煤矿井下人员定位管理系统技术探析

摘要：煤矿井下环境恶劣，存在较多的安全隐患，为保障井下人员的安全，需要加强安全管理。定位管理系统可以为煤矿安全管理提供有力支持，借助该系统，不仅能够实现煤矿井下人员的考勤管理，而且还能对其进行实时定位。为进一步优化和完善定位管理系统的功能，应把握关键技术，加强系统改进，提升系统应用效果，助力煤矿安全生产。基于此，就煤矿井下人员定位管理系统关键技术进行探究，仅供大家参考。

关键词：管理系统；煤矿；人员定位；关键技术

0引言

定位管理系统可以为煤矿安全管理提供有力支持，但目前市场上的人员定位系统仍存在一定的问题和不足，例如标识卡及功耗大等方面的问题，读卡器的抗干扰能力难以满足煤矿安全管理需求，这会给煤矿安全管理带来不利影响[1]。针对这种情况，应结合煤矿井下安全管理需求，根据无线电波传输特性，加强关键技术研究，推动技术水平的提升，增强定位管理系统的完善性，保障煤矿安全管理的成效。

1读卡器与标示卡的设计原理

读卡器与标示卡之间信息交换过程中，需要借助数据无线传输的方式实现，而巷道空间则是其传输路径[2]。巷道空间具有一定的复杂性和特殊性，因此会对数据传输的质量产生一定影响，同时也会影响到定位管理系统功能的发挥。在读卡器与标示卡设计过程中，应全面分析巷道内的无线通讯环境，以便保证设计效果。

1.1煤矿井下无线通讯特点

1.1.1频率对无线传输的影响。煤矿井下环境复杂、恶劣，不仅湿度和温度变化大，而且灰尘多。受此影响，使得标示卡往往难以保持清洁。另外，煤矿井下环境相对更加封闭，导致无线电波在不同的频段衰减情况存在一定的差异（如表1所示）。1.1.2巷道截面对无线传输的影响。巷道截面等效半径与波长之间的比值，是影响矿井无线传输的主要因素之一。比值与衰减之间成反比例关系，即随着比值的增大，传输衰减则越小[3]。另外，在巷道截面等效半径与波长相差在10倍范围内时，巷道截面尺寸对无线传输所产生的影响最大，如果二者相差较大时，则这种影响会随之降低。通常情况下，巷道截面面积多处在几平方米至十几平方米面范围之内，因此其对微波品以及中频的影响相对较小，但是对高频、甚高频以及特高频的影响则相对更大。1.1.3接收点有用信号微弱。天线发射效率低，巷道表面粗糙，并且巷道中存在大量的不规则物体，巷道空间相对密封性强，电磁波传播速度变化频率高。受以上因素的影响，导致接收点的有用信号微弱，因此煤矿井下通讯的难度巨大。除此之外，井下环境空间小，并且生产作业过程中会涉及到大量的机械设备应用，所应用的机械设备功率较大。这必然会给通信设备造成严重的干扰，进而导致接收点有用信号微弱。

1.2频段选择

频率是影响井下无线传输的主要因素之一，但是在甚高频、特高频和微波频段，随着频率增大则这种影响会逐渐变小。在频率增大的情况下，电磁波的衰减也会随之减小。除此之外，井下无线传输还会受到巷道截面的影响。为了将电磁波衰减减小，应选用2.4GHz的频段进行设计。

1.3调制技术

在信道容量一定的情况下，信噪比可以与宽带进行互换，因此提高信噪比同样也能达到增加信道容量的目的。通过提高信噪比，能够使标示卡与读卡器之间的无线传输距离更长。通过对比分析发现2.4GHz频段的信号频带带宽为1MHz，可以对信号衰减起到有效的弥补作用。另外，在信号传输过程中，首先借助功率放大器来讲信号放大，然后在通过天线发射放大后的信号。而在读卡器接收到信号之后，再进行数据还原。通过这种方式进行信号传输，不仅能够提升定位管理系统的抗干扰能力，而且还能够及时发现数据传输错误等问题，更好的保障数据传输效率和质量。

1.4防碰撞算法

在多个标签同时发送数据的情况下，便会发生碰撞问题，发生碰撞问题会直接导致传输失败。为了避免出现类似情况，应合理设计防碰撞算法。防碰撞算法主要包括固定帧时隙ALOHA算法以及动态帧时隙ALOHA算法。以固定帧时隙ALOHA算法为例，其中的“帧”包含着若干时隙，是指一段时间长度，而时隙则是指标识卡发送标识信息的时间长度。之所以会出现碰撞问题，是因为标示卡被随机分配到一个时隙应答，当一个时隙中分配到标示卡时就会产生碰撞。这种算法在标识卡少于固定时隙数时，则会出现大量的空闲时隙，进而导致资源利用率降低。反之，如果标识卡多余固定时隙数，则容易发生碰撞。由此可见，这种防碰撞算法缺乏科学性，应用效果不佳。因此，应更多的采用动态帧时隙ALOHA算法，这种算法的特点体现在每帧时隙数都会结合标识卡数量进行变化，能够更好的规避碰撞问题。

1.5天线设计

在无线信息传输过程中，需要借助天线这一载体才能实现，天线设计效果是影响出现传输能力的关键。另外，由于煤矿井下空间较小，因此天线设计应在保证无线信息传输质量和效果的基础上，不断朝着小型化的方向发展。其中，标识卡应设计为λ/4单级印制天线设计，读卡器则应采用微带贴片天线。这种设计方式，既能提升读卡器的抗干扰能力，同时也能促进标识卡小型化的发展。以微带贴片天线为例，这种天线不仅重量轻、体积小，而且还具有剖面低的特点，并且能够实现线极化以及园极化。这些使得微带天线的应用非常广泛。

