2972.井下人员定位毕业论文

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1、目 录概 论- 1 -引 言- 3 -第1章 煤矿信息系统现状- 4 -第2章 RFID的简介- 6 -第3章 RFID应用系统的组成及工作原理- 8 -第1节 RFID应用系统的组成- 8 -第2节 RFID应用系统的工作原理- 9 -第3节 RFID应用系统的可行性分析- 10 -3.3.1频率的选择- 10 -3.3.2安全性分析- 11 -3.3.3设置可行性分析- 11 -3.3.4操作可行性分析- 11 -第4章 井下人员定位系统的设计- 11 -第1节 井下人员定位系统总体设计思路- 11 -4.1.1 井下人员定位系统工作原理- 12 -4.1.2 井下人员定位系统核心部件RF

2、ID监控节点- 13 -4.1.3 井下人员定位系统实现的主要功能- 13 -第2节 井下人员定位系统设计目标- 15 -第3节 井下人员定位系统设计原则- 15 -第4节 井下人员定位系统设计依据- 17 -第5节 井下人员定位系统设计特点- 18 -第6节 井下人员定位系统设计方案- 18 -4.6.1 系统具体方案- 18 -4.6.2系统设备- 19 -4.6.3 系统具体功能- 24 -4.6.4 系统详细布置- 26 -4.6.5 系统设备运行环境- 27 -第7节 井下人员定位系统管理软件- 27 -第8节 井下人员定位系统网络结构- 29 -第5章 井下人员定位系统的应用- 3

3、0 -第1节 管理方面的应用- 30 -第2节 巷道安全、统计考勤和设备管理方面的应用- 31 -第6章 总 结- 32 -参考文献- 33 -概 论煤炭作为基础能源，长期以来为我国的经济增长做出了巨大贡献，我国能源消耗的70%来自煤炭，在整个国民经济发展中一直占据着主导地位。但另一方面，由于煤炭工业本身的产业结构，其采矿设备装置、从业人员素质及科学技术水平等诸多方面与其他行业相比存在着巨大差距。特别是近年来，煤矿事故的数量不断增加，如何加强安全生产，提高搜救工作效率，摆到了国家,各级主管部门和领导的面前。发生这些特大事故的原因主要是：(1)地面与井下人员的信息沟通不及时； (2)地面人员难以

4、及时动态掌握井下人员的分布及作业情况,进行精确人员定位；(3)一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。为了维护煤矿安全生产，国家安监总局、国家煤监局等四部委出台了煤矿企业劳动定员管理的若干指导意见。意见规定，在煤矿生产过程中，矿井口要挂牌标明井下实际作业人数。这也是国家相关部门为了在一旦出现煤安事故好及时组织抢险的最低的技术措施底线。煤矿工人作业强度大，工作压力重，加上各种现实的因素存在，很难要求每个下井人员都自觉的在下井前进行身份签到，为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作

5、显得尤为重要和紧迫。面对新形势、新机遇和新挑战，国家各级主管部门的领导对安全生产工作提出了很高的要求和期望。同时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题。我们认为，建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行。十五期间，煤炭工业电子信息化建设在九五发展的基础上，围绕煤炭工业改革发展的战略任务，以信息和知识资源的开发利用为核心，结合煤炭工业实际需要，重点进行煤矿生产安全监测监控、自动控制与企业管理系统等方面的信息化建设工作，已纳入安全生产企业的经营管理日程。基于RFID(Radio Frequency

6、 Identification)技术的矿井人员井下定位管理系统，就可对煤矿入井人员进行实时监测，随时查看井下人数量。如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员情况、在软件中可显示被困人员数量，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利用系统的日常井下定位管理功能，对矿井人员进行井下定位管理。煤矿安全生产事关人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯高度重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。通过不断的努力，近一时期煤矿安全生产状况总体上趋于稳定好转，但由于基础薄弱等种种原因，煤矿安全生产状况仍然不容乐观。如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、

7、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题，因此建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行。煤矿井下人员定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。井下人员及设备定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等一体的综合性运用系统,集合了国内识别技术、传输技术、软件技术等最顶尖的产

8、品和技术，是目前国内技术最先进、运行最稳定、设计最专业化的井下人员定位系统。这一科技成果的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。在分析了井下无线资源特点的基础上，本文提出了采用915MHz的RFID(Radio Frequency Identification)技术进行矿井人员实时管理系统的开发。系统可以实现对井下人员进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。引 言目前国际上最先进

9、的RFID技术的井下定位系统。井下人员及设备定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率井下定位管理系统技术先进、设计合理、结构新颖、主要技术性能指标符合煤矿实际需要。该系统的成功推出必将为我国煤矿的安全生产和事故后的抢险救灾发挥积极作用。山西柳林煤矿有限公司位于柳林县城西北4km处屈家沟村，离吉公路横穿矿区，距孝柳铁

10、路青龙站和307国道仅4km，交通非常便利。该矿批采4、5号煤层，井田面积8.9446km2,4号煤层平均厚度3.80m，5号煤层平均厚度4.22m，均属全区可采煤层。煤层赋存平缓，结构较简单，顶底板岩性良好，煤层具有爆炸性，4、5号煤自然等级为二级，属自然煤层。矿井地质属一类，地质构造简单，水文地质类型为简单，局部为中等。煤层资源储量为79.11Mt,设计可采储量为24.44Mt，年产1.2 Mt/a。为了防止当瓦斯等地质灾害发生时能及时的保证井下作业人员的安全，提出了基于RFID的新型矿井人员定位跟踪管理系统，可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、

