聚来井下人员定位系统技术方案

1  聚集地下人员定位系统技术方案 

1.1 系统概述 
    基于第三代的上海聚来射频电子技术有限公司RFID地下人员和设备定位跟踪系统的技术研发是世界上最先进的BEST-RFID地下定位系统的技术。能够及时(无轮巡、无延迟)、准确(无错码、无漏卡)地向地面计算机系统反映地下各区域人员和设备的动态情况，使管理人员能够随时掌握地下人员和设备的分布和各矿工的运动轨迹，从而进行更合理的调度管理。事故发生时，地下人员可通过定位卡向地面机房求助。救援人员还可以快速了解相关人员的位置，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。 

    第三代RFID技术---BEST RFID---又称卓越RFID。是从第一代RFID无法准确识别人员信息-到第二代RFID只能准确识别单读头，然后到第三代BEST RFID---卓越RFID 可以网络化、多方向、多读头(两个以上、一个子网络可以达到几百个，整个网络可以达到几千个)，准确识别人员定位信息的本质飞跃。 

    第三代RFID技术---BEST RFID，又称卓越RFID，应用0.13um依托世界顶尖的射频电子技术专家，芯片制造技术，整合世界领先的天线技术、光通信技术、工业以太网传输技术、数据库处理技术、计算机软件技术、地理信息系统技术、互联网技术、工程结构技术、地下应急救灾技术，全面、完善、彻底解决前两代地下人员定位系统RFID技术瓶颈问题无法突破。 

    前两代RFID虽然该技术可以在某些应用程序中解决单读头识别问题，但当系统要求两个以上读头组成系统网络识别人员信息和定位时，人员信息和定位数据将延迟10秒，10个以内的读头数据将延迟30秒，10个以上的读头，数据延迟高达三、五分钟甚至十分钟。而且，多读头时数据传输缓慢。此外，多读头时数据传输缓慢。由于数据轮巡，每个读头的数据只能分批上传，导致地下人员的定位信息上下奔跑。地下人员的位置信息无法立即有效反应。更突出的问题是，整个子系统的读数不应超过30个。当超过时，应增加通信箱，导致数据延迟翻倍，延迟5分钟甚至10分钟以上。在地下30秒内，人们可以移动100米。对于超过5分钟的人员定位信息，人员无法确定下落。这样的系统根本没有人员定位价值。再者，严重的是前两代系统没有方向性，或者方向性只能在两个读头之间单进单出。整个定位系统的方向性判断不能进行三、四、五、六分巷。 

     第三代BEST RFID 超高速识别、超远距离识别、超低功耗、超大流量识别不仅可以在读头和卡片之间完美实现，还可以与前两代相比RFID而言，BEST RFID真正实现了RFID同时准确识别技术网络应用和高速即时数据传输、多读头(两个以上，单子网多达几百个)的问题，更重要的是识别数据筛选和上传不再有轮巡和延迟。读头之间有方向性，可以有效判断方向性，同时触发井下和井上，一秒钟内判断上位机，无延迟。读头之间有方向性，可以有效判断方向性，同时触发井下和井上，一秒钟内判断上位机，无延迟。 

   第三代BEST RFID还解决了前两代RFID技术感应距离短，抗冲突能力差。多频段多频道碰撞转移消除了冲突的可能性。其技术指标在同类产品中处于行业领先地位，创造了真正的超远距离、真正的网络、高速移动、超低功耗发射、真正的即时传输识别技术的新时代。 

   第三代BEST RFID，融合国际一流的上海聚来射频电子技术有限公司RFID技术专家、计算机软件、硬件、网络专家、光通信专家、煤矿非煤矿救援搜救专家成功研发。  


   上海聚集地下人员和设备定位系统是集地下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等综合应用系统之一。它也是中国最先进的地下定位系统，运行最稳定，设计最专业。该技术成果的实现将为煤矿企业的安全生产和日常管理和事故急救带来新的机遇。 

