸收，传输距离约200～400m。另外，无线信号还具有转向的特性，当无线信号与覆盖巷道成90度并且无遮挡的巷道中传输时可延伸20m，反之，小于90度可延伸10米，对于大于90度的情况，根据安装基站位置的延伸距离从50m～200m不等。对于佩戴标识卡的人员，识别范围在0-100米的可调区域内无线信号无方向性，不存在盲区，并且无线信号对人体没有辐射伤害；识别佩戴标识卡人员能够静态或小于80km/h的快速移动。
2.2.2 井下无线基站布置。井下实际布置具备人员定位功能无线通讯基站共计51台，基站备用电源51台，信号覆盖十号井副井井底区域、各主要大巷及采掘工作面。
2.2.3 地面无线基站布置。本次方案设计包含地面基站无线信号覆盖设计，目前只在十号井上井口布置一台基站，系统已预留接口，根据平煤股份三矿今后需要，可方便进行扩展。
2.2.4 读卡器布置原则。每个出入井口各设置一台读卡器用于监测出入井人员情况，主要入井口增加一台，并对主要人员入井口增加一台显示牌，用于直观显示人员编码信息。读卡器主要设置在采煤工作面进风巷道、回风巷道、掘进巷道、炸药库入口、重点危险巷道、各行人大巷巷口和巷尾以及各个主要人员必经的巷道口、车场，机头机尾、变电所等人员集中区域各布置一台读卡器，保证人员下井数量和时间的准确。
3 系统功能特点
3.1 无线通讯部分
借助井下工业以太环网平台无线通讯系统进行数据传输，具有运行稳定、高可靠性，通信线路无须独立铺设。在井下引入宽带无线通信技术，在矿井内部实现了无线数据的通讯，传输速率最高可达54M；同传统无线通信类设备频带和通信数量相比，该系统凭借宽带的独特优势突破传统通信的限制，使得大量用户能够同时在线进行通讯；通过采用本质安全供电和通讯设备本质安全的方式对系统进行处理，无线通信的覆盖范围能够延伸到回风区域和工作面；通过采用灵活方便的星型结构结合树型结构进行混合拓扑排序的方式设计系统通信线路；利用网关设备实现与调度系统的无缝连接。
3.2 人员定位部分
①系统具有强大实用的双向井下人员应急救援功能。当井下人员遇险时，可触发求救按钮，地面将及时报警，并查询显示是谁、在什么时间、什么地点求救；在井下某区域有危险需要撤离人员时，在地面监控主机可向井下需撤离人员群发紧急撤离通知，井下人员即可通过声音和指示灯及时得到撤离消息；在地面需要查询某人，并通知其回电话时，可在地面对其发送呼叫，井下人员知道后即可电话回话。②实时跟踪监测井下人员，并自动显示具体位置。③借助该系统，能够对某一时间段内的井下人员数量、活动轨迹进行查询，可以再现当时井下人员的轨迹等，实现了对井下人员的动态监管。④对于与地面中心站失去联系的井下人员，通过该系统仍能独立工作，并且能够自动存储井下人员的监测数据，监控主机可提取通讯恢复后的数据，并自动完成数据的更新和修复。⑤系统进行采集数据的同时，同样可以实现记录、显示、查询、编辑等功能。⑥系统根据采集到的信息，自动生成人员信息数据库，完成考勤任务的统计与管理，进而提高管理效益。⑦在矿井发生安全事故的第一时间，监控中心就可以掌握被困人员的基本情况，为事故救助工作提供基础。⑧对于井下人员活动轨迹该系统还有再现的功能。
4 系统运行效果
人员定位及无线通讯二合一系统本着节约投资、系统可靠实用的原则，对井下人员进行定位管理，通过信号覆盖对井下主要巷道、采掘工作面进行监管，从而实现井下人员区域的定位，完成人员考勤的记录。系统设备通过直插式插件的方式进行连接，操作简便快捷，使系统的安装和更换快速而准确，灵活性比较大、控制功能可靠。以及井下无线通讯与调度有线电话联网，简单实用，易于掌握，人机界面友好。整个系统对出入矿井人员进行24小时的实时跟踪监测和定位，为下井人员生命安全和国家财产安全提供了有利的保障。且运行可靠、故障率低、维护方便，基本做到免维护，满足了平煤股份三矿现代化矿井的要求。
5 结语
此方案为平煤股份三矿设计了1000M工业以太网平台做无线通讯系统的传输平台，采用国际先进和性能可靠的工业自动化控制系统，其适用性和可扩展性强，该平台除支持人员定位管理及井下无线通讯系统外，还可作为平煤股份三矿今后综合自动化系统的传输平台，安全监控系统、井下运输集中控制系统、主排水自动控制系统、电力监控系统、视频监控系统等多种子系统可就近接入环网交换机，通过统一的传输平台完成矿井多个子系统的数据传输，能把各个子系统有机整合在一起，避免多个系统建设重复布线、减少了投资、减轻了维护人员的工作量。
参考文献：
[1]张恒.安全监控、人员管理系统在砂墩子矿井的应用[J].煤炭工程，2012（06）.
