一、系統(tǒng)概述
由于礦山生產(chǎn)的特殊性，水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害時刻都在威脅礦井工作人員的生命安全，礦井重大災害及傷亡事故隨時都有可能發(fā)生。目前，礦山井下普遍存在入井人員管理困難，難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災、安全救護的效率低。因此礦山行業(yè)迫切需要井下人員跟蹤定位管理系統(tǒng)，實時掌握每個人在井下的位置及活動軌跡，對礦山的安全生產(chǎn)將有積極作用，在一定程度上減少人員傷亡。同時，上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄。我們在分析一些礦山發(fā)生的特大事故時發(fā)現(xiàn)：
（1）地面與井下人員的信息溝通不及時；
（2）地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，難以對人員進行精確定位；
（3）一旦礦山事故發(fā)生，搶險救災、安全救護的效率低，搜救效果差。
（4）不能準確把握安全監(jiān)察人員到位狀況。
井下人員跟蹤定位管理及考勤管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對礦山井下人員全方位安全生產(chǎn)管理。該系統(tǒng)是由礦井地面監(jiān)控中心主計算機在軟件數(shù)據(jù)庫的支持下，通過傳輸接口和巷道鋪設的有線傳輸系統(tǒng)，定時對井下通訊基站進行數(shù)據(jù)巡檢和信號采集，將其接收到的基站區(qū)間內(nèi)的人員信息收發(fā)卡發(fā)射的數(shù)字信號，經(jīng)軟件數(shù)據(jù)處理，將井下人員（含機車等移動目標）動態(tài)分布在井上監(jiān)控中心的電子地圖上，使得管理人員可以動態(tài)掌握井下人員的分布狀況，特別是在事故情況下可以非常清晰知道遇困人員的位置，方便快速施救。系統(tǒng)可以實現(xiàn)井下井上人員雙向報警，井上指揮中心也可以對井下人員進行點名呼叫或廣播呼叫，達到雙向通訊。
礦山井下人員定位考勤及管理系統(tǒng)是在對現(xiàn)有較先進的礦山監(jiān)控設施集成的基礎上，對井下人員跟蹤、定位、考勤及雙向通訊，從而實現(xiàn)礦山井下人員的安全生產(chǎn)管理功能。該系統(tǒng)是由礦井地面監(jiān)控中心主計算機在服務器軟件的支持下，通過傳輸接口和巷道鋪設的有線傳輸系統(tǒng)，定時對井下通訊基站進行數(shù)據(jù)巡檢和信號采集，經(jīng)過軟件數(shù)據(jù)處理后將井下人員（含機車等移動目標）動態(tài)分布在井上監(jiān)控中心得以實時反映，從而達到井下人員情況在井上實時監(jiān)控和雙向通訊管理的目的。井下人員定位系統(tǒng)能通過電子地圖，將人員情況反映到井下巷道圖中。
二、系統(tǒng)功能及特點
“精確時間定位，精確空間定位”是本系統(tǒng)設計的宗旨。系統(tǒng)對每一個下井人員的時間，以及某個時間點、某個時間段在某個位置，都給予精確定位。系統(tǒng)提供多項查詢功能。
井下人員定位跟蹤及考勤管理系統(tǒng)涉及計算機軟件、數(shù)據(jù)庫、電子電路、防爆本安電源、數(shù)字通訊、無線識別RFID技術(shù)、井下工業(yè)以太網(wǎng)、井下施工等方面。因此，在設計方案時，除了考慮其功能外，在穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、容錯能力及異常保護等方面也進行了充分考慮。項目方案確定利用現(xiàn)有成熟的高速工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)作為主傳輸平臺，開發(fā)相應的井下人員跟蹤定位基站、人員無線編碼發(fā)射器等設備與系統(tǒng)掛接，通過自主開發(fā)的井下人員跟蹤定位管理及考勤管理專用軟件與主系統(tǒng)的標準專用數(shù)據(jù)庫進行后臺數(shù)據(jù)交換從，而實現(xiàn)井下作業(yè)人員的跟蹤、定位和安全管理。
（一） 網(wǎng)絡功能
通過方便靈活的用戶管理功能和各種權(quán)限的設置，使用戶在局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺電腦上都可進行信息查看和操作管理。
