井下作业人员高精度定位系统

1.井下作业人员高精度定位系统，包括设置在地面上的定位服务器和设置在井下巷道内的探测装置，其特征在于：
所述定位服务器上设有定位数据库，所述探测装置包括多个定位AP分站，所述定位AP分站通过防爆光交换机连接到所述定位服务器；所述定位数据库上预先保存有井下巷道矩形空间网格上的每一个网格点的标定特征参数，所述标定特征参数为预先设置在相应网格点上的无线发射器的接收范围内的定位AP分站所接收到的该无线发射模块发出的标定信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度；
每个所述定位AP分站上均设有无线接收模块和测量模块，井下作业人员所配带的定位终端上设有无线发射模块，定位终端通过所述无线发射模块实时发出含有该定位终端的ID的探测信号，接收范围内的定位AP分站收到探测信号后，通过其上的测量模块获得所接收到的探测信号的实时特征参数并发送给定位服务器，所述实时特征参数包括每一个定位AP分站收到的探测信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度；
所述定位服务器上还设有用于比对实时特征参数与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数的比较模块。
2.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，所有定位AP分站分成多组，每组中的多个定位AP分站分别通过网线连接到一个光电转换器的网络接口上，所述光电转换器的光输出口通过所述防爆光交换机连接到所述定位服务器上。
3.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，还包括定位数据实时扩展装置，所述定位数据实时扩展装置包括跟随井下掘进机同步移动的支架，所述支架上设有与巷道空间网格点纵向截面相匹配的节点，每个节点上安装有一个扩展无线发射模块，每一个所述扩展无线发射模块随采掘面同步移动，并在相应的掘进位置发射扩展信号，该扩展信号中包含有相应扩展无线发射模块的ID，接收范围内的定位AP分站将扩展信号的扩展特征参数传送到所述定位服务器并添加到定位数据库中创建新的网格点，所述扩展特征参数包括所接收到的扩展信号的幅度、到达角度、信噪比和干扰强度，新的网格点的坐标通过掘进位置以及扩展无线发射模块的位置确定。
4.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，所述定位AP分站上还设有用于检测网络通断的网络监测模块和用于保存探测信号的实时特征参数的存储器。
5.如权利要求1所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，还包括设置在地面上的监控工作站，所述终端上设有用于发出报警信号的报警按键，所述分站实时监测报警信号，并传送给所述监控工作站。
6.如权利要求5所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，所述监控工作站根据某个区域内终端的数量与规定数量的比较结果产生超员报警。
7.如权利要求5所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，所述监控工作站根据相邻两个终端之间的距离与设定值的比较结果产生一人带多卡报警。
8.如权利要求5所述的井下作业人员高精度定位系统，其特征在于，所述监控工作站实时监测各所述定位AP分站的工作状态，产生相应的分站故障报警。

井下作业人员高精度定位系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型定位装置，具体涉及井下作业人员高精度定位系统。\n背景技术\n[0002] 矿井开采行业的安全事故频发，因此，国家对煤矿井下作业人员的安全日益重视，监管力度不断加强，相继出台多项管理规程。如：《煤矿安全规程》第十条要求：煤矿企业必须建立入井检测制度和出入井人员清点制度；《煤矿井下安全避险“六大系统”建设完善基本要求及检查验收暂行办法》第十七条要求：所有入井人员必须携带识别卡；AQ6210-2007及AQ1048-2007《煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》中要求：各个人员出入井口应设置检验识别卡是否正常和唯一性检测的装置，并提示携卡人员本人及相关人员。其主要目的在于：有效进行矿工管理，遏制超员生产，保证抢险救灾、安全救护。\n[0003] 对矿工进行有效管理的基础在于井下作业人员的精确定位。目前常用的定位方法主要有三种：\n[0004] (1)基于射频识别技术(RFID,Radio Frequency Identification)的定位系统，该定位系统应用比较广泛，但是有以下一些问题：\n[0005] 定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，做不到动态实时的精确定位，一旦矿难发生，无法准确的定位矿难人员所在的具体位置；\n[0006] 由于RFID只能实现区域定位，无法检测一人携带多卡的情况，不便于矿领导对人员的考勤与管理；\n[0007] 受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。