一種基於人員定位的礦井綜合通信係統
摘 要:針對目前礦井井下通信係統功能不完善，技術與實現複雜的現狀，提出了一種基於井下人員定位的綜合通信監控係統。詳細介紹了定位原理與具體實現過程，給出了係統中關鍵設備基站(BS)與人載通信器的結構原理圖，並對綜合通信與監控功能的實現進行了03manbetx
，最後給出了CMC管理軟件的係統功能框圖。
關鍵詞:人員定位;基站;人載通信器;通信係統
1礦井井下通信係統組網現狀
井下通信係統在礦山工程中有著重要的作用。它可以完成地麵控製中心與井下員工的實時通信，或者對井下的一些重要設備進行實時監控。目前，常見的井下通信係統主要有有線傳輸調度電話係統、架線電機車載波電話係統、感應通信係統及近幾年發展起來的漏泄通信係統。由於井下惡劣的通信環境，特別是嚴重的噪聲幹擾和電波衰落，嚴重影響了通信係統的實際應用。目前井下通信係統的功能比較單一，可擴展性較差，不利於大規模礦山應用。井下多功能綜合通信係統特別是無線移動通信係統對礦山工程的生產與管理意義重大，但目前沒有較成熟的產品，因而其發展空間廣闊。
2一種基於井下人員定位的綜合通信係統組網方案
2. 1係統設計功能與要求
本方案的主要目的是對井下人員進行定位，並通過基站實現地麵控製管理中心與井下員工的實時通信。除此以外，該方案還具有實時監測井下重要儀器設備的功能。03manbetx
表明，該綜合通信係統具有設備與施工簡單，成本造價較低，實用功能較強等特點。係統采用無線與有線相結合的方式，具有良好的可擴展性，可應用於大中型煤礦井下人員的定位管理與設備檢測管理
(1)任務與要求:①對礦井下的員工進行定位，並進行相關信息統計。能夠實時地監控井下員工的具體位置(誤差範圍內);能夠進行員工下井考勤與相應時間、地點的統計(包括何時下井，何時離井，具體位置等)。②可對某些井下重要儀器設備或重要區域進行實時監控。不需要工作人員實地看管，可將設備運行狀態的實時數據及時反饋至控製中心，以便進行提前故障預測與檢修。③實現地麵控製中心與井下員工的簡單雙向通信(數據或語音)。主要用於通告員工對儀器設備的實時維護與緊急情況下互相通信。
(2)主要設計參數如下:①網絡規模大小約為10km;②基站BS總數量約為1 000個;③無線通信距離為30m-50m;④基站BS間距為50m-80m;⑤通信器移動速度為0-5m /s。
(3)設計注意事項:①井下信號的衰減較大，要合理地設置基站的發射功率與基站間的距離。②信號傳感源密集區(儀器設備密集區)要設置相應基站，便於鋪設傳感線路。③基站設置要重點考慮可能的員工密集區和信號衰減嚴重區域(如十字路口處)。
2. 2係統整體設計方案
通信定位係統主要由地麵控製中心CMC( Control Management Center)、井下基站(Base Station)以及人載通信器(Comm unicator)組成。CMC負責整個通信定位係統的管理與控製，通過地麵管理中心可以對井下人員以及相應設備進行實時的監控。CMC任務可由一台多功能計算機並配有相應數據庫管理軟件完成。BS為整個通信定位係統的關鍵部分，負責多項功能。主要有:人載通信器周期性信號的檢測(用於人員定位);儀器設備或其他傳感信號的采集與初步處理;地麵控製中心與井下人員的雙工通信。人載通信器用於完成井下員工與地麵的通信，並通過發射周期性Hello報文來確定井下人員位置。
礦井剖麵圖如圖1所示。BS( Base Station，基站)采用懸掛式裝置置於井下通道壁上，BS位置固定，通過有線電纜與地麵控製中心CMC相連接。BS分布於整個礦井中，負責對井下人員的身份、位置、時間進行鑒別定位。Ci為人載通信器，即井下人員的具體位置。Ci可處於靜止或運動狀態，移動速度一般小於3m /s－5m /s。
通信係統采用集中式控製，便於生產管理與整體調度。BS與CMC可采用井下已有的通信電纜進行連接，不需額外鋪設架線。傳感器可將采集到的傳感信號通過短距離有線媒體接入BS。由於井下傳感源數量有限，而且布置BS時已考慮傳感信號源的分布，所以傳感器接入線路距離較短。傳感信號帶寬需求較小，普通有線傳輸媒體即可滿足需求，使得整個傳感接入線路代價較小，可根據需要臨時鋪設。
煤礦礦井可以看作線型通道，BS采用懸掛式結構安裝在通道牆壁。人載通信器Ci的最大發射功率與基站BS相同，保證井下任何位置由人載通信器所發出的信號都可以被附近至少一個基站BS接收到。通過圖1可以看出，合理的設置BS間距離可以使得基站信號既能覆蓋整個礦井通道，又不會造成太大的信號重疊;既節省了發射功率，又降低了無線信號間的同頻幹擾，增加了無線帶寬利用率。對於人載通信器Ci，最多隻有兩個BS同時檢測到某個Ci發出的周期性Hello報文，既節省了發射功率，又方便於井下定位的計算。整個係統的設計兼顧了實用性、經濟性和技術可行性要求。
2. 3井下人員定位原理
我們采用信號強度檢測法對井下員工進行位置定位。基站BS實時的檢測周期性人載通信器發出的Hello報文，並將檢測到的報文信號強度和報文信息傳給地麵控製中心CMC,CMC根據收到的信息來進行井下人員的位置定位。
定位原理:
CMC為每個 BS設置具體的位置序列號，該序列號對應礦井下具體的地理位置。每個人載通信器Ci設有不同的身份認證序列號，分別對應不同的員工信息。Ci周期性的發送Hello數據包，該數據包為一種握手信息，隻包含Ci的身份認證信息。BS實時的接收來自Ci的Hello報文，對收到的信息包進行電平大小和身份認證信息檢測，並將結果實時地傳給地麵控製中心CMC。 CMC通過不同的BS序列號值和Hello信號強度(電平值)可確定出信號的具體位置來源，通過對信號中認證信息的03manbetx
可確定發出該信號的人員信息，從而可以實時地檢測每個員工井下的具體位置。多個相鄰BS接收到含有同一身份認證信息的Hello報文時，CM C通過比較不同BS接收的Hello報文信號強度來確定該報文發出的具體位置。
設井下某段通道信號衰落成均勻分布(在某段通道內可以近似)，則可使該段內任意兩相鄰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Ci無線信號的最大傳輸距離來設置兩BS間距的大小，使Ci信號的最大傳輸距離略大於BS間距的一半(如0.6倍BS間距)。
對C1,C2兩個節點，BS2可以檢測到它們的周期性Hello信息包，其他BS由於距離這兩個節點較遠，則無法檢測到C1與C2發出的周期性信息。CM C可以接收到t0時刻由BS2傳來的信息(包含電平值大小和Ci的身份認證信息)，據此可以判定出在t0時刻C1與C2皆在BS2附近。BS2在井下的位置固定，C1,C2對應不同的井下人員，所以CM C可以知道t0時刻這兩名井下員工的具體位置。對C3節點，由於處於BS2與BS3的中間位置，CMC可以同時收到來自這兩個基站接入點的信號，從而判定出該節點位於BS2與BS3基站之間(此時信號電平值較小)。C4發出的周期性信息也同時被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位於靠近基站BS3的地方。
這裏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。但是通過比較信號強度，可以使該誤差遠小於二分之一倍BS間距。該方案中BS間距約為50m－100m，故誤差在幾米範圍內，這對一個數十公裏的大型礦井井下員工位置的定位是有意義的。
2. 4結構原理框圖
以上從整體結構討論了該係統的構成與定位原理。為保證一般性，我們對具體芯片型號與參數不作要求，具體應用中可以根據實際情況選用不同的通信器件與芯片。
2.5設備監控與傳感信號采集
該通信係統除了完成井下人員定位功能之外，還具有對井下重要設備進行監控和對感應信號源進行信號采集的功能。
設備監控功能可實現地麵控製中心對井下一些重要設備的運行狀態進行實時監控，及時地預測設備可能出現的故障，便於井下人員的維護。該功能的實現需要輔以設備檢測裝置，BS可以通過數據線路時接收來自設備檢測儀器的信號，並將數據傳給地麵控製中心CMC進行數據03manbetx
處理，完成實時監控的目的。
通過傳感器可以對井下某些特殊區域進行傳感信號的收集。不同的傳感信號可以通過不同的傳感器進行收集，如溫度、壓強、甲烷含量等傳感信號。傳感器可將獲得的信號傳送至附近基站，然後進一步傳至地麵控製中心進行處理。通過得到的傳感數據可實時對井下特殊地理區域進行檢測。
此外，對檢測到可能出現的02manbetx.com
或設備故障可以通過基站的報警裝置和顯示屏(圖4)，進行實時實地的預報，以滿足礦井安全生產需要。
2.6 CMC與井下員工的雙工通信
係統所實現的另一個功能就是通過人載通信器與基站BS實現地麵控製管理中心與井下員工的實時通信。井下雙工通信在安全生產，井下人員管理等方麵都有重要作用。目前已有許多專門的井下通信係統用於實現地麵控製中心與井下人員的實時通信，由於井下無線環境惡劣，特別是通道拐角處信號衰減很大，使得無線通信效果較差。專門鋪設通信電纜代價較大，而且有線通信對員工的移動性也提出了限製，因此也不利於井下通信_
通過在人載通信器中設置語音輸入電路和語音信號發生器(圖5)，可以方便地完成地麵控製中心CMC與井下員工的實時語音通信。信號通過基站BS進行傳輸，由於無線傳輸距離短，因此大大降低了信號衰減對通信的影響。此外，還可以通過鍵盤輸入和液晶顯示屏完成與地麵的數據通信功能。
2.7 CMC的軟件討論
由於管理軟件設計的靈活性與多樣性，本文不對軟件的具體設計進行深入討論，但作為整體通信管理係統的一部分，軟件的設計具有重要地位。不失一般性，圖6給出地麵管理控製中心的軟件管理係統的參考結構框圖。
3結束語
礦井井下通信係統對礦業安全生產與管理意義重大。礦井井下地形複雜，無線信號衰減嚴重，有線電纜鋪設困難而且造價高，使得目前大多井下通信係統不僅功能簡單，而且技術複雜，造價較高，不能較好地應用於實際生產過程中。基於人員定位的礦井井下綜合通信係統通過有線與無線結合的方式，采用信號強度檢測的方法，可以實現地麵控製中心對井下人員的實時通信與位置監測。通過傳感設備還可以實現對井下重要儀器設備進行實時監控和故障預報。整個通信係統各功能實現獨立，方便實際應用與功能擴展，具有廣泛的推廣應用價值。
