第３期 杨光涛郑学召 王伟峰基于ＺｉｇＢｅｅ技术的井下人员定位系统关键技术探讨 ３１ 基 于ＺｉｇＢｅｅ 技术的井下人员 定位系统关键技术探讨术 杨光涛 ，郑学召 ，王伟峰 （１．甘肃煤矿安全监察局科技装备处，甘肃兰州７３００００；２．西安科技大学能源学院，陕西西安７１００５４） 摘要：井下人员定位系统是矿井安全生产和应急救灾过程中不可缺少的设备，因此，探讨基于 ＺｉｇＢｅｅ技术的井下人员定位系统关键技术具有重要的现实意义。文章根据矿井实际需求，从本质 安全型电源设计、数据库软件选择与设计、井下人员精确定位等关键技术进行了探讨和分析，对井 下人员定位系统功能的完善有一定的指导意义和参考价值。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ；人员定位；本质安全；精确定位 中图分类号：ＴＤ７９ ２文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—７４９Ｘ（２０１４）０３—００３１—０４ 受关注…。ＺｉｇＢｅｅ的名字来源于蜜蜂与同伴之间 一Ｏ 引言 井下人员定位系统是以现代无线电编码技术为 种特殊的交流方式 Ｊ。它遵循ＩＥＥＥ规范中的 基础，应用现代无线电通信技术中的信令技术及无 线发射接收技术、结合目前流行的数据通信、数据处 理及图形展示软件等技术的一种矿山作业人员井下 定位及动态监管系统。现阶段煤矿井下人员定位系 统大部分使用射频识别技术（ＲＦＩＤ），系统主要完成 ８０２．１５．４协议，工作在全球免费的２．４ ＧＨＺ频段， 采用了当前先进的直接序列扩频技术 Ｊ。ＺｉｇＢｅｅ 技术对成本和功耗要求较低、信息通信数据量较小、 数据传输速率不大且便于安装使用到煤矿井下，它 具有以下几个突出优势：频段灵活、功耗极低、成本 人员考勤工作，但经常出现漏检现象，在掌握井下人 员的动态分布及作业情况时有一定的困难性，尤其 是事故灾难发生后精确的人员定位更加困难。因 而，现代化的矿井特别需要建立一套先进可靠的井 下人员定位系统。基于ＺｉｇＢｅｅ技术的井下人员定 位系统技术已经较为成熟，已经成为井下人员定位 监测的重要组成部分，但对该系统的关键技术仍须 低廉、传输稳定、结构多样等。 １．２系统构成及实现功能 基于ＺｉｇＢｅｅ技术的井下人员定位系统，主要由 井上地面部分和井下部分构成，井上地面部分主要 包括定位系统监控终端计算机和具有数据传输和转 换功能的数据交换器，数据交换器将井下信号转换 成能够和地面计算机匹配的数据信息采集传输模 式。井下设备主要由本质安全型网关节点基站、中 继器、参考节点、人员定位节点构成。网络拓扑方式 采用簇树状结构，中继器起着增加无线网络传输距 离的作用。基于ＺｉｇＢｅｅ无线技术，可以通过多功能 分站自组网也可以接人工业环网方式进行传输。移 动节点发射出具有身份特征的无线信号，经过参考 节点接收，再发送到网关基站和地面中心站。地面 进行探讨和研究。 １ ＺｉｇＢｅｅ技术系统构成及功能 １．１ ＺｉｇＢｅｅ技术简介 ＺｉｇＢｅｅ无线技术以其低功耗、低成本等特点备 收稿日期：２０１３—１０—３０ ＋基金项目：基金项目：陕西省教育厅科技研究计划项目 （２０１３ＪＫ０８６２）、２０１０年度新世纪优秀人才支持计划（ＮＣＥＴ一１０— ０９３２） 作者简介：杨光涛（１９６２一），男，陕西周至人，１９８３年毕业于西安矿 业学院采矿系采煤专业，工程师，主要从事煤矿安全监察、科技装 备、科技成果推广、中介机构监管、煤矿职业卫生监管等工作。 中心站接受来自参考节点和网关基站上的信号，进 行分析处理，形成各种文件，使管理人员能够及时查 询各种信息。 该系统的构成如图１所示。 第３期 杨光涛 郑学召 王伟峰基于ＺｉｇＢｅｅ技术的井下人员定位系统关键技术探讨 ３３ 图２本安电路原理图 访问等数据管理功能。而且必须具有真正的客户 服务器体系结构，图形化的用户界面，使系统管 理和数据库管理更加直观、简单，丰富的编程接口工 具，为用户进行程序设计提供了更大的选择余地。 同时具有很好的伸缩性，可以跨平台使用，与相关软 件集成度高等特点。 对应于系统实现功能，数据库设计需求：①管理 员设置权限。管理员可登陆矿井人员定位系统，对 矿工、读卡器、识别卡本信息进行录入、添加、修改、 删除，实现实时监控，显示实时位置并回放轨迹；② 员工基本信息管理的需求。记录并管理所有矿工的 基本信息，包括姓名、性别、记时间、卡号、联系方式 等，能够由操作员随时对矿工信息进行添加、删除、 修改；③实时查询的需求。系统可实时查询当前井 下人员的数量及分布情况，并能够在用户界面直观 的显示出来，能统计并显示各工作面的员工数；④历 史查询的需求。系统要能够查询任一指定井下人员 在指定日期所处位置和指时段内的活动轨迹；⑤统 计分析的需求。能够自动记录员工下井和上井的时 间，根据排班和实际出勤况可生成所属人员的考勤 信息，以及统计各个部的考勤信息。 ３井下人员精确定位 煤矿井下巷道纵横交错，设备和作业人员分布 面广且复杂，流动性大，地面与井下人员的信息交流 比较困难，因此实时动态掌握井下人员的分布及作 业情况，实现人员精确定位管理尤显重要。三边测 距定位方法 和信号分行时间定位是目前常用的 两种精确定位方法，将人员定位确定到“点”，真正 实现人员的精确定位。 ３．１三边测距定位法 根据多个距离测量值估计出移动人员位置 ， ①其理论依据是。在三维空间中，知道了一个标签 到三个读头的距离来确定该点的坐标；②三边测距 法在二维平面上用几何图形表示的意义。