如何实现人员精确定位

如何实现人员精确定位

——基于WSN技术的第三代人员定位系统

作者：中国矿业大学教授华钢安徽烽讯电子科技公司金灏

井下人员定位系统示意图

随着我国对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效地遏制了重大瓦斯煤尘爆炸事故的发生。

生产安全的核心是人的安全。煤矿迫切需要利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况以及井下人员位置。矿用人员定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等于一体的综合性应用系统。这一科技成果的实现，将为煤炭企业的安全生产、日常管理以及事故急救带来可靠指挥依据。

实现人员跟踪定位

矿用人员定位跟踪系统以标示卡为基本采集单位，完成对下井者地理信息和工作信息的采集、存储、处理、显示和打印，同时可以对各种异常状态进行预警、报警。系统主要由标识卡、读卡器、人员检测分站、通信接口、服务器、打印机等组成。

从结构上划分，人员定位跟踪系统主要包括主站、分站和移动分站。主站模块既是系统的信息处理中心，又是用户的信息获取源。从各种总线传输汇总的数据，经过主站模块完成数据筛选、信息存储、异常处理后，与用户进行信息交流；分站模块包括各种基站、读卡器和标示卡，共同形成一个动态信息采集监控区，并通过一定的信息传送方式，将数据汇总至主站模块。

从功能上划分，人员定位跟踪系统基本功能包括实时数据采集与存储、井下人员的电子考勤、动态定位、地图管理、历史路径查询与显示、数据联网、报表生成，以及

报警提示井下人员进入危险区域及限制区域，矿难时提供井下人员搜救帮助等功能。

以WSN技术为核心

人员定位跟踪系统的核心主要涉及传感器及其组网技术与人员信息的地理化显示处理技术。特别是前者的升级换代，从根本上标志着人员定位跟踪系统的发展阶段；后者作为决策支持的主要工具，体现了系统智能化、专家化的程度。

传感器及其组网技术

在无线技术基础上的煤矿井下人员定位系统经历了三个主要阶段，前两个阶段都采用RFID技术。RFID的中文全称是无线射频识别技术，它利用无线电波对记录媒体进行读写。与其他识别技术相比，RFID技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。但是这种技术的读卡器价格昂贵，如果要实现人员位置的密集跟踪，系统造价将难以承受。而人员检测与管理系统作为一个综合性系统，与安全监控系统具有同等重要性，若只实现小范围的人员检测，难以体现其价值，更难以发挥其应用前景。

随着现代传感器网络的发展，无线传感器网络（WSN）技术走向成熟，并在多个领域有成功应用。因此，基于WSN技术的第三代人员定位跟踪系统成为近年来的研究热点。WSN由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

WSN家族非常庞大，包含多个协议族。根据煤矿应用的特点，第三代人员定位跟踪系统不约而同地把研究的焦点取在Zigbee标准上。Zigbee是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准。完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

应用汇聚层是把不同的应用映射到Zigbee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能；网络层则可实现网络的自组织和自维护，从而降低了网络的维护成本。Zigbee技术具有低功耗、短时延、低速率、近距离、低成本、大容量、高安全性、免执照频段等特点，因此在短距离无线通信领域有着较大的优势。而煤矿巷道在空间上本身具有局限性，若采用基于Zigbee技术的低成本传感器密集分布，将为当前的井下人员跟踪带来质的飞跃。

人员信息的地理化显示技术

用户并不关心传感器网络采用何种类型，其主要的系统体验来源于人员地理信息的可视化效果。如何将井下人员信息直观地传达给用户，并在灾害过程中为决策者提供临场感，是人员定位跟踪系统面临的另一难题。

人员定位系统的未来

随着人员定位跟踪系统的不断普及，对系统应用的深度和广度要求不断提高，未来的人员定位跟踪系统将主要着眼于增强网络能力，提高井上、井下人员间的交互性，以及在灾害条件下系统的决策支持能力上。主要发展方向如下：

网络的高自适应性

随着工作面的不停掘进，系统需要挂接新的读卡器或者实现现有读卡器的节点移动。考虑到巷道的特殊地形条件，这将导致WSN通信失败。因此，如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础，如何提高系统强壮性，将成为下一步的研究热点。

高质量的双向数据传输

现有的人员定位跟踪系统在井上、井下人员间的交互性上存在很大局限性，只能提供简单定性的双向通信，功能稍微强大的系统也仅支持短信功能，对于语音及图像信息的传输只能望尘莫及。这样既没有充分发挥WSN的特点，又降低抢险救灾的效率。因此，未来的人员定位系统应可以提供高质量、高容量的双向数据传输。

智能分析能力

通过人员定位跟踪系统和安全监控系统，指挥人员在灾害过程中可以获得大量的信息，而其决策大多依赖于人的经验判断。若能将智能库、专家库与人员地理信息相结合，通过历史信息的分析，建立选择优化或近似优化路径的模型，动态分析人员的救援及逃生路线，将极大地提升人员定位系统的决策支持能力。

井下人员的精确定位

由于井下自然条件的特殊性，实现井下人员的精确定位是一个难题。现有的人员定位跟踪系统最多只能通过分析固定节点与移动装置的RSSI值在空间的分布特性，通过类比算法，求得移动装置比较精确的空间位置，这为提高抢险救灾的效率和成功率埋下隐患。未来的人员定位跟踪系统应提供精确定位功能。

增强临场指挥感

GIS系统所能表达的只是平面地理信息，而灾害过程中，井下环境参数瞬息万变，若将临场感强的虚拟现实技术应用到抢险救灾决策支持过程中，将加强决策的正确性。