实时定位系统RTLS在煤矿领域的应用设计

一、煤矿人员实时定位监管的需求概述

　　1.     煤矿人员实时定位监管的背景

　　我国是世界上最大的煤炭消费国和生产国。随着国民经济的快速增长，煤炭需求量的不断攀升。近两年来，煤炭供应紧张，随之而来的是各个煤矿生产的超负荷运转，高速发展的生产突显出煤矿安全生产各环节中对于生产隐患治理监测技术水平的落后，相应所导致的各级安全事故也不断发生。由于煤价的不断上涨，过度开采导致的事故也是有发生，如何对井下人员的活动、煤车每天的运输量、瓦斯、风速、火灾、透水等数据做到实时监控，事故发生后，如何准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案，这不但对事故的救援还是事前防控都是一个非常迫切要解决的问题。

　　如何加强安全生产的防范措施，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，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。同时如何改变目前煤矿企业对井下人员、资产落后的管理模式，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。因此集合先进科技手段和一线煤矿安全生产需求开发面向煤矿资产和井下人员的安全监管系统，建立一整套完备的具有智能监控管理、报警、井下人员的实时定位、 追踪等功能的煤矿实时监管系统，必将大幅度的提升煤矿工作的安全性和管理效率, 降低安全隐患、减少安全事故的发生，同时还可以与现有的系统有效的集成并进行多方面扩展功能,完善整个监控管理系统的功能，有效地增强系统的安全性，真正意义上实现煤矿人员的实时安全监控，将为煤矿企业的安全生产和经营管理上台阶、上水平带来了新的契机。

　　2.     RTLS在煤矿人员实时定位监管应用的可行性

　　实时定位系统英文是Real Time Locating System,简称RTLS。RTLS主要采用无线射频、超声波、红外等技术对物体进行定位。无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS）利用标准的IEEE 802.11 无线局域网在室内或室外局部范围内实现跟踪识别以及类似GPS的定位功能。Wi-Fi RTLS系统的市场很广泛，涉及物流、仓储、零售、制造、学校、医院、政府、军队、交通等几乎各个领域。目前，Wi-Fi RTLS技术也逐渐被应用在煤矿上用来对人员和资产进行实时定位管理。

　　Wi-Fi RTLS煤矿人员实时定位监管系统结合了Wi-Fi 、RFID、无线传感器网络等多种技术，面向一线煤矿安全生产需求，实现了基于电子地图的煤矿井下人员实时定位和监管。该系统无须重新搭建其他网络或设施，在企业原有无线局域网基础上即能快速部署安装，为煤矿企业提供一套完备的资产、人员追踪定位解决方案。主要功能包括：煤矿巷道电子地图浏览、区域人数分析、基站区域人员报表、地图报警、人员定位、人员实时轨迹监控、人员历史轨迹回放、人员巷道最佳路径分析等功能，为煤矿的安全生产提供了及时有效的井下人员定位和监控功能，并提供了人员逃生的最佳路径分析，以信息化手段提高了煤矿的安全生产能力。

　　目前应用Wi-Fi RTLS技术的煤矿人员实时定位监管系统在国外的一些煤矿都得到了很好的应用，大大提高了煤矿井下作业的安全环境，并且极大程度地降低管理成本。

　　Wi-Fi RTLS煤矿人员实时定位监管系统为每个井下作业人员佩戴一块定位标签，在安装煤矿人员实时定位监管系统管理软件后，管理人员在电脑前就可以看到每个井下人员活动的区域 

　　1、可以实时定位跟踪井下人员，便于显示、查询人员情况，如：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的电话联系该人员。

　　2、显示井下人员每时每刻在坑道的实时动态分布，根据井下的实际地理情况制作相应的动态图，使井下情况生动形象一目了然；

　　3、一旦发生各类事故，立即能查出有多少人遇险，遇险人员在哪里？他们是谁？同时定位标签特有的报警功能，能够在发生紧急情况时，迅速报警并显示紧急情况位置，最大限度地保障井下人员的人身安全。

二、煤矿人员实时定位监管的设计思路

　　1.   系统设计依据 

　　1) GA/T75《安全防范工程程序与要求》

　　2)  MT209-1990《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》。

　　2   系统设计特点 

　　1) 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。

　　2) 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。 

　　3) 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。 

　　4) 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； 

　　5) 完善的异常情况（包括无效感应器、失效感应器进入）报警呼叫系统配置。 

　　3.   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，通过本系统的移动识别装置，可在事故现场10米范围内探测到是否有人存在，便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。 

三、方案特点

　　煤矿人员实时定位监管解决方案主要基于无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS），根据煤矿矿井实际定位需求，采用国际先进技术，通过Wi-Fi网络解决矿井内部的人员监控和定位问题，对矿井下各种资源进行有效控制和跟踪。实时定位系统能够及时、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位置和运动轨迹，以便于进行更加合理的调度和监控管理。当事故发生时，救援人员也可根据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。
煤矿人员实时定位监管解决方案特点：

