1.前言

煤矿生产事关人民群众的生命和财产安全，一贯受到企业和政府的高度重视。国家规定凡开工的矿井必须配备井下人员管理系统（定位和考勤）和通信设备。但传统井下通信和定位手段和设备系统存在较多不足，存在着井下定位考勤精度较低、无线移动通信能力缺乏、各系统独立建设造成部分重复建设和通信资源效率低下、技术体制落后标准化程度低和井下电气设备防爆等级偏低，本质安全型设备的采用还不够普遍等一系列问题和不足，在抗井下灾害和应急救援方面发挥的作用有限。

这种情况已经不能适应现代数字化矿山建设的需要。面对当前矿山信息化建设的迫切需要和建设本质安全型煤矿的趋势，经过焦作铁路电缆有限责任公司与相关高科技企业合作开发了专门开发出了一套多功能的综合通信平台“矿用无线通信及人员管理系统”，由“矿用人员管理系统”（符合AQ6210 标准）和“煤矿无线通信系统”两个使用统一设备、在逻辑上独立的子系统组成，集人员定位、手机通信、实时数据传输和视频监控等功能为一体。系统已经通过国家认证，获得了防爆证、煤安证和生产许可证等。

矿用无线通信及人员管理系统可用于各种井工矿山如煤矿、金属和非金属矿等，也可以用于隧道（洞）、地铁等巷道施工现场，还可以用于工厂、电厂等工业需要工业自动化改造的环境。

2.系统介绍

2.1 综述

无线通信及人员管理系统是一套基于工业以太网技术的、多功能的矿用综合通信系统，该系统由矿用人员管理系统和矿用无线通信系统组成，集井下人员/设备精确定位考勤、无线手机通话、实时数据传输、视频监控等多种功能为一体。整个系统通过综合分站相连，大大减少了井下线路的布设，安装和维护方便。该系统时一个可以同时做到全本安、精确定位、综合通信的系统。

该系统可对矿井入井人员/设备进行实时跟踪监测和精确定位，随时清楚掌握每个人员/设备在井下的精确位置及活动轨迹。如果发生灾变，还可以立即从监控计算机上查询事故现场的人员具体位置分布情况、被困人员数量和他们的姓名、调用入井人员撤退线路预案等信息，为事故抢险提供科学依据。利用系统的日常考勤管理功能，对下井人员进行考勤管理，将极大地避免混乱的发生。

系统可方便实现井下与井下、井下与井上的移动手机通话，使井上、井下可方便地进行沟通。系统还可通过手机对井下所有人员发出告警通知，为发生事故时井下全体人员的快速撤离提供重要基础。同时，系统可实现井下所有地方的视频监控，方便企业管理。

2.2 基本功能

2.2.1 井下人员（机车）精确定位

采用ZigBee 技术，矿用无线通信及人员管理系统可对矿井入井人员/设备进行实时跟踪监测和精确定位，随时清楚掌握每个人员/设备在井下的精确位置及活动轨迹。利用系统的日常考勤管理功能，对下井人员进行考勤管理。

2.2.2 井下手机移动通信

采用WiFi 技术，系统可方便实现井下与井下、井下与井上的移动手机通话。

2.2.3 便携式瓦斯检测仪数据实时传输

在不需要重复建设通信线路，而是与定位和通信共享无线信号覆盖的情况下，系统可方便实现便携式瓦斯检测仪（由下井人员随身携带）实时检测数据传输到井上调度室大屏幕。

2.2.4 图像视频监控

同一系统支持井下本安型网络摄像机的视频监控。

2.3 扩展功能

2.3.1应急救援

如果发生井下灾害，调度人员可以立即从监控计算机上查询事故现场的人员具体位置分布情况、被困人员数量和他们的姓名、调用入井人员撤退线路预案等信息，为事故抢险提供科学依据。系统还可通过手机或广播对井下所有人员发出告警消息，为发生事故时井下全体人员的快速撤离提供通信支持。

按照《煤矿安全规程》的规定，井下发生事故时所有“非本质安全型电气设备必须闭锁”，而矿用无线通信及人员管理系统由于全部是本安设备，才能够承担起应急救援的通信任务。在应急救援时，通畅的通信是支持迅速、有序、准确、有效地开展救援工作的重要保证。矿用无线通信及人员管理系统井下设备在断电情况下可连续工作2 个多小时。井下分站可以构成工业以太环网，环网结构可以提供极高的可靠性和网络生存能力，使网络在任何故障或灾害发生时尽可能不中断。