11、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利用系统的日常考勤管理功能，对矿井人员进行考勤管理。第1章 煤矿信息系统现状随着光纤，无线，IP等各类通信技术的广泛普及，企业对通信服务内容和质量的要求日益增高。煤矿行业用户不但希望得到优质的服务，同时更强烈要求一个安全、综合、方便维护、价格便宜、功能齐全的通信网络。在现有的煤矿中，主要包括以下信息系统：调度通信系统：主要用于井下和地面的语音通信，使用专门的调度交换机。井下使用大量的隔爆或本安电话机，容量小于200门；但有专门

12、的调度通信台；行政通信系统：主要用于地面的语音通信；也有调度交换和行政交换合一的产品； 井下无线通信系统：目前井下使用无线通信系统的矿井比较少，主要采用漏泄通信，也有部分煤矿采用了小灵通技术来实现井下移动通信。环境监测系统：实现对瓦斯、CO、风速等环境参数的监测，并能提供实时报警功能；设备监控系统：对机电设备、电力系统、管网等的监测监控；电视监控系统：实现对工作现场的图像监控；人员监测系统：目前主要使用的是无接触的读卡器技术，实现对下井人员的定位考勤、以及井下车辆的调度管理。目前煤矿对定位系统的需求日益强烈。经过多年的建设，目前国有大中型煤矿在技术装备水平上都有了较大的提高，建立起多套适合煤矿

13、需求的信息系统。但由于各系统在设计施工时“各自为政”，通讯线路重复投资、重复建设，造成线路管理维护的工作量很大，而且各系统的可靠性也不高。另外，由于各系统的信息不能互通，使信息资源无法得到有效利用。RFID是20世纪90年代兴起的一种非接触式的新型自动识别技术, 它利用无线传输方式进行双向数据通信, 进而达到自动识别并交换信息的目的。近年来, 自动识别技术得到了快速普及和推广, 自动识别方法多种多样: 条形码是一种应用广泛、廉价的自动识别术, 但条形码信息量小, 不能改写; 有触点排的IC卡是电子数据载体最普遍的结构, 但在许多情况下, 机械触点的接通是不可靠的;RFID却可以让物品实现真正的

14、自动化管理, 其优势非常明显: 存储信息量大, 每一个产品拥有独一无二的ID号; 读写不需要光源, 可以透过外部材料读取数据; 使用寿命长,能在恶劣环境下工作; 能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上; 读取距离更远, 可以写入及存取数据, 实现标签的内容动态改变; 能够同时处理多个标签; 标签的数据存取有密码保护, 安全性更高; 可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位。 第2章 RFID的简介RFID(Radio Frequency Identification)技术是直接继承了雷达的原理，并由此发展起来的一种新的自动识别技术。利用反射功率进行通信奠定了RFID的理论基础。RFID标

15、准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，规模应用行业不断扩大，特别是沃尔玛公司和美国军方的使用，极大地推动了RFID的研究与应用。在南非，RFID技术已成功用于矿井管理，成功解决了关于矿井考勤、防盗、安全等矿井管理存在的问题。在国内矿区管理与计算机结合的程度主要限于井上部分，包括日常的企业流程管理、财会管理、运输管理。煤矿井下管理仍以经验管理为核心，随着煤炭行业信息化和网络化的发展，大多数煤矿企业在生产的实际过程中基本都采用了各种各样的煤矿管理系统，并在实际应用中发挥了重要的作用。随着RFID技术的引进，国内煤矿也开始使用RFID技术进行管理也是一种射频识别技术，它是利用射频方式进

16、行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态(移动、静止)下的自动识别和定位。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。 射频卡是将几个主要模块集成到一块芯片中，芯片上有EEPROM用来储存识别码或其它数据。EEPROM容量从几比特到几万比特。芯片外围仅需连接天线(和电池)，完成与读写器的通信3。与条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比，射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点，可以作为人员的身份或货物的标识卡。读写器电磁波射频卡发射码图1 发射识别工作原理图在多

17、数RFID系统中，读写器在一定区域内发射电磁波(区域大小取决于工作频率和天线尺寸)。射频卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。当射频卡经过这个区域时，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，在电容上感应出电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。读写器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。第3章 RFID应用系统的组成及工作原理第1

18、节 RFID应用系统的组成(1) RFID电子标签。RFID电子标签能够贮存有关物体的数据信息(约1 kbits)。在自动识别管理系统中，每个RFID标签中保存着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡的视角。(2)读写器，用于识读及写入标签数据，其主要功能是:查阅RFID电子标签中当前贮存的数据信息;向空白RFID电子标签中写入预贮存的数据信息;修改(重新写入)RFI D电子标签中的数据信息;与后台管理计算机进行信息交互。(3)发送接收信号的天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据