[2]闫淑萍.煤矿井下人员管理系统[J].煤炭科技，2009（02）.
[3]庞海娟，赵建平.基于ZigBee技术的矿井人员管理系统设计[J].通信技术，2010（08）.
作者简介：汪东亚（1984-），女，河南平顶山人，助理工程师，本科，研究方向：煤矿机电技术管理工作。
关键词：人员定位 无线通讯 以太环网 基站 定位卡
对于平煤股份三矿，井下巷道长、作业点分散、人员流动性比较大，并且人员活动轨迹难以确定，安全生产信息在矿井上下之间难以及时传递，在一定程度上给矿井安全生产埋下隐患。通过建立和完善人员管理系统，加快矿井现代化管理水平、提高产能，强化安全生产管理，维护国家和人民的生命财产安全具有重要意义。
1 系统结构
本系统由三部分构成：
第一部分：地面管理中心。主要设备包括：管理主机、管理软件、机房配套设备。在地面通过设置管理主机，对系统进行实时监管，实现数据信息进行管理，语音监听和录音，强拆等。
第二部分：数据传输部分。该部分由以太环网、防爆电源、无线通信基站等构成。
第三部分：数据终端。主要设备包括本安手机等终端设备，其作用是实现无线信号的全覆盖和通讯。
在系统中，数据通过无线通信基站进行传输，同时无线通信基站又作为无线信号覆盖的终端设备，实现有线和无线相互转换的重要设备。
2 系统方案设计
2.1 工业以太网平台设计
2.1.1 井下交换机布置
地面监控中心布置一台支持三层动态路由功能的核心交换机，用于连接井下工业以太环网平台环网交换机。地面监控中心交换机选用PT-7828-F-HV型核心交换机。井下环网交换机选用三台KJJ137防爆千兆交换机，布置于平煤股份三矿己组中央变电所、己组采区变电所和戊组采区变电所三个地点。设计8芯矿用阻燃光缆作为传输介质。
2.1.2 平台性能
在传输速度、带宽容量、传输距离、抗干扰方面该平台独具优势。在带宽方面，为传输数据、视频、语音提供了足够的带宽；整个网管系统具备自动报警功能，能够对全部综合自动化的网络设备进行实时监控。系统通过采用光纤冗余环网工作模式，整个系统不受接节故障的影响，故障自动恢复时间比较短（约为0.05S），通信更可靠，为以后扩容和升级奠定了基础。
2.2 无线通信、人员定位二合一系统设计
系统中具备人员无线移动通讯功能及人员定位管理功能，无线通讯及人员定位共用一套传输线路，性价比比较高。以工业以太网为主干结合总线型的网络结构方案搭建系统网络结构，将工业以太网交换机作为星型的中心点，基站之间通过总线型方式进行连接。基站兼具语音通信和定位的双重功能，定位终端包括两种：即手机和专用定位卡。
2.2.1 基站在井下主要巷道覆盖距离技术特征。无线信号通过直射、折射和反射的方式进行传输。无线信号在不同的环境中传输距离存在差异，在轨道巷、通风巷等主巷道中传输距离比较长，通常情况下能够达到300～500m；在皮带巷、工作面等小巷道中，无线信号被屏蔽和吸收，传输距离约200～400m。另外，无线信号还具有转向的特性，当无线信号与覆盖巷道成90度并且无遮挡的巷道中传输时可延伸20m，反之，小于90度可延伸10米，对于大于90度的情况，根据安装基站位置的延伸距离从50m～200m不等。对于佩戴标识卡的人员，识别范围在0-100米的可调区域内无线信号无方向性，不存在盲区，并且无线信号对人体没有辐射伤害；识别佩戴标识卡人员能够静态或小于80km/h的快速移动。
2.2.2 井下无线基站布置。井下实际布置具备人员定位功能无线通讯基站共计51台，基站备用电源51台，信号覆盖十号井副井井底区域、各主要大巷及采掘工作面。
2.2.3 地面无线基站布置。本次方案设计包含地面基站无线信号覆盖设计，目前只在十号井上井口布置一台基站，系统已预留接口，根据平煤股份三矿今后需要，可方便进行扩展。
