井下人员定位系统技术发展现状研究

第一节 井下人员定位系统国外技术现状

1990年8月美国安菲斯公司利用超低信号的穿透力研制开发的可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统（PED，即PersonalEmergencyDevice系统），该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。这些警告信息由矿井工作人员预先制定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将警告发送给井下全部或相应的工作人员。任意井下人员可以通过PED系统与其他工作人员进行通讯。呼叫人在接通PED通话系统后，数字化的声音将提示呼叫人输入他要呼叫的PED接收机代码和电话分机的号码。在通话结束后，信息将会生成并传达给呼叫之人。

随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下安全生产监控系统中。澳大利亚芒特艾萨矿用公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带。在南非的德里方丹矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统。这个系统试用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。

第二节 井下人员定位系统国内技术现状

一、技术发展分析

以RFID为核心的井下人员定位系统是现在的发展主流，但是对于在精确定位上RFID仍存在许多不足之处，因此FRID技术和GIS技术的结合为实现井下人员精确定位提供很好的技术支持。随着WIFI技术的不断成熟，手机定位逐渐成为了井下定位系统的主流，WIFI手机良好的通讯效果以及基站的灵敏识别使得人员定位系统更加精确。MESH网络在不久的将来也将应用在井下人员定位系统，使得定位系统更有效的服务于井下矿业安全生产。

二、主要技术工艺流程或特点

（一）基于RFID的定位系统

1、RFID技术

射频识别技术(RFID，即RadioFrequencyIdentification)是从20世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同状态(移动或静止)下的识别和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术不同的是RFID系统的射频识别卡和读卡器之间不用接触就可完成识别。它具有以下特点：

(1)操作方便，工作距离长，可以实现对移动目标的识别；

(2)无硬件接触，避免了因机械接触而产生的各种故障，使用寿命长；

(3)射频识别卡无外露金属触点，整个卡片完全密封，具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电性能，适合在恶劣环境条件下工作；

(4)对无线传输的数据都经过随机序列的加密，并有完善、保密的通信协议。卡内序列号是唯一的，制造商在卡出厂前已将此序号固化，安全性高；

(5)卡内具有防碰撞机制，可同时对多个移动目标进行识别；

(6)信号的穿透能力强(可穿透墙壁、路面、衣物、人等)，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。

2、系统功能

典型的射频识别系统主要包括两个部分：射频识别卡和读卡器。系统通过井下放置的各个读卡器来读取为井下人员配发的唯一识别卡信息，并对信息进行上传处理从而完成对井下人员的定位。

当下井人员进入井下以后，只要通过或接近放置在坑道内的任何一个读卡器，读卡器即会马上感应到信号同时立即上传到控制中心的计算机上，计算机马上就可判断出具体信息，同时把它显示在控制中心的大屏幕或电脑显示屏上并做好备份，管理者也可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计显示出来。同时控制中心的计算机会根据一段时间的人员出入信息整理出这一时期的每个下井人员的各种出勤报表。如出勤率、总出勤时间、迟到/早退记录、未出勤时间等。另外一旦井下发生事故，可根据电脑中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况，在事故处确定人员位置，以便营救人员以准确快速的方式营救出被困人员。

（二）基于WIFI的定位系统

1、WIFI技术

WIFI全称WirelessFidelity，采用802.11a/b/g标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的多种设备兼容。

其优点主要体现在以下方面：

(1)无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右(约合15m)，而WIFI的半径则可达100m。

(2)WIFI手机的无线通信质量非常好，就是在嘈杂的环境下，也能有很好的过滤功能。

(3)WIFI技术传输速度非常快，可以达到11Mbps，符合个人和社会信息化的需求。

(4)WIFI手机通过TCP/IP协议进行数据交换，在网络上的工作效率更高。

2、系统功能

利用井下以太网络，在井下设立若干基站，通过无线网络覆盖井下巷道，利用WIFI手机、固定电话等终端设备来进行通讯，从而实现井上与井下的语音调度以及井下对井上、井下对井下之间的信息反馈。为生产调度、应急救援、安全监控等提供可靠的依据。

（三）GIS结合的定位系统

1、GIS技术

地理信息系统(GIS，GeographicInformationSystem)是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人、企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

2、系统功能

(1)通过基于GIS技术的地理信息实时显示、查询井下情况。主要内容是任一时间井下或某个地点究竟有多少人，这些人都是谁?每个人在井下任一时间的活动轨迹；查询一个或多个人员现在的实际位置，方便调度中心可快速正确地用电话联系该人员；查询有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员。如瓦斯检测人员、温度检测人员、通风人员等是否按时到地点进行各项数据的测试和处理，从根本上杜绝因人为因素而造成的相关事故；可实现多点共享，供多个领导同时在不同地点查看。

(2)了解井下人员每时每刻在巷道中的实时动态分布，并根据井下的实际地理情况制作相应的动态图，使井下情况一目了然。

（四）MESH技术

无线MESH网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线MESH网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：

(1)无论固定组网还是移动组网，都能够迅速按需形成任意拓扑；

(2)拓扑遭遇节点高速、高频变换时，无线网状网能够自动调整拓扑并维持连接；

(3)能够采用灵活的多跳传输，可随需扩展，非常适合有线不方便或成本很高的场合；

基于无线MESH网络结构的以上优点和煤矿井下环境恶劣、组网复杂等特殊条件，无线MESH网络很适合在煤矿井下应用。

第三节 井下人员定位系统国内外技术趋势研究

井下人员定位系统的技术核心是井下通信技术，井下通信经历了有线通信和无线通信两个过程。随着信息化的发展，无线通信方式将越来越体现出它的优越之处。从射频识别技术到WIFI技术甚至到MESH网络在井下的应用都将为井下定位提供更可靠的技术支持。同时对于井下人员定位系统的上位显示也将逐步向GIS信息显示方向发展。井下无线通信的无缝连接以及上位系统的精确显示将是今后井下人员定位系统的发展方向。

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