19、的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。(4)通信网络系统。包括数据库服务器和其他信息系统。数据库服务器负责处理读写器传送过来的信息，并进行信息处理。将重要信息存储在数据库中。其他信息系统根据需要向读写器发送指令，对标签进行相应操作。(5)传输适配器。传输适配器安装在监控计算机旁边，作为数据传输接口，带有RS232RS485接口，可以连接4O个以上的监测点，实现20 km以内的远距离传输。根据巷道分布图布置监测点，各监测点通过矿用通讯电缆或光缆组网，与传输适配器连接，传输适配器通过RS232与监控计算机连接。最远端监测点距离传输适配器可达20 km。射频天线固定在巷道顶部，采用同

20、轴电缆与监测点连接，连接距离不大于10 m为佳。第2节 RFID应用系统的工作原理RFID技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。在RFID系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。阅读器向电子标签提供工作能量。当电子标签进入射频识别场时，阅读器发射出的射频波激活标签电路，相互作用，完成数据的交换。对于多标签同时识读来讲，可以采用阅读器先发的形式，也可以是标签先发的形式。为了实现多标签无冲突同时识读，对于阅读器先发的方式，阅读器先对一批标签发出隔离命令，使得阅读器识读范围内的多个电子标签被隔离，最后只

21、保留一个标签处于活动状态与阅读器建立无冲突的通信联系。通信结束后指令该标签进入体眠，指定一个新的标签执行无冲突通信指令。如此重复，完成多标签同时识读。对于标签先发的方式，标签随机地反复发送自己的识别ID，不同的标签可在不同的时间段被阅读器正确读取，完成多标签的同时识读。对于任何一只电子标签来讲，都具有唯一的ID号，这个ID号对于一只标签来讲，是不可更改的。在大多数应用场合，是通过运用后台数据库来支持标签的数据属性的。通常由电子标签与阅读器构成的识别系统是为应用服务的，应用的需求多种多样，各不相同。阅读器与应用系统之间的接口由开发工具调用的标准函数来表示。功能大致包含以下方面。应用系统根据需要向

22、阅读器发出配置命令和其他指令。阅读器向应用系统返回其当前的配置状态和各种指令的执行结果。第3节 RFID应用系统的可行性分析3.3.1频率的选择井下无线频带资源丰富，没有频带利用的限制，Tag和Reade:的可供选择的资源丰富。但是矿井巷道内情况十分复杂，巷道中有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等，巷道壁凹凸不平，巷道纵横交错、拐弯抹角。对平直隧道中，频率越高，越有利电磁波的传输，在弯曲隧道中，频率越高，越不利电磁波的传输。因此对于巷道中的无线通信，最佳频率在550 950 MHz，对于不同的传输距离，不同的巷道情况，最佳工作频率是不一样的。在生产实践中，要根据实际情况确定最佳工作频率。RF

23、ID从频率上可分为低频(125 KHz)、高频(13.56 MHz)、超高频(868-954 MHz，北美915MHz)以及微波(2 .45 GHz) 4种频率。低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，但是识别距离小于1 m，虽然具有良好的个体定位功能，如果要做到整个矿井的良好定位，就需要在井下布置大量的基站，投资很大，同时标签的防冲撞功能不好。高频标签属于中短距识别。2 .45 GHz微波，识别开阔场所达200 m，井下为100 m左右。但是距离太大就会失去定位的功能了，同时标签的防冲撞功能不好。所以本系统采用91

24、5 MHz的频段上RFI D技术，井下人员跟踪定位基站有效接收范围10 m，允许被测目标最大移动速度6 m/s，能够很好的实现定位;同时识别目标个数20个，防冲撞功能好;通讯方式采用 RS485，传输波特率为2 400 bps，能够实现矿井监控的目标。3.3.2安全性分析煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，无线通信设备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好、体积小、质量轻、成本低的本质安全型防爆措施，矿井的辐射电磁场环境应按2级中等电磁辐射环境考虑。并且矿井的瓦斯浓度在不同的位置和不同的时间会发生的变化。RFID采用射频识别技术，理论上不会对井下作业产生危险。在系统中Tag采用无缘芯片，Re

25、ader设计和封装时采取本质安全型防爆措施。3.3.3设置可行性分析矿井一般深度都在地下500 m以下。煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能方便的增加节点，会给系统的使用带来不便。因此Reade:与后台操作可采用现场总线方式连接，同时信息可利用现有的监控系统的线路进行传输。总线型网络结构，只需增加一段电缆和一个Reade:就可以增加一个节点，这使系统可以随着煤矿的开采不断的扩充。3.3.4操作可行性分析RFID的Tag携带方便、操作简单，Reade:可在10 m以内的距离实现对卡片的自动识别，符合井下作业设备力求简单、方便的要求。第4章 井下人员定位系统的设计第1节 井下人员定位系统总

26、体设计思路井下人员定位系统由井上与井下两部分设备组成。井上设备主要由监控中心(包括服务器)及共享网络终端等组成; 井下设备以CAN总线作为主传输途径, 开发相应的煤矿井下人员监控节点, 配合天线、电子标签、传输介质、中继器R等与监控中心挂接, 从而实现井下作业人员的定位和安全管理。系统主要用于井下人员和机车定位跟踪，由安装在安全帽上的Tag、矿井专用处理传输基站(包括天线和目标识别器)、数据传输接口、地面中心站软件组成。当人员经过井下巷道安装的发射天线工作区时，基站获取人员携带的标签信息，系统自动采集该人员经过的时间、地点信息，并传送到地面的管理数据库。地面中心站接收来自井下专用处理传输分站上

