一種基于人員定位的礦井綜合通信系統(tǒng)

一種基于人員定位的礦井綜合通信系統(tǒng)
摘要:針對目前礦井井下通信系統(tǒng)功能不完善，技術(shù)與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)狀，提出了一種基于井下人員定位的綜合通信監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了定位原理與具體實(shí)現(xiàn)過程，給出了系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備基站(BS)與人載通信器的結(jié)構(gòu)原理圖，并對綜合通信與監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，最后給出了CMC管理軟件的系統(tǒng)功能框圖。
關(guān)鍵詞:人員定位;基站;人載通信器;通信系統(tǒng)

1礦井井下通信系統(tǒng)組網(wǎng)現(xiàn)狀
井下通信系統(tǒng)在礦山工程中有著重要的作用。它可以完成地面控制中心與井下員工的實(shí)時(shí)通信，或者對井下的一些重要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前，常見的井下通信系統(tǒng)主要有有線傳輸調(diào)度電話系統(tǒng)、架線電機(jī)車載波電話系統(tǒng)、感應(yīng)通信系統(tǒng)及近幾年發(fā)展起來的漏泄通信系統(tǒng)。由于井下惡劣的通信環(huán)境，特別是嚴(yán)重的噪聲干擾和電波衰落，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。目前井下通信系統(tǒng)的功能比較單一，可擴(kuò)展性較差，不利于大規(guī)模礦山應(yīng)用。井下多功能綜合通信系統(tǒng)特別是無線移動(dòng)通信系統(tǒng)對礦山工程的生產(chǎn)與管理意義重大，但目前沒有較成熟的產(chǎn)品，因而其發(fā)展空間廣闊。

2一種基于井下人員定位的綜合通信系統(tǒng)組網(wǎng)方案
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能與要求
本方案的主要目的是對井下人員進(jìn)行定位，并通過基站實(shí)現(xiàn)地面控制管理中心與井下員工的實(shí)時(shí)通信。除此以外，該方案還具有實(shí)時(shí)監(jiān)測井下重要儀器設(shè)備的功能。分析表明，該綜合通信系統(tǒng)具有設(shè)備與施工簡單，成本造價(jià)較低，實(shí)用功能較強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用無線與有線相結(jié)合的方式，具有良好的可擴(kuò)展性，可應(yīng)用于大中型煤礦井下人員的定位管理與設(shè)備檢測管理
(1)任務(wù)與要求:①對礦井下的員工進(jìn)行定位，并進(jìn)行相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)。能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控井下員工的具體位置(誤差范圍內(nèi));能夠進(jìn)行員工下井考勤與相應(yīng)時(shí)間、地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)(包括何時(shí)下井，何時(shí)離井，具體位置等)。②可對某些井下重要儀器設(shè)備或重要區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。不需要工作人員實(shí)地看管，可將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋至控制中心，以便進(jìn)行提前故障預(yù)測與檢修。③實(shí)現(xiàn)地面控制中心與井下員工的簡單雙向通信(數(shù)據(jù)或語音)。主要用于通告員工對儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)維護(hù)與緊急情況下互相通信。
(2)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:①網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小約為10km;②基站BS總數(shù)量約為1000個(gè);③無線通信距離為30m-50m;④基站BS間距為50m-80m;⑤通信器移動(dòng)速度為0-5m/s。
(3)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng):①井下信號(hào)的衰減較大，要合理地設(shè)置基站的發(fā)射功率與基站間的距離。②信號(hào)傳感源密集區(qū)(儀器設(shè)備密集區(qū))要設(shè)置相應(yīng)基站，便于鋪設(shè)傳感線路。③基站設(shè)置要重點(diǎn)考慮可能的員工密集區(qū)和信號(hào)衰減嚴(yán)重區(qū)域(如十字路口處)。
2.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