1、在礦內(nèi)、集團內(nèi)、局內(nèi)可進行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測，可供礦領導在其辦公室內(nèi)直觀了解井下各類人員動態(tài)信息。
2、設置了管理權(quán)限,只有專業(yè)管理人員才能對管理數(shù)據(jù)進行增、刪、改等操作。
（二）設備功能
1、實現(xiàn)井上與井下的雙向通訊（呼叫及尋呼功能）：分為普通尋呼和緊急尋呼。具備尋呼延時功能，如果當前尋呼人員未在基站信號范圍內(nèi)，則尋呼會在人員到達基站信號范圍內(nèi)進行，保證尋呼的有效性。被尋呼人員是否響應呼叫信號，系統(tǒng)給與提示并保存記錄，以供查詢。
井下人員可以向井上緊急報警（含報警確認功能），為緊急救助提供信息。井上對井下人員的點名尋呼及廣播尋呼，點名尋呼包括普通呼叫和緊急呼叫。
廣播尋呼：對某基站內(nèi)或則井下所有人員進行尋呼，并啟動該基站配置的聲光報警器，用于突發(fā)事件處理和特殊管理功能的需要。系統(tǒng)自動保存記錄，以供查詢。
2、可監(jiān)控動態(tài)目標的最大移動速度15米/秒。
3、整個系統(tǒng)可容納最大基站數(shù)量不小于64個，每個基站能夠同時接收的人員信息收發(fā)卡的數(shù)量大于100個。
4、井下基站與人員信息卡的無線通訊距離
地面開闊地帶：最大160m
井下：最大80m
5、定位功能：人員定位：通過實時分布、歷史分布、軌跡回放和人員跟蹤等功能快速確認井下人員目前和歷史分布情況。如果被跟蹤人員在檢測范圍內(nèi)，則通過其卡號定位其目前的位置，如果被檢測人員沒有在檢測范圍內(nèi)，系統(tǒng)則自動定位到其最后被檢測到的位置。
（三）、管理功能
1、井下人員分布管理
實時分布：能顯示當前井下人員每時每刻在巷道的實時動態(tài)分布情況及人員數(shù)量。
實時跟蹤：能夠?qū)崟r的對井下人員位置進行跟蹤監(jiān)測。直觀地反映出井下特定人員的分布位置。
歷史分布：能顯示過去某時刻的井下人員分布位置。
軌跡回放：能夠?qū)δ骋粴v史時段的任意人員的移動過程通過動畫的方式顯示出來。
2、禁區(qū)管理功能
能進行禁區(qū)的設置，并對違章進入禁區(qū)人員進行聲光報警，井上管理部門也同時報警并進行記錄和考核。分為單站禁區(qū)管理和區(qū)域禁區(qū)管理。可以設置某一類工種或則某一類卡號人員禁止進入某一個設定的禁區(qū)范圍，也可以設定某一個特定的人禁止進入設定的禁區(qū)范圍。在單站禁區(qū)管理中，如果有被設定未允許人員進入禁區(qū)基站信號范圍，則對進入人員進行報警提示；系統(tǒng)保存記錄，以供查詢。在區(qū)域禁區(qū)管理中，可根據(jù)進入和離開區(qū)域的人員數(shù)量自動開啟和停止報警，主要適用于井下行車不行人的車道以及規(guī)定禁止進入場所的安全管理，也可以用于實現(xiàn)對重要區(qū)域的監(jiān)管。
3、礦車運行管理統(tǒng)計功能：可以根據(jù)需要實現(xiàn)車輛的出入管理、運行統(tǒng)計、動態(tài)跟蹤。
4、考勤和報表：能對員工的出勤進行考核，并生成考勤報表。可對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，并生成礦方管理需要的各類報表。可生成任意日期范圍、任意人員屬性（工種、卡號、職務等）的下井人員考勤信息報表，并可根據(jù)礦山內(nèi)部管理需要靈活定制。可以生成日、月、季度、年等報表。生成的報表可以打印或則存為電子文檔。
5、突發(fā)事件管理功能：一旦發(fā)生各類事故，能立即查出井下人員分布、姓名，遇險人員具體位置。并能收取未斷線基站的實時數(shù)據(jù)，提高搶險效率和救護效果。
6、報警功能：系統(tǒng)具有完善的監(jiān)測識別能力，能夠?qū)Χ喾N事先設定的違禁行為進行動態(tài)報警，并且保存記錄。
7、雙向呼叫功能：系統(tǒng)根據(jù)需要（特別是緊急情況下）可以對井下工作人員進行個別和集體呼叫；井下人員也可以通過隨身攜帶的RFID卡呼叫地面主機。（注此功能指的是手持式定位芯片，如放在礦燈內(nèi)，礦燈內(nèi)沒有另外的外接開關，則不太好實現(xiàn)）
8、 超時報警：井下人員工作時間超時報警，可分類設置也可以單獨設置下井工作人員的工作時間上限，超過設定的工作時間，系統(tǒng)則自動給其本人發(fā)報警信號，同時系統(tǒng)也會彈出提示對話框，并且保存記錄，以供查詢。