\n[0008] (2)基于蜂窝无线网络中基于小区标识(Cell ID)的定位系统，该定位系统利用待定位物体所在的服务基站即蜂窝小区的ID来估计待定位物体所在的位置，蜂窝网络中的小区ID是全世界唯一的，待定位物体所在的位置主要由蜂窝小区的ID和小区覆盖范围决定的。Cell ID实现原理简单，无需定位终端改动，也无需测量复杂的信号特征值，只需网络侧做小小的改进，增加定位流程即可，是目前无线定位技术中最简单的方法，定位时间只需3秒左右，但是该技术通过识别用户所在的小区来定位用户的位置，定位精度往往在小区半径数量级别上，大约200到300米左右范围，定位精度很低。但是由于井下巷道的特殊环境，如无线信号多径传播，信号衰落大，很难视距传播，因此该技术不适合用于煤矿井下精确定位。\n[0009] (3)基于接收信号强度(RSSI,Received Signal Strength Indication)的定位系统，是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传播损耗型计算移动节点与传输分站间的距离。移动节点接收到的信号强度随着距离传输分站的距离变化而变化，即移动节点与传输分站距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距传输分站越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果。RSSI定位方法简单易实施。但是无线信号的传播损耗模型受环境影响很大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加传输分站的密度，及通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但是井下环境多维隧道组成的线状环境，无法得到平面上其他方向的场强数据，所以当隧道中存在如较大金属遮挡物等起亚影响无线信号传输的因素时，定位误差较大。\n[0010] 另外，矿井的井巷道是狭长、闭合的通信通道，并且由于粉尘、潮湿、电磁干扰等原因的存在，通信条件比较恶劣，主要表现在下面几点：首先，多径效应严重。多径传播会导致时延扩展、信号相位偏移和频率扩展；其次，非视距路径传播对于信号强度影响很大。当移动台和接收机之间的直线距离被遮挡后，只有折射和反射路径达到接收端，则接收处得到的信号强度RSSI会被消弱，进一步增大了测量值的误差，降低了系统的定位精度。\n实用新型内容\n[0011] 本实用新型所要解决的技术问题是矿井井下作业人员定位系统定位精度的问题。\n[0012] 为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种高精度矿井实时定位系统，包括设置在地面上的定位服务器和设置在井下巷道内的探测装置；\n[0013] 所述定位服务器上设有定位数据库和比较模块，所述探测装置包括多个定位AP分站，所述定位AP分站通过防爆光交换机连接到所述定位服务器；所述定位数据库上预先保存有井下巷道矩形空间网格上的每一个网格点的标定特征参数，所述标定特征参数为预先设置在相应网格点上的无线发射器的接收范围内的定位AP分站所接收到的该无线发射模块发出的标定信号的幅度、到达角度和信干噪比和干扰强度；\n[0014] 每个所述定位AP分站上均设有无线接收模块和测量模块，井下作业人员所配带的定位终端上设有无线发射模块，定位终端通过所述无线发射模块实时发出含有该定位终端的ID的探测信号，接收范围内的定位AP分站收到探测信号后，通过其上的测量模块获得所接收到的探测信号的实时特征参数并发送给定位服务器，所述实时特征参数包括每一个定位AP分站收到的探测信号的幅度、到达角度、信干噪比和干扰强度。\n[0015] 定位服务器上的比较模块根据实时特征参数与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数的比对结果，获得定位终端在井下巷道内的准确位置。\n[0016] 在上述系统中，所有定位AP分站分成多组，每组中的多个定位AP分站分别通过网线连接到一个光电转换器的网络接口上，所述光电转换器的光输出口通过所述防爆光交换机连接到所述定位服务器上。\n[0017] 在上述系统中，还包括定位数据实时扩展装置，所述定位数据实时扩展装置包括跟随井下掘进机同步移动的支架，所述支架上设有与巷道空间网格点纵向截面相匹配的节点，每个节点上安装有一个扩展无线发射模块，每一个所述扩展无线发射模块随采掘面同步移动，并在相应的掘进位置发射扩展信号，该扩展信号中包含有相应扩展无线发射模块的ID，接收范围内的定位AP分站将扩展信号的扩展特征参数传送到所述定位服务器并添加到定位数据库中创建新的网格点，所述扩展特征参数包括所接收到的扩展信号的幅度、到达角度、信噪比和干扰强度，新的网格点的坐标通过掘进位置以及扩展无线发射模块的位置确定。