　　替代光纤和专线，结合Wi-Fi网络，无须再重新搭建其他网络或设施，节省大量的网络建设费用，减少用户初始设备投资；

　　实时的人员跟踪，可随时查找某个人位置，和在某个时间段内所经过的路径，显示出线路轨迹；

　　定位精度高，3~5米的高精确度定位，准确掌握物体或人员所处位置；

　　超低功耗，可更换电池标签，寿命可达到5年以上，且对人体安全、无辐射损害。

　　灵活性强，整个网络系统架构采用模块化结构，某一部分出现故障可以及时更换，不影响其他部件运行。 

　　可视化终端平台，以电子地图形式显示人员或物品的位置和移动轨迹，还能显示环境和警报信息，便于环境监测和安全防范。

四、 煤矿人员实时定位监管系统设计

　　1.     煤矿人员实时定位监管系统的组成   

　　无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS）由以下三部分组成：定位标签、定位器/读写器、定位服务器。

　　系统工作原理：

　　定位标签或者无线设备周期性地发出无线信号。

　　接入点接收到信号后，将信号传送给定位服务器。

　　定位服务器根据信号的强弱或信号到达时差判断出标签或无线设备所处位置，并通过电子地图显示其具体位置。

无线局域网RTLS实时定位系统工作原理示意图

　　2.     系统的拓扑结构

　　基于无线局域网实时定位系统（Wi-Fi RTLS）的网频煤矿人员实时定位监管解决方案主要应用结构如下：

　　如上图所示，无线局域网实时定位系统主要由系统由定位标签 、定位器/读写器(AP)和后端监控管理中心（定位服务器）三部分组成：

　　1）定位标签作为无线数据采集模块佩戴在每位工作人员身上，系统通过对标签的跟踪实现对人员的跟踪定位。

　　2) AP采用2.4G支持的802.11a/b/g模式，及时采集标签的信息，传输到后端的监控中心，对井下标签设备进行控制管理。每个AP基站在井下有效覆盖范围为100米，对标签的有效精度为3-6米 。

　　3) 安装了定位服务器软件系统的监控管理中心，主要实现实时数据分析处理。分析管理标签数据，通过控制中心的电子地图监视并及时显示各现场标签的位置，数据可同时存入存储数据库，监控人员可以通过计算机访问存储服务器查询人员位置。

　　3.     应用系统的主要功能

　　(1)、用户管理：用户信息录入，权限设置。采用部门委派管理形式，建立树形管理体系，对用户的操作请求进行权限认证。当用户请求的操作具备相应操作权限时，此用户才可以进行相应的操作，同时将本操作记录到操作日志中，当用户请求的操作不具备相应操作权限时，此用户无法进行相应操作。

　　(2)、标签信息维护：标签佩戴人员信息管理、包括照片，所属部门、考勤班次、工作区域、健康状况等。

　　(3)、人员管理：人员定位，实时的显示工作区域和温度传感，工作状态。实现人员合理调度。

　　(4)、监控区域管理：对监控地点、地图等信息的编辑，包括新建、修改、删除。

　　(5)、绩效考勤：统计下井时间，上井时间，生成统计报表，自动汇总考勤数据。

　　(6)、人员轨迹监控：实时记录移动轨迹，在煤矿井下巷道发生情况时，可用于通知井下工人工作路线和安全逃生路线分析。

　　(7)、一卡通服务：可以统一管理人员现金使用，购买物品等。

　　(8)、查询统计：相关操作日志、报警日志的维护与查询。对整个网络监控系统的信息进行统一处理，其中包括信息的设置、信息的记录、信息的转发及信息的查询。

　　(9)、系统管理：系统维护、日志查询、数据导入、数据导出、数据备份、数据上传。

　　4.     煤矿人员实时定位监管系统特性

　　1)  基于标准的无线局域网

　　无线局域网非常普及，容易搭建和管理操作；覆盖范围广，室内100米，室外300米甚至更远。无线局域网还可以用于无线上网等其他用途。

　　2)  主动式监控

　　所有定位标签每隔一定时间向外主动发出信息，确保每个井下人员都处于相应的安全监控区域内，为人员的监管提供最大程度的现代化高效手段。

　　3)  实时定位

　　可以实现对每个定位标签的实时定位，定位精度可达到3米范围。

　　4)  防破坏设计

　　定位标签内置导电材料形成回路从而有效防止破坏，一旦标签被切断或破坏，系统立即报警。

　　5)  历史跟踪

　　通过记录定位标签的位置，就可以实现对跟踪人员的活动路线回放，轻松实现对井下人员行踪的实时控制。

　　6)  全球唯一的电子编码

　　每个定位标签都有全球唯一的编码，和相应人员的信息相联，不会重复导致混乱。

　　7)  多标签防冲突设计

　　无线局域网接入点可同时识别对煤矿范围中数以百计的定位标签，标签之间不会发生冲突而造成遗漏。

　　8)  警察紧急报警功能

　　定位标签上有报警按钮，可主动报警。井下人员佩戴的定位标签在紧急或危险情况下有报警功能。

　　9)  和现有系统集成

　　定位标签可以与一卡通服务相结合，也可以无缝接入到现有的煤矿信息管理系统中，并可实现和视频监控系统的联动。

　　10)  人性化设计

　　定位标签可按人体工程学设计，无过敏反应，不伤害皮肤，并同时满足防水需求。、