9、 超員報警：對下井工作人員數(shù)量進行實時監(jiān)控，系統(tǒng)自動監(jiān)測當前下井的人數(shù)是否合符設定的下井人數(shù)，如果超過事先設定的下井人數(shù)，系統(tǒng)給與報警提示。
10、測距功能：根據(jù)需要，系統(tǒng)可以自動測量任意兩點之間的距離，此距離是礦井的實際距離。
(四)、 系統(tǒng)特點
設計井下坑道地理信息地形圖，可放大、查詢坑道各處的各種資料、信息，如放火及救援、生產(chǎn)設備分布信息、坑道環(huán)境信息、人員分布信息等。根據(jù)需要主要坑道安裝監(jiān)控設備，也可以將提前拍下的坑道環(huán)境的實圖存儲到地形圖上，為管理人員提供信息查詢資料。
如果發(fā)生安全事故，查詢系統(tǒng)可知坑道內(nèi)人員的數(shù)量名單、進出口位置、事故發(fā)生位置，久遠設備位置等信息，保證搶險救災的高效運作。系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)到以下幾個方面：
1、 高度自動化。系統(tǒng)能自動檢測井下坑道人員經(jīng)過該監(jiān)測點的時間、地點信息，并自動實現(xiàn)對人員的考勤作業(yè)、統(tǒng)計及監(jiān)測管理。
2、先進的通信系統(tǒng)。安裝在礦山井下各通道的無線信息采集設備，實時將采集到的信息傳送到井下專用處理傳輸分站，并通過井下現(xiàn)場總線實時向地面的網(wǎng)絡服務器傳送相關人員通過的數(shù)據(jù)，整個過程無需人為干預。
3、完備的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與信息查詢軟件。系統(tǒng)軟件具備專用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，包括工人通過坑道的信息采集和統(tǒng)計分析系統(tǒng)，考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理分析系統(tǒng)，顯示并打印各種統(tǒng)計報表資料，為高層管理人員的查詢與管理提供全方位的服務。
4、系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠性設計。系統(tǒng)產(chǎn)品采用坑道壁掛式設計，保證系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下能連續(xù)正常運轉(zhuǎn)，并提供斷電后2小時的供電電源。
5、完善的異常情況報警功能。系統(tǒng)能夠自動識別非法人員進入，包括無卡非法進入、無效卡、失效卡、黑名單卡進入。
6、監(jiān)控范圍靈活。可根據(jù)礦山的實際情況、技術(shù)要求及重點監(jiān)控的范圍和區(qū)域來確定通訊基站的間距與數(shù)量。
7、多種高新技術(shù)集成。本系統(tǒng)集成了無線數(shù)據(jù)傳輸、CAN總線有線傳輸、微波通訊、微電腦技術(shù)、在線編程和多層次軟件技術(shù)。在微電腦技術(shù) 中，采用了高度功能集成，使系統(tǒng)具有了模數(shù)轉(zhuǎn)換、輸入識別、濾波、存儲、巡檢、傳輸、在線寫入等多種功能。更主要是能進行井上與井下的雙向?qū)ず簦吓c井下某人員的尋呼和井下人員向井上緊急報警。如礦領導需要緊急呼叫井下一位員工，可點擊軟件雙向通信按鈕，出現(xiàn)一菜單，輸入人員信息收發(fā)卡號，確認后發(fā)出信息，員工識別卡發(fā)出信號,員工收到信息后可以通過井下電話同地面聯(lián)系
8、投資少收益大。根據(jù)礦井目前狀況，進行相關設備的增添和改造，使各級管理人員具備查詢、統(tǒng)計、控制等管理手段，實現(xiàn)遠距離信息化管理。與國內(nèi)外類似設備相比較，該設備成本低,傳輸距離長,集成度較高，可節(jié)省投資50%以上。
9、多功能：實現(xiàn)了井下人員實時監(jiān)控定位，軌跡回放，井上對井下傳呼、報警，井下向井上報警，考勤，超時，超員及禁區(qū)管理等多項管理功能。
10、安全性：本系統(tǒng)中采用的所有設備，均是符合國家安標的產(chǎn)品，防爆、阻燃、抗干擾。