27、的编码信号，实现对井下人员和机车跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能。使管理人员能及时准确的查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和管理提高和优化煤矿的整体管理水平。4.1.1 井下人员定位系统工作原理定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作。在坑道、作业面的交叉道口安装监控节点, 入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带, 或佩戴装有电子标签的安全帽。RFID读写器地面监控计算机传输适配器射频读写器1器射频读写器2射频读写器n图2 井下人员定位系统组成图通过固定频率的射频载波向电子标签传送信号, 电子标签(工作人员随身佩戴)进入读写器的天线工作区域后被

28、激活, 并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去; 读写器天线接收到电子标签发来的射频信号, 经过处理后, 提取出个人信息, 通过现场总线送至井上监控中心, 记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息, 还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料, 提高管理效益。4.1.2 井下人员定位系统核心部件RFID监控节点RFID监控节点硬件设计。监控节点由读写器、微控制器(MCU) 、CAN节点组成。设计中读写器使用的射频芯片是R I - STU - 650A, 它具有抗干扰能力强、通信速率高、功耗低、性能稳定等优点。考虑到成本等方面的问题,设计时RF ID采用的工作频率为91

29、5MHz, 经过试验测试,证明在传输距离及数据可靠性等方面, 可以达到本系统的功能要求。读写器与微控制器89C51间利用SP I串行接口进行通信。CAN 节点由三部分所构成: 独立CAN 控制器SJA1000、CAN 驱动器82C250 和高速光电耦合器6N137,。为了增强CAN 节点的抗干扰能力, SJA1000并不是直接与82C250相连, 而是通过高速光耦6N137 与82C250相连, 这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。RFID监控节点软件设计。监控节点单片机软件设计是使用C51和汇编语言混合编程, 包括复位模块、防冲突模块、读写模块、通信模块, 其流程图见图3。当T

30、ag被验证为合法时, 读写器才正式读/写Tag数据, 经过信息处理之后, 由CAN总线上传到地面监控心。当Tag被验证为非法时, 读写器转到直接复位应答状态, 等待下次读写操作开始。4.1.3 井下人员定位系统实现的主要功能井下人员及设备定位系统是采用目前国际上最先进的RFID技术的井下定位系统。井下人员及设备定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相

31、应的救援措施，提高应急救援工作的效率。井下人员及设备定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等一体的综合性运用系统。也是国内技术最先进、运行最稳定、设计最专业化的井下定位系统。这一科技成果的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。利用RFID系统进行井下人员管理管理，可有效的改善不足、消除漏洞。工作人员将小标签（身份卡）放在身上的任何位置（口袋、提包都可），正常通过设有RFID设备的大门，系统都将自动记录下出入信息。一方面，对于管理人员来说，希望能够加强安全保卫工作，对人员进出进行有效管理，以防范安全事故的发生；另一方面，对于进出的人员来说，希望能

32、够减少繁复的手续，能够在合法的前提下进行快速、顺畅的通行。智能井下人员管理系统利用计算机和自动识别技术进行人员井下人员管理管理，可以有效的协调方便快捷的出入方式与严格的安全防范之间的矛盾，减少了对大楼的大门、工作室的人员进出的管理难度。利用智能井下人员管理系统，可以有效地记录持卡人通行的精确时间，并对没有卡片的人员进行报警处理；通过管理中心的主机系统可以实时监察所有在巷道内的人员名单；记录的进出时间信息可以同时用于一段时间内的安全检查，考勤管理以及其他一些应用。实时井下人员动态显示功能任一时间井下某个地点究竟有多少人，这些人的身份；查询一个或多个人员现在的井下实际位置；记录有关人员在任一地点的

33、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）是否按时、到点的进行实地查看，或进行各项数据的检测和处理，从根本上尽量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。丰富的地图功能具有放大、缩小、移动、标尺测距、视野控制、中心移动、土层控制、地图打印等功能。禁区报警功能对于指定的禁区，如果有人员进入，实时声音报警，并显示进入禁区的人员。人员轨迹查询可查找某个人在某个时间段内所经历的路径，并在图中画出线路轨迹。丰富的人员下井考勤能力可对出入井人员进行统计，实现下井人员考勤记录，建立人员出入井的各种信息报表（如：下井时间报表、出勤月报表

34、、加班报表、缺勤报表等等）。灾后急救信息一旦发生各类事故，上位机上立即能显示出事故地点的人员数量、人员信息，人员位置等信息，大大提高抢险效率和救护效果。第2节 井下人员定位系统设计目标使用先进的标准化网络设备，实现全面精确实时的人事井下定位管理要求终端设备直接连接到公司内部局域网，使得整个系统基于先进的网络结构，实现更多管理、 查询、 维护功能；网络断开时，井下定位终端机可完全单机运行，待网络恢复后可自动上传井下定位记录；整个管理系统包括井下定位管理、人事管理、卡片/指纹建档、记录查询、报表汇总等应用模块，能为公司在人事井下定位等日常管理方面进行全面的管理和服务； 井下定位软件允许集中授权、分