2煤矿井下人员定位管理系统

2.1系统结构

煤矿井下人员定位管理系统是煤矿安全生产综合监控系统的子系统之一，对于提升煤矿安全管理水平和成效，以及落实煤矿安全生产等具有十分重要额定意义。人员定位管理系统结构不仅包括标识卡以及读卡器，同时还包括地面中心站以及人员定位分站等。详见图1、图2所示。2.1.1地面监控中心。地面监控中心是人员定位管理系统结构的重要组成部分，主要由主控计算机以及以太网交换机等构成。地面监控中心不仅能够储存与处理井下人员信息，同时还能自动储存与处理井下人员分布相关信息，可以为入井检测管理工作提供有力支持。另外，地面监控中心还具备数据备份和恢复功能，可以更好的保障数据信息的安全性。其中，监控主机负责具体的操作，并且采集井下人员相关信息，而其他计算机虽然不能进行命令操作，但是可以显示监控画面，同时也能呈现相关数据信息等。2.1.2有线数据传输平台。为提升线路的容错通讯能力，应将双环自愈式通讯网络作为地面监控中心与井下防爆交换机连接的光纤，借助自愈是通讯网络，能够更好的保障信息系的传输效果和效率，确保地面监控中心能够及时掌握和了解井下人员的相关信息。除此之外，还应将半双工的RS485作为井下交换机与井下定位分站之间的通讯方式。为保证人员定位分站作用的发挥，需要为其配备不间断的专用防爆电源。人员定位分站，一方面要接收入井人员信息，另一方面还需要负责将信息上传至地面监控中心。如果二者的通讯不畅或者通讯中断，导致信息无法及时上传，则人员定位分站会自动储存相关信息，待与地面监控中心的通讯恢复之后再上传，确保信数据信息的完整性。2.1.3无线信息采集系统。在煤矿井下人员定位管理系统中，无线信息采集系统则是其核心部分，该系统主要由读卡器以及标识卡构成，并且读卡器以及标识卡的功能，读卡器以及标识卡与井下环境的适应性等会对人员定位系统产生重要影响。

2.2煤矿井下人员定位管理系统功能

2.2.1采集功能。由人员定位分站对相应范围内的井下人员以及井下人员位置信息进行采集，并将采集到的信息实时向管理计算机传输。实现井下人员信息的采集与传输。2.2.2考勤。借助人员定位分站，对井下人员进行考勤。人员定位分站能够对入井和出井的卡号信息进行收集，进而掌握与卡号对应人员的入井和出井情况，同时还能记录下人员入井和出井的时间信息。另外，还可以将收集的信息传输至考勤管理系统，由考勤管理系统进行信息处理，提升考勤管理的自动化水平。管理人员可以借助系统直接查询考勤信息，并且能够将所需信息打印输出。因此煤矿井下人员定位管理系统可以为考勤管理提供有力的支持。2.2.3储存、查询和打印。标识卡中的信息可以通过计算机进行实时储存，记录历史数据信息，通常情况下，计算机能够记录下标识卡1年以上时间的相关信息，有助于提升相关信息的利用率。通过计算机便可以直接对标识卡中的信息进行查询，同时也可以将所需信息进行打印输出。2.2.4人机对话。人机对话也是人员定位管理系统的主要功能之一，人机对话增加了人机之间的互动，极大的提升了人员定位系统应用的便捷性。例如，借助软件管理功能，可以直接调用菜单，同时也可以直接对菜单进行打印输出。除此之外，还可以设置人员定位分站的地址码以及安装地点等。2.2.5备用电源。无论是地面监控中心，还是井下人员定位分站，为保证井下人员定位管理系统运行的稳定性，均需要设置备用电源，以便在主电源缺失的情况下保证系统的正常运行。备用电源需要确保在主电源缺失的情况下，为系统提供2小时以上供电的能力，并且在主电源恢复时，备用电源及时退出，人员定位管理系统依然借助主电源运行。2.2.6主机与备机相结合。与设置备用电源的目的相同，采用主机与备机结合的方式也有助于保障系统运行的稳定性。借助一主机一备机的方式，实现主机与备机的切换。在启动后，备机处于待机状态，而在主机运行不畅或者出现故障的情况下，则可以切换备机来保障系统运行。

3结语

井下环境恶劣，作业强度大，存在较多安全隐患，因此加强安全管理至关重要。煤矿井下人员定位管理系统能够为安全管理提供有力支持，相关企业应把握其关键技术，不断对系统进行优化改进，提升系统性能，助力煤矿安全生产。

参考文献

[1]孙继平,李晨鑫.基于TOA技术的煤矿井下人员定位精度评价方法[J].煤炭科学技术,2014,42(3):66-68+72.

[2]刘焱,刘传文,黄小民.浅谈KJ277井下人员定位管理系统在煤矿的应用[J].科技信息,2010(35):1196.

[3]伍锦鹏,朱义城,何福军,等.地铁工程中井下通信定位管理系统的设计与应用[J].建筑技术,2017,48(6):625-627.

[4]李德媛,邢素堂,周林春.煤矿井下人员定位系统技术现状及发展趋势[J].中国高新科技,2021(15):62-63+65.

作者:张茜茜 单位:山西焦煤山煤国际经坊煤业有限公司