通信定位系統(tǒng)主要由地面控制中心CMC(ControlManagementCenter)、井下基站(BaseStation)以及人載通信器(Communicator)組成。CMC負(fù)責(zé)整個(gè)通信定位系統(tǒng)的管理與控制，通過地面管理中心可以對井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。CMC任務(wù)可由一臺(tái)多功能計(jì)算機(jī)并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成。BS為整個(gè)通信定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)多項(xiàng)功能。主要有:人載通信器周期性信號(hào)的檢測(用于人員定位);儀器設(shè)備或其他傳感信號(hào)的采集與初步處理;地面控制中心與井下人員的雙工通信。人載通信器用于完成井下員工與地面的通信，并通過發(fā)射周期性Hello報(bào)文來確定井下人員位置。
礦井剖面圖如圖1所示。BS(BaseStation，基站)采用懸掛式裝置置于井下通道壁上，BS位置固定，通過有線電纜與地面控制中心CMC相連接。BS分布于整個(gè)礦井中，負(fù)責(zé)對井下人員的身份、位置、時(shí)間進(jìn)行鑒別定位。Ci為人載通信器，即井下人員的具體位置。Ci可處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，移動(dòng)速度一般小于3m/s－5m/s。
通信系統(tǒng)采用集中式控制，便于生產(chǎn)管理與整體調(diào)度。BS與CMC可采用井下已有的通信電纜進(jìn)行連接，不需額外鋪設(shè)架線。傳感器可將采集到的傳感信號(hào)通過短距離有線媒體接入BS。由于井下傳感源數(shù)量有限，而且布置BS時(shí)已考慮傳感信號(hào)源的分布，所以傳感器接入線路距離較短。傳感信號(hào)帶寬需求較小，普通有線傳輸媒體即可滿足需求，使得整個(gè)傳感接入線路代價(jià)較小，可根據(jù)需要臨時(shí)鋪設(shè)。
煤礦礦井可以看作線型通道，BS采用懸掛式結(jié)構(gòu)安裝在通道墻壁。人載通信器Ci的最大發(fā)射功率與基站BS相同，保證井下任何位置由人載通信器所發(fā)出的信號(hào)都可以被附近至少一個(gè)基站BS接收到。通過圖1可以看出，合理的設(shè)置BS間距離可以使得基站信號(hào)既能覆蓋整個(gè)礦井通道，又不會(huì)造成太大的信號(hào)重疊;既節(jié)省了發(fā)射功率，又降低了無線信號(hào)間的同頻干擾，增加了無線帶寬利用率。對于人載通信器Ci，最多只有兩個(gè)BS同時(shí)檢測到某個(gè)Ci發(fā)出的周期性Hello報(bào)文，既節(jié)省了發(fā)射功率，又方便于井下定位的計(jì)算。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兼顧了實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性要求。
2.3井下人員定位原理
我們采用信號(hào)強(qiáng)度檢測法對井下員工進(jìn)行位置定位。基站BS實(shí)時(shí)的檢測周期性人載通信器發(fā)出的Hello報(bào)文，并將檢測到的報(bào)文信號(hào)強(qiáng)度和報(bào)文信息傳給地面控制中心CMC,CMC根據(jù)收到的信息來進(jìn)行井下人員的位置定位。
定位原理:
CMC為每個(gè)BS設(shè)置具體的位置序列號(hào)，該序列號(hào)對應(yīng)礦井下具體的地理位置。每個(gè)人載通信器Ci設(shè)有不同的身份認(rèn)證序列號(hào)，分別對應(yīng)不同的員工信息。Ci周期性的發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包為一種握手信息，只包含Ci的身份認(rèn)證信息。BS實(shí)時(shí)的接收來自Ci的Hello報(bào)文，對收到的信息包進(jìn)行電平大小和身份認(rèn)證信息檢測，并將結(jié)果實(shí)時(shí)地傳給地面控制中心CMC。CMC通過不同的BS序列號(hào)值和Hello信號(hào)強(qiáng)度(電平值)可確定出信號(hào)的具體位置來源，通過對信號(hào)中認(rèn)證信息的分析可確定發(fā)出該信號(hào)的人員信息，從而可以實(shí)時(shí)地檢測每個(gè)員工井下的具體位置。多個(gè)相鄰BS接收到含有同一身份認(rèn)證信息的Hello報(bào)文時(shí)，CMC通過比較不同BS接收的Hello報(bào)文信號(hào)強(qiáng)度來確定該報(bào)文發(fā)出的具體位置。
設(shè)井下某段通道信號(hào)衰落成均勻分布(在某段通道內(nèi)可以近似)，則可使該段內(nèi)任意兩相鄰BS間距離相等。BS為基站，BS1與BS2,BS2與BS3皆距離相等。Ci（i＝1,2,3,4)表示人載通信器，即井下人員的具體位置。我們通過測定此段通道內(nèi)Ci無線信號(hào)的最大傳輸距離來設(shè)置兩BS間距的大小，使Ci信號(hào)的最大傳輸距離略大于BS間距的一半(如0.6倍BS間距)。
對C1,C2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，BS2可以檢測到它們的周期性Hello信息包，其他BS由于距離這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，則無法檢測到C1與C2發(fā)出的周期性信息。CMC可以接收到t0時(shí)刻由BS2傳來的信息(包含電平值大小和Ci的身份認(rèn)證信息)，據(jù)此可以判定出在t0時(shí)刻C1與C2皆在BS2附近。BS2在井下的位置固定，C1,C2對應(yīng)不同的井下人員，所以CMC可以知道t0時(shí)刻這兩名井下員工的具體位置。對C3節(jié)點(diǎn)，由于處于BS2與BS3的中間位置，CMC可以同時(shí)收到來自這兩個(gè)基站接入點(diǎn)的信號(hào)，從而判定出該節(jié)點(diǎn)位于BS2與BS3基站之間(此時(shí)信號(hào)電平值較小)。C4發(fā)出的周期性信息也同時(shí)被BS3與BS4檢測到，但是CMC通過比較兩者的電平大小可以確定C4位于靠近基站BS3的地方。
