煤礦安全生產(chǎn)事關(guān)人民群眾的生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全，我國(guó)各級(jí)政府一貫高度重視煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)問(wèn)題，但是由于基礎(chǔ)薄弱，對(duì)井下人員管理模式落后等種種原因，煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)狀況依然不容樂(lè)觀。當(dāng)?shù)V井危險(xiǎn)性事故發(fā)生時(shí)，及時(shí)掌握井下人員的分布情況，對(duì)于指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)、盡可能減少災(zāi)害損失和人員傷亡具有十分重要的意義，因此建立以災(zāi)害預(yù)防、事故救助、電子信息化管理為主要目標(biāo)的井下人員定位系統(tǒng)勢(shì)在必行。

    近兩年隨著對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各高校及科研院所對(duì)基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下人員定位技術(shù)進(jìn)行了深入的研究?；赯igbee 技術(shù)架構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織、低功耗、廉價(jià)、可快速部署和可擴(kuò)張性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在特殊時(shí)刻、特殊環(huán)境中快速構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施。Zigbee作為一種低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信新技術(shù)，在煤礦安全生中中已有初步應(yīng)用。采用Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦井下人員定位，可消除地面管理人員對(duì)井下作業(yè)人員視野盲區(qū)，提高對(duì)井下作業(yè)人員的有效監(jiān)控和調(diào)度，增強(qiáng)礦井災(zāi)害發(fā)生時(shí)井下作業(yè)人員的快速反應(yīng)能力，以改善煤礦的安全生產(chǎn)和管理。

    1 系統(tǒng)架構(gòu)

    煤礦井下人員定位系統(tǒng)由3 大部分組成: 井上監(jiān)控中心、井下定位基站、人員定位終端設(shè)備。井上監(jiān)控中心通過(guò)LAN 連接到井下中心站，井下中心站通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與井下各定位基站通訊，定位基站與人員定位終端進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊建立數(shù)據(jù)連接，架構(gòu)底層的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊平臺(tái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

    井上管理人員在監(jiān)控中心通過(guò)監(jiān)控定位軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員分布情況的實(shí)時(shí)顯示，及時(shí)準(zhǔn)確掌握井下人員分布及作業(yè)情況，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)情況向井下人員發(fā)送預(yù)警信息。井上定位軟件系統(tǒng)采由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成: 人員定位子系統(tǒng)、井下環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、地面預(yù)警子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)。人員定位子系統(tǒng)通過(guò)收集井下各定位基站( 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)) 獲取井下人員定位終端與各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的通訊的信號(hào)強(qiáng)度( RSSI) ，采用質(zhì)心算法計(jì)算井下人員與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)人員的定位，并在屏幕上顯示其具體位置。井下環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，通過(guò)采集井下定位基站的瓦斯、溫度、濕度傳感器的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工況的監(jiān)測(cè)。地面預(yù)警子系統(tǒng)根據(jù)采集的井下工況信息判斷是否要做出預(yù)警處理，在監(jiān)控中心顯示出險(xiǎn)位置的同時(shí)，根據(jù)出險(xiǎn)位置將預(yù)警信息通過(guò)井下定位基站及時(shí)傳遞到井下人員定位終端設(shè)備進(jìn)行預(yù)警提示，以便相關(guān)人員及時(shí)撤離，并采取相應(yīng)的減災(zāi)處置。通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與井下中心站的數(shù)據(jù)通訊，并通過(guò)井下中心站可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)井下定位基站及井下人員定位終端設(shè)數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下井人員信息的管理、井下環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管理、預(yù)警信息的管理、并提供系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢、備份功能。

    井下定位基站是一個(gè)完全功能設(shè)備( FFD) ，F(xiàn)FD 節(jié)點(diǎn)，支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)采集功能，可與其他FFD 節(jié)點(diǎn)通信也可與RFD 節(jié)點(diǎn)通信，負(fù)責(zé)構(gòu)建井下無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，每2 s 發(fā)送一次廣播信息，與附件的人員定位終端設(shè)備建立無(wú)線通訊鏈路，以實(shí)現(xiàn)人員定位。井下定位基站部署在礦井巷道及工作面，可視關(guān)系的節(jié)點(diǎn)之間間距200 m 以內(nèi)，工作面附件的節(jié)點(diǎn)間距不超過(guò)50 m。井下定位基站采用JENNIC － 5139 模塊作為節(jié)點(diǎn)控制與通訊的核心單元，其工作電壓3 V，無(wú)線通訊時(shí)工作電流37 mA，休眠狀態(tài)電流為2． 6 μA，模塊內(nèi)嵌Zigbee 無(wú)線通訊協(xié)議，支持無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊，采用32 位的RISC CPU，內(nèi)部集成了96 KB RAM、192KB ROM、4個(gè)12 位的ADC，用于檢測(cè)井下瓦斯和濕度，電壓檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的監(jiān)測(cè)，環(huán)境溫度檢測(cè)由模塊內(nèi)的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯和濕度傳感器檢測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，提高檢測(cè)精度、2 個(gè)UART 可在中心站構(gòu)建CAN 總線接口，作為備用的通訊通道。JENNIC － 5139 功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)展。電源模塊采用電池供電和外部輔助供電兩套并存的供電模式，當(dāng)沒(méi)有外部輔助電源時(shí)，由電池供電，但外接輔助電源時(shí)，由外部電源供電，同時(shí)為電池充電。井下定位基站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 