2.3.2工业以太网/工业以太环网

矿用无线通信及人员管理系统既可以作为工业以太网/以太环网骨干使用，也可以作为现有工业以太网骨干的延伸使用。既可以独立建网，也可以和其它厂家的产品连接，为业主提供标准的工业以太网环境。支持TCP/IP 技术为基础的矿山信息化建设。

2.3.3矿区地面无线通信

手机可以从井下漫游到地面，通过构建地面的无线网络，实现地面办公生活环境与矿区调度生产的一体化无线通信。

2.3.4工业自动化通信平台

支持发电厂等工业现场的自动化应用，可实现无线巡检、自动抄表等工业自动化应用。

2.3.5井下广播

支持井下IP 广播技术，可以播放音乐和通知，紧急情况下警报广播等。

2.4 系统特点

定位方面，矿用无线通信及人员管理系统采用ZigBee 技术，具有低功耗、智能化的特点。在通信方面，国家已经规定从市场上退出小灵通系统，以后井下无线通信将主要采用WIFI 技术的手机通信产品。无线通信及人员管理系统是国内最早开发的WiFi 手机通信系统之一。

矿用无线通信及人员管理系统的技术特点在于她既是一个宽带综合通信平台，又全部按照防爆等级中最严格的本质安全要求设计产品。主要有以下特点：

（1）全本安设计，安全性高矿用无线通信及人员管理系统及设备全部按照本质安全型设计，系统安全，可靠性高，可以在井下任何需要的位置安装，在任何情况下工作，包括在其他设备必须闭锁的情况下继续工作。井下分站电源带UPS 功能，可以在断电情况下继续工作2 小时以上，提供应急情况下宝贵的人员定位信息和持续通信能力。是目前唯一能够把综合功能的系统设备做成全本安的。

（2）宽带综合通信平台设计思想（支持多业务能力）宽带、综合通信平台符合数字化煤矿建设的行业和国家标准，提供了多种功能的集成，特别是井下应用，包括：井下精确人员定位考勤、无线手机电话、实时数据传输、视频监控等。同时系统具有很好的拓展性，可拓展很多应用系统，如考勤管理系统、报警系统、决策支持和应急预案管理系统、应急通信系统、远程监控系统等。极大地降低了用户建设成本，降低了系统全寿命周期费用，提高了企业的管理效率。

（3）精确定位

矿用无线通信及人员管理系统提供较高的井下信号覆盖率，实现对井下人员和车辆的全程实时定位，最高可提供±15 米精度的井下定位能力。还可以提供机车人员靠近告警等功能。

（4）简便性井下设备体积小、重量轻，网络结构简单，安装维护方便。矿用无线通信及人员管理系统井下固定设备和材料仅有分站、电源、电源线和光缆。

井下本安分站重量轻，安装方便。巷道内沿任何方向只引出一跟光缆，方便维护。井下光缆少，并且不需要井下交换机（已经集成到分站中），也不需要基站控制器和中继器等设备，节约了大量建设成本的同时也减少了维护工作量，保证了系统的高可靠性。

（5）兼容性系统采用标准化且成熟的网络通信协议、软硬件和有线/无线传输技术，对使用条

件要求较低，布设方便，便于调整和弹性配置，易于扩展。可与现有办公网络系统共存和联网运行，同时提供广泛采用的标准化接口，使得各类信息设施可灵活方便地接入。可连接如地面固定电话、办公自动化网络、工业现场总线、现有模拟图像系统、人力资源数据库系统等。使企业原有的各类系统都可以方便地接入统一的传输平台，充分利用现有资源，保护用户投资。

（6）信号覆盖强无线通信井下信号覆盖水平在全行业处于领先水平。不用定向天线即可实现半径300 米以上的无线信号覆盖。

（7）互联互通可实现跨网联网，配置相应的服务器和软件后，管理人员即使在外地出差，也可以通过互联网、国家公共电信网、3G移动网络等，访问和查看矿内通信网络情况，包括可以从外部与井下手机通话。综合起来，矿用无线通信及人员管理系统为方便企业管理和全面建设数字化煤矿提供了性价比较高的基础平台。

2.5 基本原理

矿用无线通信及人员管理系统基于工业以太网技术的设计，传输采用了IEEE802 系列标准技术，包括IEEE802.3、IEEE802.11 和IEEE802.15.4 等。