当得到未 知节点到一个确定节点的距离时，就可以确定此未 知节点在以此已知节点为圆心、以距离为半径的圆 上；得到未知节点到３个已知节点的距离时，３个圆 的交点就是该未知节点的位置；③由此可以推出。 一个读头测出一个标签与它的距离，另一个临近读 头同样也可以测出这个标签与它的距离，以两个距 离为半径，以各自的读头为圆心，就可画出两个圆， 且这两个圆必然相交，这就确定两个点，如图３。再 有第三个圆，三个圆的交点即为此标签所在的具体 位置，如图４。如此推理下去，圆越多，定位的精确 度也就越高。 图３两圆确定未知节点的位置 图４用三边测距法确定未知节点的位置 ３．２信号飞行时间定位法 信号飞行时间定位是在第二代场强定位的Ｚｉｇ— Ｂｅｅ技术基础上研发出来的新一代定位技术，具有 场强定位的所有优点，测量距离和实际距离的误差 ９８％都在３ ｍ以内，能够准确掌握井下巷道作业面 工作人员的位置，分布情况和每个人员任意时刻所 在的位置及各时间段的活动轨迹，标识卡读卡速度 高，漏卡率低于２％，保证抢险救灾和安全救护工作 的高效运行。作用原理如图５所示。 ◇ －参考节点 ６ 光速和单程 行时间的乘积就是两个设备之间的距离 图５信号飞行时间定位法工作原理 ３４ 陕西煤炭 ２０１４年 （上接第２６页） 更能发挥职工的主观能动性，从而督促自己干标准 ３ 结语 随着煤炭市场的进一步产能释放，必须将煤质 管理作为一个课题进行研究，从工作面的设计到向 顾客运送原煤的全过程进行现场跟班检查考核，查 活、放心活，使“下道工序满意”。 加强奖惩力度：依据顾客对煤质的要求，制定控 制煤质的办法以及考核奖惩办法，对全员进行奖惩 考核。达到顾客要求进行奖励，未达到严格按照管 理办法及相关文件进行责任追究，追究影响的环节 找存在的问题，成立专门的管理部门对其进行管理 和研究，形成一套有效控制煤质的措施，确保有提高 煤质的能力。 及问题，组织相关管理人员和技术人员制定可行的 措施，保证煤质达到要求。 （下接第４６页） 参考文献： ［１］钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制［Ｍ］．徐州： 中国矿业大学出版社，１９９１．３． 场支承压力分布规律研究［Ｊ］．山西煤炭，２００６， ２５（２）：１０—１２． ［３］王作棠，钱鸣高．老顶初次来压步距的计算预测 法［Ｊ］．中国矿业大学学报，１９８９，１８（２）：９．１８． ［２］胡国伟，靳钟铭．基于ＦＬＡＣ３Ｄ模拟的大采高采 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒａｔａ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｌａｗ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｄ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｍｉｉｎｇ ｆａｃｅ ｎＲＥＮ Ｓｕ—ｄｉ，ＹＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｒｏｎｇ，ＳＵ Ｊｉｅ （Ｃｕｎｃａｏｔａ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，Ｓｈｅｎｈｕａ Ｓｈｅｎｄｏｎｇ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，ｅｒｄｏｓ ０１７２０９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔｕｍ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ ａｎｄ ｒｏａｄｗａｙ ｓｅｃｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ Ｎｏ２２１０７ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｆ Ｃｕｎｃａｏｔａ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｒｅｔｒａｃｅｍｅｎｔ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ，ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉ． ｅｎｃｅ ｏｆ ｈｏｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｆ ｅｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｏｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｒｅｔｒａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ；ｈｏｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｆ ｅｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ；ｇｒｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｔｉｏｎ