煤礦安全生產事關人民群眾的生命和國家財產安全，我國各級政府一貫高度重視煤礦企業(yè)的安全生產問題，但是由于基礎薄弱，對井下人員管理模式落后等種種原因，煤礦企業(yè)的安全生產狀況依然不容樂觀。當?shù)V井危險性事故發(fā)生時，及時掌握井下人員的分布情況，對于指揮搶險救災、盡可能減少災害損失和人員傷亡具有十分重要的意義，因此建立以災害預防、事故救助、電子信息化管理為主要目標的井下人員定位系統(tǒng)勢在必行。

    近兩年隨著對無線傳感網(wǎng)絡的廣泛應用，國內各高校及科研院所對基于無線傳感網(wǎng)絡的煤礦井下人員定位技術進行了深入的研究。基于Zigbee 技術架構的無線傳感網(wǎng)絡具有自組織、低功耗、廉價、可快速部署和可擴張性強等優(yōu)點，非常適合在特殊時刻、特殊環(huán)境中快速構建信息基礎設施。Zigbee作為一種低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信新技術，在煤礦安全生中中已有初步應用。采用Zigbee 技術實現(xiàn)煤礦井下人員定位，可消除地面管理人員對井下作業(yè)人員視野盲區(qū)，提高對井下作業(yè)人員的有效監(jiān)控和調度，增強礦井災害發(fā)生時井下作業(yè)人員的快速反應能力，以改善煤礦的安全生產和管理。

    1 系統(tǒng)架構

    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、人員定位終端設備。井上監(jiān)控中心通過LAN 連接到井下中心站，井下中心站通過無線網(wǎng)絡與井下各定位基站通訊，定位基站與人員定位終端進行無線網(wǎng)絡通訊建立數(shù)據(jù)連接，架構底層的無線數(shù)據(jù)通訊平臺，系統(tǒng)結構示意圖如圖1 所示。

    井上管理人員在監(jiān)控中心通過監(jiān)控定位軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對井下人員分布情況的實時顯示，及時準確掌握井下人員分布及作業(yè)情況，并可根據(jù)監(jiān)測情況向井下人員發(fā)送預警信息。井上定位軟件系統(tǒng)采由以下幾個子系統(tǒng)組成: 人員定位子系統(tǒng)、井下環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、地面預警子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)。人員定位子系統(tǒng)通過收集井下各定位基站( 信標節(jié)點) 獲取井下人員定位終端與各信標節(jié)點的通訊的信號強度( RSSI) ，采用質心算法計算井下人員與信標節(jié)點的距離，實現(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)測子系統(tǒng)，通過采集井下定位基站的瓦斯、溫度、濕度傳感器的信息，實現(xiàn)對井下工況的監(jiān)測。地面預警子系統(tǒng)根據(jù)采集的井下工況信息判斷是否要做出預警處理，在監(jiān)控中心顯示出險位置的同時，根據(jù)出險位置將預警信息通過井下定位基站及時傳遞到井下人員定位終端設備進行預警提示，以便相關人員及時撤離，并采取相應的減災處置。通信子系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控中心與井下中心站的數(shù)據(jù)通訊，并通過井下中心站可以實現(xiàn)對各個井下定位基站及井下人員定位終端設數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對下井人員信息的管理、井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、預警信息的管理、并提供系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢、備份功能。

    井下定位基站是一個完全功能設備( FFD) ，F(xiàn)FD 節(jié)點，支持網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)采集功能，可與其他FFD 節(jié)點通信也可與RFD 節(jié)點通信，負責構建井下無線通訊網(wǎng)絡，每2 s 發(fā)送一次廣播信息，與附件的人員定位終端設備建立無線通訊鏈路，以實現(xiàn)人員定位。井下定位基站部署在礦井巷道及工作面，可視關系的節(jié)點之間間距200 m 以內，工作面附件的節(jié)點間距不超過50 m。井下定位基站采用JENNIC － 5139 模塊作為節(jié)點控制與通訊的核心單元，其工作電壓3 V，無線通訊時工作電流37 mA，休眠狀態(tài)電流為2． 6 μA，模塊內嵌Zigbee 無線通訊協(xié)議，支持無線傳感網(wǎng)絡通訊，采用32 位的RISC CPU，內部集成了96 KB RAM、192KB ROM、4個12 位的ADC，用于檢測井下瓦斯和濕度，電壓檢測傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的監(jiān)測，環(huán)境溫度檢測由模塊內的溫度傳感器實現(xiàn)，根據(jù)溫度實現(xiàn)對瓦斯和濕度傳感器檢測參數(shù)的動態(tài)補償，提高檢測精度、2 個UART 可在中心站構建CAN 總線接口，作為備用的通訊通道。JENNIC － 5139 功能強大，便于擴展。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，當沒有外部輔助電源時，由電池供電，但外接輔助電源時，由外部電源供電，同時為電池充電。井下定位基站的系統(tǒng)結構如圖2 所示。 

    人員定位終端設備是簡單功能設備( RFD) ，安裝在礦工安全帽上，發(fā)送當前礦工的位置信息，并提供聲光報警功能。其核心模塊也采用JENNIC －5139 實現(xiàn)，每一個終端采用電池供電，分配一個唯一的ID 作為身份識別標識，通過與井下定位基站這些信標節(jié)點通訊，確定人員所在位置。RFD 終端有一個按鍵可以發(fā)送求救信息，還有LED 預警燈和蜂鳴預警器，在井上監(jiān)控中心發(fā)出預警信號時，可以實現(xiàn)聲光預警。

    2 定位算法設計與實現(xiàn)

    煤礦井下人員定位具有其特殊性，無線傳感網(wǎng)絡中各節(jié)點( FFD，RFD) 受到資源有限、隨機部署、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、分布式計算等要求。

    實現(xiàn)一個未知節(jié)點的定位基本步驟是距離測量( 未知節(jié)點到定標節(jié)點) 、坐標計算。距離測量常用的方法為: TOA( Time of Arrival) ，通過計算信號傳播時間進行距離測量、TDOA( Time Difference of Arrival)通過記錄不同信號傳播的時間差測距; RSSI( Received Signal Strength Indicator) 接受信號強度測距; AOA( Angle of Arrival) 通過信號傳播角度實現(xiàn)距離測量。該系統(tǒng)采用JENNIC － 5139 模塊，只有RSSI測距法不需要額外的硬件，但基于信號強調的測距法容易受信號多徑、反射等情況的干擾，降低測量精度。坐標計算定位算法: 有三角定位法、三邊定位法、最大似然估計法、質心法等。如果直接使用上述定位算法基于RSSI 測距進行定位，無法得到滿意的測量精度。該系統(tǒng)的定位機制是建立全巷道RSSI數(shù)據(jù)庫的方式測距和質心算法混合機制實現(xiàn)人員定位。 

    此算法的運算前2 個步驟，定標節(jié)點搜索及信號強度排序工作由在井下定位基站實現(xiàn)并將運算結果上傳到井上監(jiān)控中心，求均方差和求質心節(jié)點即定位人員坐標，由井上監(jiān)控中心的計算機完成。這樣分布式運算的優(yōu)點是減少網(wǎng)絡通信量，充分發(fā)揮井下定位基站運算功能。這種混合定位機制方法的精度取決于離散數(shù)據(jù)庫建立時的測量精度，要提高精度可以通過縮短測量間距實現(xiàn)。不足之處在于煤礦井下工作面是不斷的擴展，而此定位算法要預先建立位置和信號強度關系數(shù)據(jù)庫，因此必須及時對數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)更新。

    3 結語

    基于無線傳感網(wǎng)絡的煤礦井下人員定位系統(tǒng)在河南省新密市景崗煤礦進行了井下測試，該定位系統(tǒng)能夠及時、準確的將井下各個區(qū)域人員的動態(tài)情況及礦井的環(huán)境參數(shù)反映到地面監(jiān)控中心的計算機系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員的分布情況和每個礦工的運動軌跡，系統(tǒng)定位精度在1 m 以內。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，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率，大大提高煤礦企業(yè)的安全生產和管理水平。