    人員定位終端設(shè)備是簡(jiǎn)單功能設(shè)備( RFD) ，安裝在礦工安全帽上，發(fā)送當(dāng)前礦工的位置信息，并提供聲光報(bào)警功能。其核心模塊也采用JENNIC －5139 實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)終端采用電池供電，分配一個(gè)唯一的ID 作為身份識(shí)別標(biāo)識(shí)，通過(guò)與井下定位基站這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通訊，確定人員所在位置。RFD 終端有一個(gè)按鍵可以發(fā)送求救信息，還有LED 預(yù)警燈和蜂鳴預(yù)警器，在井上監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)聲光預(yù)警。

    2 定位算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    煤礦井下人員定位具有其特殊性，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)( FFD，RFD) 受到資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾等限制，因此定位算法必須滿足高精度、自組織、健壯性、能量高效、分布式計(jì)算等要求。

    實(shí)現(xiàn)一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)的定位基本步驟是距離測(cè)量( 未知節(jié)點(diǎn)到定標(biāo)節(jié)點(diǎn)) 、坐標(biāo)計(jì)算。距離測(cè)量常用的方法為: TOA( Time of Arrival) ，通過(guò)計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間進(jìn)行距離測(cè)量、TDOA( Time Difference of Arrival)通過(guò)記錄不同信號(hào)傳播的時(shí)間差測(cè)距; RSSI( Received Signal Strength Indicator) 接受信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距; AOA( Angle of Arrival) 通過(guò)信號(hào)傳播角度實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。該系統(tǒng)采用JENNIC － 5139 模塊，只有RSSI測(cè)距法不需要額外的硬件，但基于信號(hào)強(qiáng)調(diào)的測(cè)距法容易受信號(hào)多徑、反射等情況的干擾，降低測(cè)量精度。坐標(biāo)計(jì)算定位算法: 有三角定位法、三邊定位法、最大似然估計(jì)法、質(zhì)心法等。如果直接使用上述定位算法基于RSSI 測(cè)距進(jìn)行定位，無(wú)法得到滿意的測(cè)量精度。該系統(tǒng)的定位機(jī)制是建立全巷道RSSI數(shù)據(jù)庫(kù)的方式測(cè)距和質(zhì)心算法混合機(jī)制實(shí)現(xiàn)人員定位。 

    此算法的運(yùn)算前2 個(gè)步驟，定標(biāo)節(jié)點(diǎn)搜索及信號(hào)強(qiáng)度排序工作由在井下定位基站實(shí)現(xiàn)并將運(yùn)算結(jié)果上傳到井上監(jiān)控中心，求均方差和求質(zhì)心節(jié)點(diǎn)即定位人員坐標(biāo)，由井上監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)完成。這樣分布式運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)是減少網(wǎng)絡(luò)通信量，充分發(fā)揮井下定位基站運(yùn)算功能。這種混合定位機(jī)制方法的精度取決于離散數(shù)據(jù)庫(kù)建立時(shí)的測(cè)量精度，要提高精度可以通過(guò)縮短測(cè)量間距實(shí)現(xiàn)。不足之處在于煤礦井下工作面是不斷的擴(kuò)展，而此定位算法要預(yù)先建立位置和信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，因此必須及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

    3 結(jié)語(yǔ)

    基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)在河南省新密市景崗煤礦進(jìn)行了井下測(cè)試，該定位系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的將井下各個(gè)區(qū)域人員的動(dòng)態(tài)情況及礦井的環(huán)境參數(shù)反映到地面監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員的分布情況和每個(gè)礦工的運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)定位精度在1 m 以內(nèi)。該系統(tǒng)還適用于礦難救援，救援人員也可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率，大大提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和管理水平。