1.2 系统总体设计理念  
   地下人员定位跟踪和考勤管理系统涉及计算机软件、数据库、电子电路、防爆电源、数字通信、无线识别RFID以太网、地下施工等技术、地下工业。因此，在设计方案时，除了考虑其功能外，还充分考虑了稳定性、可靠性、抗干扰性、容错性和异常保护。项目计划确定以现有成熟的高速工业以太网系统为主要传输平台，开发相应的地下人员跟踪定位基站、人员无线编码发射器等设备，通过地下人员跟踪定位基站和考勤管理专用软件与标准专用数据库进行后台数据交换，实现地下操作人员跟踪定位和安全管理。系统总体设计主要体现在：  

实现煤矿井下作业人员进出的有效识别和监控，使管理系统充分体现人性化、信息化、高度自动化  
为煤矿管理人员提供进出限制、考勤操作、监测监控等管理信息，一旦发生安全事故，系统可在事故现场10~30米内立即检测工作人员及其数量，确保救援和安全救援工作的有效运行。  
系统设计安全、可扩展、易维护、易操作。  
轻松联网，BS结构，易于实现县、市、省、更广阔地区的网络监控。  

1.3系统设计原理及依据 
1.3.1系统设计原理 
   地下人员定位管理和搜救系统由地面监控中心主计算机在系统软件的支持下，通过数据传输接口和沿巷道铺设的通信光/电缆，对安装在地下的无线数据采集器进行不间断、即时的数据信息采集。无线数据采集器将自动收集有效识别距离内相关数据通过传输网络传输到地面中心站，无间断、即时。数据信息经分析处理后，在主计算机界面实时反映地下人员（或机车等移动目标）的动态分布，实现地下安全状态数字化管理的目的。数据信息经分析处理后，在主计算机界面实时反映地下人员（或机车等移动目标）的动态分布，实现地下安全状态数字化管理的目的。 

   遵循统一发卡、统一设备、统一管理的原则 ，允许上岗人员实行一人一卡制度。 

根据矿井监测要求，无线数据采集器安装在地下坑、洞室、作业面等场所，通过电缆/光纤数据传输接口连接到地下高速工业以太网，形成完整的通信线路。  

煤矿生产单位输入工作人员相关信息后，向下井工作人员发放并设备标志卡。  

系统数据库记录相应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别、团队、工作类型、职位、照片、有效期等。  

进入隧道的工作人员必须随身携带标志卡，当持卡人设置识别系统的位置时，系统会识别。系统将读取卡号信息，通过系统传输网络将持卡人通过的路段、时间等数据传输到地面监控中心进行数据管理，并在地理信息大屏幕墙上显示提示信息，显示通过人员的姓名。如果感应到的无线标识卡号无效或进入限制通道，系统将自动报警，安全监控中心值班人员将收到报警信号，并立即执行相关的安全工作管理程序。 
 
生产单位可以根据生产计划授权和管理标志卡。授权范围包括：员工可以访问的坑或操作表面。为防止无关人员和非法人员进入坑或操作表面，系统设置了进入坑或操作表面的及时管理模块，以及卡的故障和报告。  

一旦坑发生安全事故，监控中心可以第一次了解被困人员的基本情况，救援队使用移动远程识别装置，在10-30米内方便探测遇险人员的位置，方便（安全高效救援、救援工作）救援工作安全高效运行，方便事故救援工作。
  
系统可自动生成考勤作业的统计和管理报告，提高管理效率。  

1.3.2  系统设计依据  
（1） GA/T75《安全防范工程程序与要求》 

（2） MT煤矿通信、检测、控制电工电子产品通用技术要求209-1990  

（3） 国家安全监督管理总局《煤矿井下人员位置管理制度标准(建议)稿》 

1.4系统功能及特点 
1.4.1系统功能： 
20个优秀的功能特征来自第三代BEST-RFID与前两代系统相比，上海聚来地下人员定位跟踪系统在地下人员定位跟踪系统的卓越性能得到了保证，堪称划时代的完善产品。 