35、散管理；具有灵活、全面的报表系统，用户可自定义报表格式，适用于各种需求；有单独的报表显示出下井人员的详细信息、下井的时间、上井的时间。实时自动统计出下井人员的详细资料以及下井人员的日报表及月报表。一旦发生事故可即时显示出未上井人员的数量及资料。第3节 井下人员定位系统设计原则实现井下坑道作业面工作人员进出的有效识别，使系统管理充分体现人性化、信息化和高度自动化。为高级管理人员提供考勤作业、人员进出限制等多方面的信息查询。一旦发生安全事故，通过该系统立刻可以知道坑道作业面工作人员的数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。安全事故发生后，通过控制中心可查出被捆人员的基本情况，如位置、人数等，便

36、于救护工作的及时展开。系统设计的安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。(1)系统安全性利用光纤线路的无源特性和无源光功率分配器的灵活性，发挥光纤带宽的无限性、保密性和抗干扰性，建设一个满足煤矿未来通信带宽需求而且具有100线路安全的传输平台，取代目前煤矿井下所有的通信线路设施。一个统一的大平台，100的电气安全。(2)传输无源性系统的传输部分采用无源光纤综合布线系统，地面至井下的通讯主干线全部采用光纤和无源器件来完成，从根本上避免了线路故障可能带来的安全生产隐患。(3)业务安全性在本方案这个大平台下，井下信息点可灵活随意设置，网络易于规划，易于变更。同时所有信息点与地面光纤汇聚点形成一个闭环，

37、提供环保护倒换功能，使网络具有抗线路毁坏特征，从而保证大平台上所有业务的安全性。(4)技术先进性引入光纤线路高速大容量，无线语音数据，IP软交换，高速图象监控，移动定位等多种先进技术，建设一个具有现代化综合通信能力的煤矿通信系统。(5)设备可靠性井下设备均为低功耗本安型功能模块设计，设备技术成熟，可靠性极高。(6)投资经济性本系统满足煤矿现在和将来的全部通信需求，一套系统取代目前所有存在的各类单一系统，综合成本大大降低，也极大地降低了运营维护成本。具有极高地投资经济性。第4节 井下人员定位系统设计依据设计结合矿井实际提供先进、可靠、合理的煤矿井下人员定位系统，配备井下分站、传输电缆，并配备足够

38、的标识卡，确定合理的安装位置及定位方式，达到实时、准确定位的目的，并实现了系统的定位信息联网。提交了人员的具体位置及行进路线。煤矿安全规程煤矿设计规范智能调度室装备规范通用用电设备配电设计规范爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求职业安全健康管理体系指导意见和职业安全健康管理体系审核规范煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求爆炸性环境用防爆电气设备通用要求GA/T75 安全防范工程程序与要求MT209-1990 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求MT/T1007-2006 矿用信息传输接口MT 209 煤矿通信、检测、控制用电工产品通用技术条件GB 5080.

39、1-7 设备可靠性试验GB2887-2000 计算站场地技术要求GB191-2000 包装储运图示标志GB/T 9813-2000 微型计算机通用规范GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求GB3836.2-2000 爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”GB3836.4-2000 爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”MT209-1990 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求MT210-1990 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法MT/T899-2000 煤矿用信息传输装置MT/T772-1998 煤矿监控系统主要性能测

40、试方法第5节 井下人员定位系统设计特点高度自动化；系统能自动检测井下坑道工人经过该监测点的时间、地点信息，并自动实现考勤作业的统计与管理。先进的通信系统；安装在井下各通道的识别系统，实时向网络服务器传送相关人员通过的数据，整个过程无需人为干预。完备的数据统计与信息查询软件；系统软件具备专用数据库管理系统，包括工人通过坑道的信息采集和统计分析系统，考勤作业的统计与管理分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为高层管理人员的查询与管理提供全方位服务。系统的安全、稳定、可靠性设计；系统产品采用坑道壁挂式设计，无需在坑道进行现场施工，并保证系统在恶劣环境下24小时连续正常运转；完善的异常情况（包括无效电

41、子标签、失效电子标签进入）报警呼叫系统配置。 本系统是目前国内唯一一家采用现场工业总线网络架构的系统。被测目标“无负担”:井下工作人员无需增加携带装备、无需主动进行任何操作。通行方式无限制:对被测人员经过检测点的通行方式没有限制，允许多人以“鱼贯而入”、“成组成群”的方式通过检测点，不影响井下人员的正常通行和正常作业。结构简单，配置灵活:可根据具体需要及投资情况灵活设置井下数据监测分站。监测分站设置的越多，则划分的定位区域越多，人员定位的空间范围越准确。系统复用，保护原有投资:人员监测系统网络可以和原有的安全生产监测系统共网复用，减少投资;也可以在人员监测系统网络中加设环境参数、工况等其它类型

42、的传感器，构成多功能的综合监测系统。第6节 井下人员定位系统设计方案4.6.1 系统具体方案本系统遵循统一发电子标签、统一装备、统一管理的原则，按准许上岗人员和班组实行一人一电子标签制，该电子标签可视为上岗凭证或坑道准入证。具体方案如下： （1）煤矿生产单位在所有坑道中均安装一定数量的读写器，具体位置根据现场情况而定，以满足控制区域要求为准。 （2）煤矿生产单位向有关人员颁发并装备电子标签。 （3）发电子标签时将电子标签所对应员工的基本信息，包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务、本人照片等登录在系统数据库中。 （4）安全生产部门对该电子标签进行授权后即生效。授权范围包括：该员工可以有

43、资格进入作业面的坑道，电子标签的时效、失效、挂失等，以防止无关人员和非法人员进入坑道； （5）进入坑道的人员必须佩戴电子标签。当此人经过坑道的识别监测点时，立即被系统识别，并通过系统网络的信息交换，将此人通过的路段、时间等信息传输至井上安全监控中心记录，并可同时在地理信息大屏幕墙上出现提示信息，显示通过人员的姓名。如果感应的电子标签号无效或进入限制通道，系统将自动报警，安全监控中心值班人员接到报警信号，立即执行相关安全工作管理程序。（6）坑道一旦发生安全事故，安全监控中心在第一时间可以知道被困人员的基本情况，便于救护工作的安全和高效运作。 该系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括应用软件和嵌

44、入式软件两部分组成，用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行;硬件系统由井下分站设备、天线、Tag、数据传输接口和地面设备组成，用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。4.6.2系统设备 (1)井下基站设备。井下基站设备由信息采集处理板、信息传输处理板、隔爆电源、备用电池、汉字液晶显示模块、嵌入式软件，以及矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。信息处理采集主板是完成对分站区域内的Tag信息的采集、处理;信息传输处理板是将RS232信号转换为RS485信号和自动存储监测数据，传输距离10 km,同时将重码的信息进行判定

45、和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息;不间断电源是停电后提供2h的供电电源;矿用阻燃电源电缆是为分站提供工作电源;矿用阻燃双绞线通信电缆主要是完成井下网络的连接，为现场RS485总线方式;汉字液晶显示模块主要显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询记录。其组成如图3。井下分站设备信息采集处理板信息传输处理板不间断电源天线隔爆电源汉字液晶显示图3 分站设备组成图KJ201F井下监控基站是一个以神经元芯片及51单片机为核心的自动化监控设备。可挂接各种传感器、执行器，对井下的各种环境参数（如：CH4、CO、风速、负压、设备开停状态等）进行连续监测。具有多通道、多制式的信号采

46、集和通讯功能，能及时将监测到的各种环境参数、生产状态、人员位置等信息实时传送给地面中心站，并执行中心站发出的各种命令。同时，基站还能就地监测和显示被测设备的运行状况及检测参数，及时发出报警和断电控制信号。防爆形式：矿用本质安全型，防爆标志为ExibI；防护等级：IP54；输入端口：16个（模拟量、开关量均可）；控制输出：8路；模拟量类型：420mA；2001000Hz，12002000Hz；主要通信参数：通讯方式：二线制无极性通讯；通讯协议：LonTalk；无线通讯：同频异步半双工；收发频率：433MHz；通讯距离：到地面中心站 20Km；可实时监测移动目标 。 (2)天线。实现与Tag之间的

47、数据通信。(3) Tag. Tag镶嵌在安全帽上，安全帽是半球形。一般的，当RFI D Tag天线结构发生弯曲时，天线的方向系数与输入阻抗都会改变，相应地，RFI D系统的工作距离必定产生变化。经过仿真处理和实验证明，镶嵌在安全帽上的Tag天线发生的弯曲对系统的性能影响可以忽略不计。Tag平时处于睡眠状态，当Tag进入系统工作区时，天线能接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流。再经过整流电路，就会激活电路上的微型开关，给Tag供电。从而Tag发送出的自身的信息被Reade:读取并解码后送至数据交换、管理系统处理。(4)数传接口。主要由电源板、信号转换板及安全栓组成，完成通讯信号的转换和本安与

48、非本安运行环境的隔离。工作电压：AC220V输出本安电压：5V输出本安工作电流:25mA防爆型式：矿用本质安全型 ExibI（5）无线数据收发机。该设备装在井下人员或车辆等移动目标上，与基站进行双向通讯，基站根据其信号进行科学考勤和精确确定其具体位置。它既可接收井上下达的撤离命令，也可通过紧急求助按钮，主动向地面中心站发送求助信号。 低功耗及休眠功能；收发频率：433MHz，开放频段、不需申请；抗干扰能力强，可靠性高，体积小、重量轻；防护等级：IP54；防爆形式：矿用本质安全型，防爆标志为ExibI(150)。可与矿灯捆绑为一体，防止互相借用（6）通讯适配器该设备安装于地面调度室，实现LonW

49、orks和RS232之间的信号转换。具备电源、工作状态指示功能，接收井下基站发来的LonWorks 通讯信号，并将该信号解调成RS-232C信号传送给计算机，将地面计算机输出的RS-232C信号经调制发送给井下基站。实现井上非本安通信信号与井下本安通信信号之间的电气隔离。传输速率：5400bps；传输方式：二线制无极性，无主对等通讯；适配器与主机通讯：RS232；适配器与基站通讯：LonWorks；网络结构：总线或自由拓扑任选；最大通讯距离： 20km 。 (7) 矿用隔爆兼本质安全型电源箱。为KJ201F井下基站及其传感器提供本安电源，具有两路本地断电功能及备用电池供电功能。当交流电源停电时