\n[0018] 在上述系统中，所述定位AP分站上还设有用于检测网络通断的网络监测模块和用于保存探测信号的实时特征参数的存储器。\n[0019] 在上述系统中，还包括设置在地面上的监控工作站，所述终端上设有用于发出报警信号的报警按键，所述分站实时监测报警信号，并传送给所述监控工作站。\n[0020] 在上述系统中，所述监控工作站根据某个区域内终端的数量与规定数量的比较结果产生超员报警。\n[0021] 在上述系统中，所述监控工作站根据相邻两个终端之间的距离与设定值的比较结果产生一人带多卡报警。\n[0022] 在上述系统中，所述监控工作站实时监测各所述定位AP分站的工作状态，当某个分站发生故障时产生报警。\n[0023] 本实用新型，定位服务器上设有定位数据库，定位数据库上预先保存有井下巷道空间网格上的每一个网格点的标定特征参数，定位AP分站接收定位终端发出的探测信号获得其实时特征参数并发送给定位服务器，定位服务器根据实时特征参数与定位数据库中每一个网格点的标定特征参数的比对结果，获得定位终端在井下巷道内的准确位置，完全屏蔽了电磁波首达径提取所带来的误差，排除了井下巷道复杂电磁环境的影响，大大提高了井下作业人员的定位精度。\n附图说明\n[0024] 图1为本实用新型的结构示意图。\n具体实施方式\n[0025] 本实用新型提供了一种井下作业人员高精度定位系统，通过对井下巷道进行网格式空间标识建立定位数据库，近而利用巷道内各定位AP分站实时接收到的定位终端发出的探测信号，并与定位数据库进行比对，从而实现井下作业人员的精确定位，完全屏蔽了电磁波首达径提取所带来的误差，排除了井下巷道复杂电磁环境的影响，大大提高了井下作业人员的定位精度。下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细的说明。\n[0026] 如图1所示，本实用新型提供的高精度矿井实时定位系统包括：设置在地面上的定位服务器10和设置在井下巷道内的探测装置。\n[0027] 定位服务器10上设有定位数据库11和比较模块12。探测装置包括多个定位AP分站21，通过防爆光交换机22连接到定位服务器10。\n[0028] 其中，定位数据库的建立方式如下：\n[0029] (1)将井下巷道内部空间分割成由矩形组成的空间网格并将每一个网格点(Xi、Yi、Zi)编号为Ni；\n[0030] (2)在每一个网格点Ni上发射含有该网格点的编号Ni的无线标定信号；\n[0031] (3)井下巷道内该无线发射器接收范围内的多个定位AP分站分别接收所述无线标定信号并发送给定位服务器；\n[0032] (4)定位服务器解算每一个定位AP分站Sk收到的无线标定信号，并将每一个接收信号Rki的幅度(RSSI)、到达角度(AOA)、信干噪比和干扰强度等相关测量值作为该网格点的标定特征参数Bi，(Xi、Yi、Zi)为网格点Ni的坐标，i＝1～n,n为网格点的数量，k＝\n1～m,m为无线发射器接收范围内的定位AP分站的数量。\n[0033] (5)将每一个网格点的标定特征参数保存在定位数据库中。为了避免误差，对每个空间网格点进行多次采样，并进行滤波处理。\n[0034] 在本实施例中，将井下巷道内的所有定位AP分站分成多组，每组中的多个定位AP分站首先分别通过网线连接到一个光电转换器23的网络接口上，再将光电转换器23的光输出口通过防爆光交换机22连接到定位服务器10上。这种布置方式，能有效减少井下传输线的数量，减少井下布线，有效减少因为线路断路造成的故障，提高井下人员作业效率。\n[0035] 每个定位AP分站上均设有无线接收模块(WiFi接收模块)和测量模块，井下作业人员所配带的定位终端30上设有无线发射模块(WiFi发射模块)，定位终端30实时发出探测信号Sounding，探测信号中含有该定位终端的ID，接收范围内的定位AP分站收到探测信号后，分别通过测量模块获得探测信号的实时特征参数，实时特征参数包括探测信号的幅度(RSSI)、到达角度(AOA)和信干噪比(SINR)，并发送给定位服务器10。\n[0036] 定位服务器10上的比较模块12将实时特征参数与定位数据库11中每一个网格点的标定特征参数进行比对，其中实时特征参数与标定特征参数的数值最接近的网格节点的坐标值即为定位终端井下巷道内的准确位置。\n[0037] 计算准确位置时，首先分别计算出实时特征参数和标定特征参数的计算值；然后将实时特征参数的计算值与每一个网格点的标定特征参数的计算值进行比对，以数值最接近的网格点的位置作为井下作业人员在井下巷道内的准确位置。\n[0038] 本方案中，定位的精度由空间网格点的大小决定，因此，可以通过初期对空间网格点大小的设定提高定位精度，例如：将空间网格点的间距设为4米×4米×4米，则可将定位精度控制在4米以下。当然，可以根据成本对网格点的间距进行调整，以满足不同定位精度的需要。