1.时间定位准确 
    整个系统控制流和数据流不需要轮流巡逻，数百读数据刷新毫秒计算，在定位传感器（2-512）网络有效覆盖范围内，上位机软件真正实现所见即所得 

2、空间定位准确： 
   在读头的有效识别距离间隔下，卡片可以在读头之间实现准确的区域定位。读头间隔为最小定位精度，读头间隔10-2000米以上。 

3.整个系统的任何读头都能有效识别方向: 
    每个读头和卡片都有方向识别信息，整个系统中的任何读头都有能力识别卡片的多向运动。在三、四、五、六个以上的分支道路上，每个分支可以准确判断方向，降低安装成本。 

4.卡片标签低电压报警。 
    卡片电池可以使用五年以上。长期使用后，当电池耗尽时，可以自动提示更换卡片电池。这一重要功能从根本上消除了SUPER-RFID使用一段时间后，由于系统本身没有自检功能，产品逐渐出现大量坏卡(缺电)，用户还应重复投入相当多的人力和设备进行考勤和卡管理，使定位系统变得无用。BEST-RFID低压提示后，电池仍能正常使用一个月以上。BEST-RFID低压提示后，电池仍能正常使用一个月以上。 

系统杜绝第二代RFID产品不可避免的乱码现象，确保数据和卡片识别真正安全： 
    0.13um加CAN+独特的芯片集成创新技术内置协议本质上超过了第二代RFID技术性能。保证了设计结构和技术协议BEST-RFID产品不会乱码。 

6.无轮巡，无延迟:真正标准CAN技术+地下工业以太网平台，真正及时动态显示地下人员： 
从芯片设计开始，系统就CAN+无论定位传感器有多少(2-512)，工业以太网结构都不需要系统轮巡，数据也没有延迟。  
在任何时候查询和显示地下某个地方的人数、分布和身份。  
查询一个或多个人的地下实际位置和活动轨迹。  
记录相关人员在任何地方的到达/离开时间和总工作时间等一系列信息，具有实际意义（准确到秒，而不是几分钟以上的轮巡），可以督促和落实重要检查人员（如瓦斯检查人员）是否按时、到位进行现场检查，或对各种数据进行检查和处理，从根本上尽量杜绝人为因素造成的相关事故。  

7.自由选择光纤和电缆传输方式: 
    根据地下实际情况和客户要求，可自由选择CAN和TCP/IP以太网或电缆直接铺设在已建或在建的光纤井下。 

8.人员下井考勤能力真正准确丰富: 
   出入井人员可以准确统计到毫秒，实现出入井人员的考勤记录，建立和打印出入井人员的各种信息报表（如出入井时间报表、出勤月报表、加班报表、缺勤报表等），方便管理人员的查询和管理。 

9.紧急呼救能力可靠有效: 
     每张定位卡都有专门设计的紧急呼救装置，受中华人民共和国专利法保护。地下人员遇险时，持卡人方便有效地呼救地面机房和搜救人员。监控机房可根据呼救报警，结合有效手段识别地下救援和灾害信息，必要时向地下发送广播信息。搜救人员可以使用手持探测设备找到遇险人员。 

11.地下社区可选广播，并立即通知特定或矿山范围内的紧急情况： 
     监控室和管理人员有效判断地下紧急情况后，可通过系统的社区广播选择通知地下特定范围或全部广播。有效通知和疏散地下人员。 

12.地下地下无卡人员的禁入功能: 
    无卡人员的定位和管理是实施地下人员位置管理后的一个难点。上海聚来设计了一种特殊的无卡人员禁止传感器和禁止装置，作为系统的可选设备，具有密集的管理效率。 

大容量、超高超识别技术： 
    单读头同时可识别8000多张卡，远远超过第二代RFID200张技术的极限。 

14.卡片安装方便，不受使用位置限制: 
   根据客户需求，提供帽卡、胸卡、腰卡、矿物帽、矿物灯电池等各种安装方法，准确识别，确保根据管理需要自由安装。第二代产品不仅可以安装在矿物帽上，还可以增加发射功率对使用人体造成职业损害的缺陷限制。 