11、抗強電壓大電流：本系統(tǒng)采用多重逼雷措施，避雷器采用法國歐申電氣的產(chǎn)品。同時在每個基站及本安電源內(nèi)采用了專用電路防患措施。
12、高容量：一個中心站主機容納64個通信基站,最多可容納6400個信息卡；每站可同時監(jiān)控100個以上的信息卡，滿足大中型礦山的需要。整個系統(tǒng)低電壓、低工耗、本質(zhì)安全型，確保了礦山井下使用的安全性。
13、 自動檢測：系統(tǒng)自動檢測基站運行狀態(tài)，便于出現(xiàn)故障及時維護。
14、 監(jiān)控范圍靈活：可根據(jù)礦山的實際情況、技術(shù)要求及重點監(jiān)控的范圍和區(qū)域來確定基站的間距。
15、 多種高新技術(shù)集成：本系統(tǒng)集成了無線數(shù)據(jù)傳輸、CAN總線有線傳輸、微波通訊、微電腦技術(shù)、在線編程和多層次軟件技術(shù)。在微電腦技術(shù)中，采用了高度功能集成，使系統(tǒng)具有了模數(shù)轉(zhuǎn)換、輸入識別、濾波、存儲、巡檢、傳輸、在線寫入等多種功能。井上與某井下人員的尋呼和井下人員向井上緊急報警。
16、 系統(tǒng)界面合理：系統(tǒng)界面以簡單美觀操作方便為主題，只需要簡單設置就可以實現(xiàn)復雜的功能。
三、 系統(tǒng)設計原則
1、實現(xiàn)礦山井下作業(yè)人員進出的有效識別和監(jiān)測監(jiān)控，使管理系統(tǒng)充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動化”，實現(xiàn)數(shù)字礦山的目標。
2、 為礦山管理人員提供人員進出限制、考勤作業(yè)、監(jiān)測監(jiān)控等多方面的管理信息，一旦發(fā)生礦山安全事故，通過該系統(tǒng)立刻可以知道該作業(yè)面工作人員及其數(shù)量，保證搶險救災和安全救護等搜救工作的高效運作。
3、 系統(tǒng)設計的安全性、可擴容性、易維護性和易操作性。
4、輕松連網(wǎng)，BS結(jié)構(gòu)，可以非常方便地實現(xiàn)縣、市、省以及更廣闊區(qū)域的連網(wǎng)監(jiān)測。
5、遵循“統(tǒng)一發(fā)卡，統(tǒng)一裝備，統(tǒng)一管理”的原則，將標識卡視為“上崗證”或則“坑道準入證”，按準許上崗人員實行“一人一卡”。一個卡號對應一個人，嚴格規(guī)范管理，杜絕一切事故發(fā)生的潛在隱患。更方便管理。
四、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
1、系統(tǒng)構(gòu)成
井下人員跟蹤定位管理及考勤管理系統(tǒng)井上設備主要包括：中心站主機、軟件數(shù)據(jù)庫、傳輸接口等；井下設備主要包括：通訊基站，聲光報警器，防爆電源，信息收發(fā)卡等組成。
傳輸接口及每個通訊基站配備一臺本安電源，所有電源不共地。（按中國的標準要求每個基站要配一個防爆電源，將礦山的AC127V電變?yōu)镈C12V給基站供電，如客戶沒有此要求基站可做到從井下電源直接取電，可不用這個防爆電源。聲光報警器是指可在井下安裝一些喇叭和警燈進行報警，但目前礦山基本都取消了這個功能。
2、工作原理：
井下人員定位跟蹤管理及考勤管理系統(tǒng)是由地面監(jiān)控中心主計算機在系統(tǒng)軟件的支持下，通過數(shù)據(jù)傳輸接口和沿巷道鋪設的通訊光/電纜，無間斷、即時地對井下安裝的無線數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)信息采集，無線數(shù)據(jù)采集器將自動采集有效識別距離內(nèi)的標識卡的信息，并無間斷、即時地通過傳輸網(wǎng)絡將相關數(shù)據(jù)傳送至地面中心站。數(shù)據(jù)信息經(jīng)分析處理后，將井下人員（或機車等移動目標）動態(tài)分布在主計算機界面中得以實時反映，從而實現(xiàn)井下安全狀態(tài)在井上數(shù)字化管理的目的。
根據(jù)礦井監(jiān)測需求，在井下坑道、峒室、作業(yè)面等地點安裝無線數(shù)據(jù)采集器，并通過電纜/光纖數(shù)據(jù)傳輸接口相互連接為井下高速工業(yè)以太網(wǎng)，從而構(gòu)成完整通訊線路。