\n[0039] 另外，本实用新型提供的方案中还包括定位数据实时扩展装置，该装置包括跟随井下掘进机同步移动的支架，支架上设有与巷道空间网格点纵向截面相匹配的节点，每个节点上安装有一个扩展无线发射模块，每一个扩展无线发射模块随采掘面同步移动，并在相应的掘进位置发射扩展信号(与探测信号相同)，该扩展信号中包含有相应扩展无线发射模块的ID，接收范围内的AP分站将扩展信号的扩展特征参数传送到定位服务器，定位服务器将扩展特征参数添加到定位数据库中创建新的网格点。扩展特征参数包括所接收到的扩展信号的幅度、到达角度、信干噪比、干扰强度等相关测量量，新的网格点的坐标通过掘进位置以及扩展无线发射模块的位置确定。\n[0040] 定位AP分站上还设有网络监测模块和存储器，当网络通信发生故障时，定位AP分站将其收到的探测信号的特征参数保存在存储器中，待网络恢复正常后会立即将存储器中的所有特征参数上传至定位服务器，定位服务器据此生成历史定位信息。\n[0041] 本实用新型还包括设置在地面上的监控工作站40，定位终端上设有用于发出报警信号的报警按键，携卡人员发现身体不适或遇到危险时，可以通过按下定位终端上的报警按钮发出报警信息，定位AP分站收到报警信息后传送给监控工作站，监控工作站根据定位终端的位置信息可知报警位置，以便安排相应的处理。\n[0042] 本实用新型提供的井下作业人员高精度定位系统，除了可以实现井下作业人员的高精度定位以外，还具备如下功能：\n[0043] (1)考勤管理及非法入井报警。\n[0044] 当携带定位终端的入井人员进入井口考勤AP分站覆盖范围区域时，考勤AP分站读取定位终端的ID卡号以及班次、工种、所属单位、定位终端状态等信息，并在井口LED大屏幕上显示。\n[0045] 井口考勤AP分站与定位数据库相连，可以随时查询定位终端的出/入井时间和出/入井次数，便于矿井管理；\n[0046] 根据井口考勤AP分站记录的信息可以实现工时统计，操作人员在考勤分站软件中输入起/止时间统计在某段时间内(如一周、一个月或一个季度)某入井人员的工时总和，系统提供相应的查看、打印功能。\n[0047] 在考勤管理中，可以根据不同班次等条件限制某一时间段内井下携卡人员的定位终端的ID号范围，当非法携卡人员进入井口考勤AP分站时会识别出该卡并发出报警。\n[0048] (2)井下人员抵达超时报警。\n[0049] 根据定位终端的位置和到达时间，通过将规定的抵达时间与井口考勤AP分站检测到的携卡人员抵达时间作比较，从而识别出抵达超时人员，并将报警信息反馈给监控工作站。\n[0050] (3)井下人员状态监测，包括井下人员的行走方向、行走速度、所在区域、工作时间、区域监控、历史轨迹回放等。\n[0051] (4)一人带多卡报警。\n[0052] 基于实时监控得到的井下人员的位置信息，统计每两定位终端在一个位置的概率，从而对一人携带多卡的情况进行报警提示，防止煤矿中出现人员代班的情况，便于人员管理。\n[0053] (5)区域超员报警。\n[0054] 将井下巷道分为多个区域，并且对每个区域设置最大人员数量，当统计出某区域携卡人员总数超过最大限员时会发出超员报警，并将报警信息反馈给监控工作站。\n[0055] (6)网络故障报警。\n[0056] 定位AP分站与定位服务器建立连接后，定位AP分站会每隔5s主动发送心跳请求信号；\n[0057] 定位服务器每次接收到AP的心跳信号后返回心跳响应信号；\n[0058] 如果定位AP分站连续3次没有收到消息响应，则视为与定位服务器断开；\n[0059] 定位AP分站保存定位数据；\n[0060] 定位AP分站不断重复尝试与定位服务器连接，一旦重新建立连接，则定位AP分站会将缓存的数据和当前时候扫描到的数据都发送给定位服务器；\n[0061] 定位服务器进行定位解算。\n[0062] (7)双机备份与切换。\n[0063] 本系统中设置两台定位服务器：一台是主服务器，另一台是备份服务器。主服务器与备份服务器互为主从，双向同步数据，当一台服务器上的数据有增删改等操作时，另一台服务器上的mysql同步的数据库也有同样的操作。\n[0064] (8)紧急报警与通知功能。\n[0065] 地面监控工作站发现井下出现异常、有重要通知、有非法人员进入禁区等情况触发告警事件和通知事件。\n[0066] 定位服务器接收到告警事件和通知事件后，根据需要选择恰当的定位AP分站通知的不同用户、不同区域或全矿井。\n[0067] 定位AP分站根据接到的告警事件和通知事件指令，下发通知到覆盖范围内的定位终端。发送给区域人员、某个具体人员的信令格式以定位终端的MAC地址为标识。选择方式为根据定位终端的位置信息，寻找距离定位终端最近的AP分站，然后把通知信息发向这个AP，如果通知全体为多个定位终端，则涉及多个AP分站。\n[0068] 定位终端根据接收到的告警事件和通知事件指令，进行文字显示、指示灯显示、震动提示或语音提示，告知携带定位终端的矿工进行紧急处理。\n[0069] 为了节电，在定位终端上设置一个开关，控制是否需要接收告警事件和通知事件。\n[0070] 本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。