15.多点共享信息: 
   系统中心站和网络终端可以通过局域网在线运行，使所有在线终端在使用权限范围内实现多点信息共享，供多个矿山部门和领导共享监控信息，系统综合分析信息，查询不同地点的各种数据报表。 

丰富的地图功能： 
   它具有放大、缩小、移动、尺度测距、视觉控制、中央移动、土层控制、地图打印等功能，支持多种图形格式。鼠标和键盘可以操作，全面支持实时多任务。 

17、设备故障报警功能： 
   对于指定的禁区，如果有非授权人员进入，实时报警，并显示进入禁区的人数和身份。该系统还具有自检功能。当系统部分设备出现故障时，上位机软件可以及时响应，初步判断故障原因，输出并打印相关信息报表。 

18.灾后急救信息: 
   一旦发生各种事故，事故现场的人员数量、人员信息、人员位置等信息可以立即显示在上位机上，结合矿山地图，救灾人员可以快速判断和确定事故应急预案，大大提高救援效率和救援效果。 

19.后备电力: 
    系统产品的隧道壁挂式设计保证了系统在恶劣环境下的连续运行，并在断电后提供了长时间的供电。采用多组备用电池，可提供2-4小时断电保护。 

20、基站应急功能： 
   当地下人员跟踪定位基站与地面中心站失去联系时，基站仍能独立工作，自动存储人员监控数据。 

1.4.2性能特点 
1.超低功耗，超高灵敏度: 
0.13um芯片制造工艺创造了卓越BEST-RFID的性能。  
真正的超低功耗是第二代RFID产品的十分之一以下，在相同的发射功率条件下，有效传感距离超过第二代RFID产品翻倍以上。  
真正的超高灵敏度，同样的-10db，有效识别距离为第二代RFID一倍以上。  
超小型高性能天线设计独特，能满足任何场地和空间应用的需要。  

2、系统处理能力强： 
采用G-W系统数据处理能力的算法优化；  
高度自动化、自动监控、统计、信息分析，整个过程不需要人为干预；  
基于GIS技术地理信息显示查询系统；  
完善的数据分析能力；  
通信距离远，可达40公里以上。 
 
3.优异的识别性能: 
前端识别率高，识别可靠性高；  
识别距离远(识别距离方便可调，可达1-180米以上)；  
防冲突性极高(每个检测点最多可同时识别8000张卡片)；  
识别稳定性高(误码率小于10-9次方，达到1亿分之一)；  
快速识别速度(最快识别速度为200公里/小时)。  

4.现场优势: 
本安型结构设计全套系统，ABS抗静电外壳。  
防潮结构设计彻底，最恶劣的井下环境也能长期稳定工作。  
环境适应性：抗干扰性高，对地下干扰源和周边环境无特殊要求；  
安装方便：传感器一体化结构设计，无外接天线或地感；  
运行可靠性：内部电路高度集成，设备故障率最小化。  
读头、卡有自动自检复位结构，可多年运行不虚报、漏报。  

5.电气特性: 
超低功耗，无线标签可连续正常工作5年，无需更换电池；  
方便安全，标签不需要外部矿灯电源，不需要充电，不需要更换电池；  
无辐射，对人体和环境无影响，更安全、更健康。  
所有设备均适用于地下，具有防水、防震、防腐、防潮、阻燃等功能。  
正常工作环境条件:温度-40℃-85℃，大气压力相对湿度为40%-70%kpa-106kpa  
抗电磁干扰： 10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波  

1.5系统硬件和软件 
1.5.1系统硬件特性 
   1.超级集成，全双工无线传输: 

   0.13um该工艺创造了超低功耗、超高灵敏度、超远距离传输、超高速识别、超大容易识别、超低误差率。同时，无线传输的高速和高带宽也很容易实现，带宽达到4M，语音和图像传输很容易在全双工状态下实现。 