這里需要注意的是該方法確定的是C，的大體位置，存在一定的誤差。但是通過比較信號(hào)強(qiáng)度，可以使該誤差遠(yuǎn)小于二分之一倍BS間距。該方案中BS間距約為50m－100m，故誤差在幾米范圍內(nèi)，這對一個(gè)數(shù)十公里的大型礦井井下員工位置的定位是有意義的。
2.4結(jié)構(gòu)原理框圖
以上從整體結(jié)構(gòu)討論了該系統(tǒng)的構(gòu)成與定位原理。為保證一般性，我們對具體芯片型號(hào)與參數(shù)不作要求，具體應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際情況選用不同的通信器件與芯片。
2.5設(shè)備監(jiān)控與傳感信號(hào)采集
該通信系統(tǒng)除了完成井下人員定位功能之外，還具有對井下重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和對感應(yīng)信號(hào)源進(jìn)行信號(hào)采集的功能。
設(shè)備監(jiān)控功能可實(shí)現(xiàn)地面控制中心對井下一些重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)地預(yù)測設(shè)備可能出現(xiàn)的故障，便于井下人員的維護(hù)。該功能的實(shí)現(xiàn)需要輔以設(shè)備檢測裝置，BS可以通過數(shù)據(jù)線路時(shí)接收來自設(shè)備檢測儀器的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳給地面控制中心CMC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。
通過傳感器可以對井下某些特殊區(qū)域進(jìn)行傳感信號(hào)的收集。不同的傳感信號(hào)可以通過不同的傳感器進(jìn)行收集，如溫度、壓強(qiáng)、甲烷含量等傳感信號(hào)。傳感器可將獲得的信號(hào)傳送至附近基站，然后進(jìn)一步傳至地面控制中心進(jìn)行處理。通過得到的傳感數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)對井下特殊地理區(qū)域進(jìn)行檢測。
此外，對檢測到可能出現(xiàn)的事故或設(shè)備故障可以通過基站的報(bào)警裝置和顯示屏(圖4)，進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地的預(yù)報(bào)，以滿足礦井安全生產(chǎn)需要。
2.6CMC與井下員工的雙工通信
系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)功能就是通過人載通信器與基站BS實(shí)現(xiàn)地面控制管理中心與井下員工的實(shí)時(shí)通信。井下雙工通信在安全生產(chǎn)，井下人員管理等方面都有重要作用。目前已有許多專門的井下通信系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)地面控制中心與井下人員的實(shí)時(shí)通信，由于井下無線環(huán)境惡劣，特別是通道拐角處信號(hào)衰減很大，使得無線通信效果較差。專門鋪設(shè)通信電纜代價(jià)較大，而且有線通信對員工的移動(dòng)性也提出了限制，因此也不利于井下通信_(tái)
通過在人載通信器中設(shè)置語音輸入電路和語音信號(hào)發(fā)生器(圖5)，可以方便地完成地面控制中心CMC與井下員工的實(shí)時(shí)語音通信。信號(hào)通過基站BS進(jìn)行傳輸，由于無線傳輸距離短，因此大大降低了信號(hào)衰減對通信的影響。此外，還可以通過鍵盤輸入和液晶顯示屏完成與地面的數(shù)據(jù)通信功能。
2.7CMC的軟件討論
由于管理軟件設(shè)計(jì)的靈活性與多樣性，本文不對軟件的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行深入討論，但作為整體通信管理系統(tǒng)的一部分，軟件的設(shè)計(jì)具有重要地位。不失一般性，圖6給出地面管理控制中心的軟件管理系統(tǒng)的參考結(jié)構(gòu)框圖。

3結(jié)束語
礦井井下通信系統(tǒng)對礦業(yè)安全生產(chǎn)與管理意義重大。礦井井下地形復(fù)雜，無線信號(hào)衰減嚴(yán)重，有線電纜鋪設(shè)困難而且造價(jià)高，使得目前大多井下通信系統(tǒng)不僅功能簡單，而且技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)較高，不能較好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程中。基于人員定位的礦井井下綜合通信系統(tǒng)通過有線與無線結(jié)合的方式，采用信號(hào)強(qiáng)度檢測的方法，可以實(shí)現(xiàn)地面控制中心對井下人員的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān)測。通過傳感設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)對井下重要儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)報(bào)。整個(gè)通信系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立，方便實(shí)際應(yīng)用與功能擴(kuò)展，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。