50、，后备电池可使基站连续工作2小时以上，单独维持人员定位系统可达10小时以上。防爆形式：矿用隔爆兼本质安全型，防爆标志为ExdibI；具有本安电源、备用电源及断电器三大功能；可提供1路12V、8路18V直流本安电源；保护措施完善，输出电压稳定；AC127V、220V、380V、660V多种电压等级灵活输入；采用先进的开关电源二次稳压，效率高且适应电压范围宽(8)地面设备。地面人员监测管理部分由数据通信接口、HUB、监控计算机、管理计算机、服务器、UPS电源、打印机、网络终端、防雷设备等组成。监控计算机(含人员监测管理软件)及数据库，实现对信息的自动化管理目标，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的

51、分布情况，使管理层一目了然;UPS电源主要为了在交流电源停电后继续维持系统设备正常运行（不少于2小时）;打印机主要用来打印人员监测管理报表;网络终端主要是人员监测信息的网上共享。管理计算机主要是完成人员和机车信息资料的录入，分类存入计算机以备随时检索使用;对原始数据进行统计并输出各种文字和文字报表;通过对原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总;进行标识卡的发行、回收、挂失、恢复操作;对系统进行各种初始设置等功能门网络服务器完成整个管理系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。网络服务器、管理计算机、监控计算机、巷道各分站通过星形及总线形的混合网络拓扑结构连接而成，

52、是一个具有实时数据监视及采集、图像监视及采集、数据统计、信息检索等多项功能的计算机综合管理系统。其中包括由采用星型结构连接在一起的井下分站为主而构成的井下管理系统;由通过集线器连接的服务器、管理计算机、报表打印机组成的上端管理系统;由通过数据通道与图像信息通道与网络连接在一起的以监控计算机为主，视频采集设备为辅的多媒体信息系统。供电电源供电电压在AC220V10%之间波动时，中心站设备能正常工作。中心站配备UPS电源，当交流电源停电时，UPS电源能保证中心站主机工作2小时以上。井下矿用隔爆兼本质安全型电源箱供电，供电电压波动在-25%+10%波动时，井下设备能正常工作。交流停电时，由井下备用电

53、源供电，备用电源应保证井下全部设备应正常工作不小于2小时。（9）电缆从地面通讯适配器到基站、基站到基站：电缆型号：MHY32 141.38电缆直流电阻 12.1/Km电缆分布电容 0.06F/Km电缆分布电感 0.8mH/Km用于连接供电电源的电缆使用黑色橡套电缆。从电源到基站传输距离小于3m电缆型号规格：MHYVR 1027/0.3 直径18mm电缆名称：矿用聚乙烯绝缘阻燃聚氯乙烯护套信号软电缆电源输入端电缆电缆型号规格：VY316 直径19.7mm电缆名称：VY型聚氯乙烯绝缘聚乙烯护套电力电缆系统中井下设备所使用的电缆应具有阻燃性能，具有防爆合格证和MA标志。4.6.3 系统具体功能（1）

54、考勤功能：采用入井口和下井口两次考勤，保证全部人员考勤同时避免人员考勤后早退采用收发机和矿灯捆绑，使系统的考勤功能更加科学和严格，杜绝人员互相替代考勤，并且便于携带（2）人员实时监控：具有系统设备布置图显示功能；具备井下人员实时位置监视和报警显示功能；可以方便快捷查询某一时段内某一人员、某一区域的活动轨迹具备历史报警状态查询显示等功能。（3）系统生成功能:系统在不中断正常监控功能的条件下由用户随时生成、修改各种参数及表格的功能。（4）数据采集功能:系统具有井下人员位置信息采集功能。（5）显示及报警功能井下部分：当出现紧急情况时，井下人员可以按下收发机有“紧急求助”按钮进行报警求助，主机显示器上

55、有相应的报警显示。若调度室需要让井下人员立即撤离，可以下达撤离报警命令，系统将通过基站以广播的形式向井下所有收发机发出报警命令，收发机收到报警命令后峰鸣器及指示灯立即发出声、光报警，提示人员立即撤离。（6）存储功能：无线收发机的位置实时数据存储；无线收机报警和解除报警数据存储；下井人员的下井时间和上井时间存储。（7）查询和打印功能：无线数据收发机实时位置信息查询和打印；无线数据收发机历史位置信息查询和打印；某一区域某一时段内历史人员位置信息查询和打印下井人员的考勤报表查询和打印；下井人员任意时间段下井统计查询和打印；查询无线数据收发机报警和解除报警等情况查询和打印。（8）人机对话：系统具有人机

56、对话功能，可调出各种菜单，并按菜单和输入提示进行系统生成、参数修改、功能调用和控制命令输入等。（9）自诊断功能：任一基站及传输电缆发生故障时，系统能诊断出相应故障，并有相应的显示、报警并记录故障时间和故障设备，以供查询和打印。故障修复时，有相应的报警解除。（10）系统软件自监视功能： 通过选取相应菜单命令，可对系统设备的实时运行状态进行监视。（11）软件容错功能：键盘操作有误或打印机没连机等故障时，系统具有相应的错误提示，且不影响整个系统软件的运行。（12）数据备份功能：系统所有存储的数据在监控主机的不同硬盘中进行备份。（13）备用电源功能：当交流电源停电时，电源箱内蓄电池能自动投入工作，备用