   2、工控频段 

   由于无线传输介质的使用，无线传感器网络克服了传统有线网络传输信息的许多缺点。有线网络不可能在某些物理障碍和特殊环境下实现。另一方面，与传统的公共网络无线通信相比，2.4G无线电管制委员会批准工控频段无线通信，无频谱占用费。 

   3、超低功耗 

   卡标设备在技术上采用合理的休眠模式，具有收发信息功耗低的特点，确保在电池支持下持续工作 大约5年。同时，整体结构的低功耗设计既保证了设备的有效运行，又降低了应用实施的复杂性和成本。 

   4.设备体积小 

   无线传感器网络的基本单元是硬币尺寸的智能计算传感器设备。现代集成电路技术的集成和产品性使得上海聚集无线传感器设备的体积越来越小，但其功能越来越强大。小体积不仅可以在特殊环境中使用，而且可以大大降低安装和维护的要求和成本。 

   5.网络容量大 

   传感网络可容纳多达6500个微型智能传感器件和大量接入点。大容量保证了网络强大的数据采集能力。同时，网络的高冗余性保证了整个网络在个别节点停止工作时仍能正常运行。 

   6.精确可靠 

   无线传感器网络的精度、可靠性和稳定性是传统方法的100多倍。目前，上海聚来无线传感系统的核心技术采用了独特的验证冗余纠错算法，结合分布式计算技术、神经网络技术和网络信息集成技术，实现了网络自唤醒、自容错、自愈合、无误码和无乱码。 

   7.运维成本低 

   从以上无线传感器网络的特点可以看出，建网所需的人工成本很低。任何授权的微型智能传感器件只要放在网络的无线信号覆盖范围内，就可以自动加入网络工作，无需任何安装配置。高度智能化最大限度地减少了网络维护所需的人力和时间。此外，网络节点本身价格低廉，使得上海聚来无线传感器网络的维护成本极低。 

   8、 技术特点： 

   l 各种信号采集； 

   l 电流功耗极低； 

   l 4Mbps 2.4GHZ IEEE802.15.4 兼容射频收发； 

   l < 10us 快速激活/睡眠状态转换； 

   l 硬件层加密和身份验证的安全特性； 

   l 数字信号强度（RSSI）与无线连接的质量（LQI）支持。 

   传输快，速度高 

   高速光纤工业以太网的应用将整个系统的传输速率从数百字节提高到数百兆字节，实现了传输速率质的飞跃，实现了多点并发查询，即同时上传数据的多个收集点，大大缩短了收集时间，大大提高了实时性（真正的多点并发，从芯片设计独特。）而不是第二代RFID将232或485转换成各种转换卡和转换器CAN或TCP/IP，这只能使干线传输协议成为CAN或TCP/IP，然而，每个单一传感器的输出仍然保留着485轮巡逻的基本特征，根本没有系统网络特征，系统控制和数据信号也依赖于轮巡逻。 

   移动动态采集 

   先进的无线传感器网络技术与所需的传感器相连，实现气体、矿压、矿温等环境参数等移动动态采集。 

   11、可靠性高 

   先进自身技术的应用大大提高了产品的可靠性和识别能力。例如，专用时间戳技术，即在每个接收信息的基础上添加时间信息，使整个系统更加可靠。 

   12、 多功能 

   实现了地下人员实时跟踪定位、机车实时跟踪定位、准确考勤、历史查询、应急呼救、社区广播、无卡禁入、低压、禁区报警、灾后辅助搜救等九项重要安全管理功能。 

   13、 开放性 

   整个系统软硬件接口丰富，开放性大，可根据用户需要进行调整。 

   14、 高容量 

   地下人员管理和搜救系统可容纳地下1000个数据采集器，每个数据采集器可同时收集8000多张标志卡信息，整个系统可容纳数亿张标志卡，足以满足现有大中型煤矿的需要。 

1.5.2系统软件界面 

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  （图一）  

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   （ 图二）  

1.6配置要求、系统图及实施步骤 
1.6.1运行设备配置要求 
地面中心站 

   地面中心站主机采用工控机。 

CPU：使用相当于Intel公司的Pentium IV或以上级别CPU；  
操作系统：Windows操作系统2000以上；  
内存：512M以上；  
显卡：Windows系统兼容，含16MB1280*800分辨率以上；  
硬盘：40G以上。  
1.6.2 系统图   