礦山生產(chǎn)單位輸入工作人員相關信息后，向下井工作人員頒發(fā)并裝備標識卡。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫記錄該標識卡相對應人員的基本信息，包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種、職務、本人照片、有效期等基本信息。
進入坑道的工作人員必須隨身攜帶標識卡，當持卡人員經(jīng)過設置識別系統(tǒng)的地點時被系統(tǒng)識別。系統(tǒng)將讀取該卡號信息，通過系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡，將持卡人通過的路段、時間等資料 進入坑道的工作人員必須隨身攜帶標識卡，當持卡人員經(jīng)過設置識別系統(tǒng)的地點時被系統(tǒng)識別。系統(tǒng)將讀取該卡號信息，通過系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡，將持卡人通過的路段、時間等資料傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)管理，并可同時在地理信息大屏幕墻上出現(xiàn)提示信息，顯示通過人員的姓名。如果感應的無線標識卡號無效或進入限制通道，系統(tǒng)將自動報警，安全監(jiān)控中心值班人員接到報警信號，立即執(zhí)行相關安全工作管理程序。
生產(chǎn)單位可根據(jù)生產(chǎn)計劃，對該標識卡進行授權(quán)管理。授權(quán)范圍包括：該員工可以準入的坑道或作業(yè)面。為防止無關人員和非法人員進入坑道或作業(yè)面，系統(tǒng)設置該卡準入坑道或作業(yè)面的時效管理模塊及卡的失效、報失等。
坑道一旦發(fā)生安全事故，監(jiān)控中心在第一時間內(nèi)可以知道被困人員的基本情況，救險隊使用移動式遠距離識別裝置，在80米的范圍內(nèi)方便探測遇險人員的位置，便于（進行安全高效的救護、救助工作）救護工作的安全和高效運作，便于事故救助工作的開展。
下井后打開員工識別卡開關，即開始向接收站無線發(fā)射自身的ID號 ,接收站收到上述信號后，存儲于自身CPU中，待中心站巡檢時，通過傳輸系統(tǒng)和傳輸接口，有線傳送至中心站數(shù)據(jù)庫,中心站對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行判別、分析、處理，實現(xiàn)各管理功能.
系統(tǒng)可自動生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理等方面的報表資料，提高管理效益。
五、系統(tǒng)主要技術(shù)指標
1、 系統(tǒng)容量
一個中心站主機容納64個通信基站,可容納6000多個員工電子識別卡；每通信基站同時監(jiān)控100個員工電子識別卡。
2、 中心站主機
地面中心站主機采用中高檔服務器。
CPU：使用相當于Intel公司的Pentium IV或以上級別的CPU；
操作系統(tǒng)：Windows2000/WindowsXP以上操作系統(tǒng)；
應用軟件：采用高級語言開發(fā)的井下人員定位跟蹤及考勤管理軟件；
內(nèi)存：512M；硬盤：80G；
3、 通訊基站：
電氣性能:
工作電壓:DC12V；
工作電流:≤380mA ；
容量:每個基站可容納100個人員信息收發(fā)卡的信息；
傳輸速率：4800bps；
4、 傳輸接口
工作電壓：DC5V（±10%）；工作電流：≤100mA；
通訊速率：4800bps；傳輸距離:≥10Km；
5、傳輸誤碼率：≤10-6
6、傳輸系統(tǒng)：
銅芯雙絞線傳輸，型號為PUYVP,截面積1.5平方毫米(導線直流電阻不大于 12.5Ω/km，線對工作電容不大0.06μF/km，電感不大于0.8mH/km), 安全標志；
豎井電纜：鎧裝屏蔽1×4×1.38；
聲光報警器：供電電壓：DC12—15V；
工作電流：小于50mA；防爆標志：Exib I；
防爆電源：傳輸接口非本安端由普通交直流模塊輸出直流5V的穩(wěn)壓電源供電；傳輸接口本安端由輸出直流5V的CSTI-I型防爆電源組件供電，其輸入AC220V , 輸出本安參數(shù)5V/1.5A；
基站由輸入AC127V, 輸出本安參數(shù)12V/1.1A 的KDW29型隔爆兼本安電源供電。電壓波動范圍:-25―+10%；
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