系统布设时，在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中，根据现场勘测结果和具体情况需要，安装一定数量的矿用本安型读卡分站，井下信号可设计为覆盖全部巷道。规定每个下井人员必须佩带一个矿用本安型标识卡，当人员下井以后，只要其在井下网络信号覆盖范围内，在任何时刻任意一点，分站都可以感应到信号，并上传到信息工作站，经过软件处理，得出各具体信息（如：是谁，在哪个位置，具体时间等），同时可把它动态显示（实时）在监控中心的大屏幕或电脑上，并作好备份。井上人员可随时了解井下人员的状态。一旦井下发生突发情况，井下人员可通过所携带的标识卡发出警报。井下人员只要按标识卡上的报警按钮即可发出报警。在井上监控室的动态显示界面会立即弹出红色报警信号并显示报警位置。

管理者可随时观看大屏幕或电脑上的井下人员及设备活动情况，并可查看任意区域、任何班组/个人的信息状况，并可进行全部或分组报表打印，历史数据查询，人员踪迹快放查看等，为管理带来极大的方便。

语音通话：在上述网络基础之上，不需要另外布设线路，只需增加手机终端设备，就可以实现井下无线手机通话。无线手机的电话号码是预先分配好并在手机中设置好的。手机开机后会自动搜索基站信号，如果信号搜索成功，分站会为手机分配网络地址，这个地址在网络中是唯一的。拥有了网络地址的手机会自动注册到位于地面调度室的SIP 软交换服务器上，服务器会生成一张列表，把所有在线的手机号码与他们上报的当前网络地址对应排列，人员拨号时拨的是手机号码，而软交换机通过其保存的在线手机列表找到它们当时的网络地址，把信令信息转发给相应的网络地址，从而实现了拨号。完成拨号后，语音信息直接从一个手机（的网络地址）被发送到目的手机（的网络地址），从而实现了语音通信。

通过中继网关，井下移动通信网可以连接企业内部的办公电话网或外部公网，从而实现有线固定电话和井下无线手机的对通。

如果不设置防火墙，企业内部办公网则可以和井下无线网直接相通。视频监控：增加摄像机即可实现井下视频监控。系统中所有设备及功能共用一个网络，为用户节约了大量资金的同时，也大大减少了繁杂线路的布设，减少了维护工作的同时也大大降低了企业的安全隐患。

3.总体设计

3.1 系统设计的依据

3.1.1 人员定位子系统设计依据

GB191—2000包装储运图示标志

GB3836.1—2000 爆炸性气体环境用电气设备第1 部分通用要求

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

GB/T10111-1988 利用随机数骰子进行随机抽样方法

GB/T1004－2006 煤矿安全生产监控系统通用技术要求

GB/T1008－2006 煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求

GB/T2887—2000 电子计算机场地通用规范

MT/T286－1992 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理办法

MT/T772—1998 煤矿监控系统主要性能测试方法

MT/T899—2000 煤矿用信息传输装置

AQ 6210－2007 煤矿井下人员作业管理系统通用技术条件

AQ1043—2007 矿用安全标志标识

3.1.2无线通信子系统设计依据

GB/T191-2008 包装储运图表标志

GB3836.1-2000 爆炸性气体环境用电气设备第1 部分：通用要求

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 ”

GB9813-2000 微型数字计算机通用规范

MT209-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求

MT210-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法

MT/T286-1992 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理办法

GB9969.1 工业产品使用说明书总则

Q1043—2007 矿用安全标志标识

3.2 系统设计原则

矿用无线通信及人员管理系统在研发过程中综合考虑了以下基本原则：

（1）满足用户的功能需求

同时综合满足用户对井下人员/设备定位、考勤、通话、视频监控的需求。定位具有信号覆盖区内全程、连续、实时、精确的定位跟踪，安全性高。

（2）在达到超过国家规定的安全指标的基础上，全面提升系统的性能。

（3）控制系统成本，节省用户开支。一套综合系统实现多项功能，省略了重复布线带来的人工和材料成本，提高了可靠性和可维护性，降低了维护成本，降低了系统总维护运行费用。

（4）系统要容易施工，容易维护仅需一条光缆连接全部设备，井下分站重量轻，安装方便，安装维护速度快。

（5）人性化界面，提供友好的界面，操作容易，功能全面。

（6）模块化设计，方便系统升级及网络扩容。矿用无线通信及人员管理系统是现代工业设计方法下设计的，各分系统间界面清晰，无论是硬件还是软件，各个分层间结构清楚，完全标准化，便于升级和扩容。

（7）兼容性，接口方式灵活，能满足矿山信息化建设要求采用标准TCP/IP 接口，完全满足信息化要求，可与各种应用软件接口，传递数据。