57、电池供电时间2小时以上。中心站配备UPS电源，当交流电源停电时，UPS电源能保证中心站主机工作2小时以上。系统恢复供电，备用电源自动退出。（14）双机备用功能：中心站一般要配备备用主机，采用热备手动更换方式，当工作主机出现故障影响系统正常运行时，手动关闭工作主机，更换连线，备用主机应在5min内投入工作。（15）网络接口功能：监控主机采用TCP/IP协议可与矿局域网或其他系统进行互联，达到信息共享。（16）实时多任务功能：能实时传输、处理、存储和显示信息，并根据要求实时控制，能周期地循环运行而不中断。4.6.4 系统详细布置监控系统地面中心站应设在环境相对较好的地方，设监测中心机房，配置专用工

58、业监控计算机(台湾研祥)2套、打印机、UPS电源和交流净化电源等。同时配置最新版本的监控软件等。井下设立监控基站，根据其实际情况，初步确定为10台，主要安装在入井口、2个工作面和掘进面；每人佩戴无线收发机，估计约500个。后期可根据矿上实际需要增加。每个分站要有其对应的电源来对其供电，KDW201矿用隔爆兼本质安全型电源箱10台整个监控系统通过两台上位机进行监控，并预留接口，可以和整个矿井的监测监控联网。2台通讯适配器，1台用于正常通讯使用，1台备用。主通讯电缆安装MHY32信号电缆，从调度中心铺设至井下各个分站所在位置，根据实际情况，确定为3Km；在满足距离的条件下，井下监控基站应尽可能安装

59、在取电容易、位置集中，环境相对较好的地方。4.6.5 系统设备运行环境地面中心站机房设备是保证系统地面中心站设备长期稳定运行的首要条件，机房环境应符合国标GB2887-83“计算机站场地技术” 的要求，对系统中心站只要满足这要求即可。具体表现在动力、温湿、防尘、防静电、防雷击等方面。系统井下设备均为防隔爆或本质安全型产品，可以运行在有爆炸危险或非危险场地。但要满足如下条件:环境温度：0+50；大气压力：85-110KPa；相对湿度：98% 地面电源电压：220VAC 50Hz维护人员配备建议技术人员 2人 (计算机、设备各1人),维修人员2人。第7节 井下人员定位系统管理软件人员定位管理软件实

60、现对井下人员的跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、数据库存储、报表打印等功能。软件是采用Microsoft的Visual C +6 .0开发的集数据采集与信息处理的综合管理系统。本系统是以SQL Server 2000数据库为主的C/S模式开发而成的，共有操作员登录、实时显示、数据查询、数据统计、个人编码器管理、人员活动轨迹、系统维护7个模块，如图4所示。信息采集处理板信息传输处理板不间断电源天线隔爆电源人员定位管理软件登陆图4 系统软件模块(1)登录模块。登录模块主要完成开机后操作员的密码及权限输入，人员权限情况的校验等功能，操作方法采用手工输入。(2)实时显示模块。矿井人员位置信息通过

61、井下人员跟踪定位基站发送到地面监控主机后，由软件进行实时分析处理在电子地图上实时显示当前井下各巷道人员分布情况和机车分布情况，并且对人员井下活动轨迹进行纪录，实现对井下人员活动路线、滞留时间及目前所处位置的管理。(3)数据查询模块。数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能。主要实现:查询井下人员的动态分布情况和数量;查询任一井下人员当前位置和指定时间所处的位置;查询任一指定位置的人员情况，并进行实时跟踪显示;查询人员考勤记录查询;全矿数据查询。(4)数据统计模块。数据统计模块主要是根据巷道各基站的交换信息进行统计汇总，并按照指定的格式进行报表的输出。(5)个人信息管理模块

62、。个人信息管理模块主要是对职工个人信息进行统计汇总，并按照一定的规则进行编码分配。包括:全体职工数据管理、职工资料管理、职工信息。(6)系统维护模块。系统维护模块主要是完成对整个管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能。此模块只能由本系统的超级用户来完成，其他任何人员不能完成此模块的各项功能。维护项目包括:基本信息维护;操作人员维护;巷道各基站维护;数据库维护。第8节 井下人员定位系统网络结构本系统采用工业以太网环网技术，为模型化设计，井下光纤接入设备MOT间距为2公里，每个MOT接3个带定向天线的WPSC基站，覆盖2公里巷道。8个MOT，24个WPSC共覆盖16公里地

63、下巷道。为实现全业务的冗余保护，光纤线路设计成环型拓扑结构。WPSC基站在2G频段使用3个频谱互不重叠的载频，3个载频在相邻基站中交替采用，完成巷道10Mb/s无线带宽的的无缝覆盖因基站带宽为10Mb/s，每个无线语音信道为16Kb/s，实际通信中可以说没有呼损，单个基站可接入多达100个无线用户，可支持所有用户同时在线的大话务量通信,实现了系统的可靠性、稳定性。井下人员实时管理系统的网络结构图如图2所示。第5章 井下人员定位系统的应用第1节 管理方面的应用实现煤矿井下作业人员进出的有效识别和监测监控，使管理系统充分体现“人性化、信息化和高度自动化”，实现数字矿山的目标。煤矿井下人员定位管理方面实现的基本功能包括:任一时间井下或某个地