2.2.4 读卡器布置原则。每个出入井口各设置一台读卡器用于监测出入井人员情况，主要入井口增加一台，并对主要人员入井口增加一台显示牌，用于直观显示人员编码信息。读卡器主要设置在采煤工作面进风巷道、回风巷道、掘进巷道、炸药库入口、重点危险巷道、各行人大巷巷口和巷尾以及各个主要人员必经的巷道口、车场，机头机尾、变电所等人员集中区域各布置一台读卡器，保证人员下井数量和时间的准确。
3 系统功能特点
3.1 无线通讯部分
借助井下工业以太环网平台无线通讯系统进行数据传输，具有运行稳定、高可靠性，通信线路无须独立铺设。在井下引入宽带无线通信技术，在矿井内部实现了无线数据的通讯，传输速率最高可达54M；同传统无线通信类设备频带和通信数量相比，该系统凭借宽带的独特优势突破传统通信的限制，使得大量用户能够同时在线进行通讯；通过采用本质安全供电和通讯设备本质安全的方式对系统进行处理，无线通信的覆盖范围能够延伸到回风区域和工作面；通过采用灵活方便的星型结构结合树型结构进行混合拓扑排序的方式设计系统通信线路；利用网关设备实现与调度系统的无缝连接。
3.2 人员定位部分
①系统具有强大实用的双向井下人员应急救援功能。当井下人员遇险时，可触发求救按钮，地面将及时报警，并查询显示是谁、在什么时间、什么地点求救；在井下某区域有危险需要撤离人员时，在地面监控主机可向井下需撤离人员群发紧急撤离通知，井下人员即可通过声音和指示灯及时得到撤离消息；在地面需要查询某人，并通知其回电话时，可在地面对其发送呼叫，井下人员知道后即可电话回话。②实时跟踪监测井下人员，并自动显示具体位置。③借助该系统，能够对某一时间段内的井下人员数量、活动轨迹进行查询，可以再现当时井下人员的轨迹等，实现了对井下人员的动态监管。④对于与地面中心站失去联系的井下人员，通过该系统仍能独立工作，并且能够自动存储井下人员的监测数据，监控主机可提取通讯恢复后的数据，并自动完成数据的更新和修复。⑤系统进行采集数据的同时，同样可以实现记录、显示、查询、编辑等功能。⑥系统根据采集到的信息，自动生成人员信息数据库，完成考勤任务的统计与管理，进而提高管理效益。⑦在矿井发生安全事故的第一时间，监控中心就可以掌握被困人员的基本情况，为事故救助工作提供基础。⑧对于井下人员活动轨迹该系统还有再现的功能。
4 系统运行效果
人员定位及无线通讯二合一系统本着节约投资、系统可靠实用的原则，对井下人员进行定位管理，通过信号覆盖对井下主要巷道、采掘工作面进行监管，从而实现井下人员区域的定位，完成人员考勤的记录。系统设备通过直插式插件的方式进行连接，操作简便快捷，使系统的安装和更换快速而准确，灵活性比较大、控制功能可靠。以及井下无线通讯与调度有线电话联网，简单实用，易于掌握，人机界面友好。整个系统对出入矿井人员进行24小时的实时跟踪监测和定位，为下井人员生命安全和国家财产安全提供了有利的保障。且运行可靠、故障率低、维护方便，基本做到免维护，满足了平煤股份三矿现代化矿井的要求。
5 结语
此方案为平煤股份三矿设计了1000M工业以太网平台做无线通讯系统的传输平台，采用国际先进和性能可靠的工业自动化控制系统，其适用性和可扩展性强，该平台除支持人员定位管理及井下无线通讯系统外，还可作为平煤股份三矿今后综合自动化系统的传输平台，安全监控系统、井下运输集中控制系统、主排水自动控制系统、电力监控系统、视频监控系统等多种子系统可就近接入环网交换机，通过统一的传输平台完成矿井多个子系统的数据传输，能把各个子系统有机整合在一起，避免多个系统建设重复布线、减少了投资、减轻了维护人员的工作量。
参考文献：
[1]张恒.安全监控、人员管理系统在砂墩子矿井的应用[J].煤炭工程，2012（06）.
[2]闫淑萍.煤矿井下人员管理系统[J].煤炭科技，2009（02）.
[3]庞海娟，赵建平.基于ZigBee技术的矿井人员管理系统设计[J].通信技术，2010（08）.
作者简介：汪东亚（1984-），女，河南平顶山人，助理工程师，本科，研究方向：煤矿机电技术管理工作。