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           图1：系统图 

1.6.3实施步骤 
根据矿山需要，进行矿山研究、实地考察，确定无线数据采集器的安装数量和相应的安装位置。  
确定数据传输接口的数量和安装位置。  
铺设物理链路、光缆、电缆等。，如果有光缆，可以用这个光缆的剩余芯数来构建。竖井或斜井电缆应用铠装加固光缆或电缆固定在井壁上。  
设备安装  
安装数据传输接口 

通过膨胀螺栓将数据传输接口固定在巷道侧壁上。见数据传输接口用户手册。 

无线数据采集器 

无线数据采集器可通过膨胀螺钉或钢钉固定在地下巷道一侧的墙上。请参阅无线数据采集器用户手册。 

标识卡发放  
系统调试  

2   典型的应用和工作模式 
   地下人员管理和搜救系统是一个非常灵活的系统，可以根据用户的需要建立不同的匹配，设置不同的工作模式，以满足不同规模用户的需求。 

   对于不同的矿山，虽然地下条件差异很大，但根据矿山的实际需要和我们的经验，我们将矿山分为：大（大）矿山（年产量200万吨）、中型矿山（年产量50万吨）、小型矿山（年产量50万吨），并根据不同的矿山需求和典型应用，为矿山提供更好的服务。 

2.1方案一 
矿山实际 
挖掘面多，隧道长，范围大，传输距离长  
机械化程度高，现代化程度高  
大纤大多已铺设  
对实时性和可靠性要求高，
  
系统设计方案 

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方案说明 

地下高速工业以太网采用光纤传输接口，以光纤自愈环网的形式搭建。  
每4-5Km在每个工作面和巷口设置光纤传输接口。  
建议在200-500米之间形成地下动态探测网络。 
 
2.2方案二 
矿山实际 
挖掘面多，坑长，范围大，传输距离长  
机械化程度高，人员多  
有的铺设了光纤  

系统设计方案 

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方案说明 
地下高速工业以太网采用光纤传输接口和光纤网的形式。  
每4-5Km在每个工作面和巷口之间设置光纤传输接口。  
为构成地下动态探测网络，建议无线数据采集器间距500-1000米。  

2.3方案三 
实际采矿面少，坑短，范围小，传输距离相对较近  
机械化程度低，人员素质一般
  
系统设计方案 

方案说明

与井上设备连接的数据通信箱。
无线数据采集器并联在通信电缆上，形成地下动态探测网络。
成本低于光纤系统

3  技术比较
3.1 与其他人员管理系统进行比较


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3.2与其他无线数据通信方式进行比较

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关于聚来

上海聚来射频电子技术有限公司（Shanghai Julai RFID electron technology Co.Ltd.），座落在------上海.浦东.张江国家射频识别产业化(上海)基地。专业致力于国际最佳射频识别（BEST  RFID）网络化、系统化新产品应用战略研究的高科技公司。在上海国家射频产业园区，是国家射频识别产业化(上海)基地的重点企业RFID芯片设计、制造、测试和测试RFID依托园区，应用系统开发处于全面领先的整体环境中RFID工业、人才、市场、配套国际合作等方面的良好条件共同参与了第一个RFID国家软硬件联合实验室和示范中心的工作。经过几代多年的经验和系统产品的积累，公司拥有一流的软硬件团队，可以完成真正的超长距离、真正的网络、高速移动、超低功耗发射、真正的即时传输识别技术产品的研发和生产。包括：工业技术研究、芯片设计、测试、RFID集成、生产标签，RFID读写器集成、生产、光电设备制造、软件开发、RFID在国际上形成了系统集成、产品检测和信息咨询服务RFID微电子技术和工业化的优势。上海聚来射频电子技术有限公司成为国际公司BEST-RFID（卓越RFID）领导者奠定了基础。