• 关键词：矿山,全无线预警防灾
• 摘要：本文分析了矿山灾难预警、救援基本需求，提出人员定位和应急救援系统具备多种系统布置方案。

1. 项目基本需求

1）灾难预警：通过实时采集矿山环境参数，结合历史数据信息，实现灾难预警功能。

2）生命探测，人员定位：能通过人员定位系统实时了解井下人员的流动情况、任一指定井下人员在当前或指定时刻所处的区域、查询任一指定井下人员本日或指定日期的活动轨迹。能够探测人员生命状态。

3）应急救援：具备灾难发生情况下，系统正常运行，并执行紧急救援功能：实现紧急搜救、救援引导、生命探测。

3. 系统方案

圣博亚KJ627 人员定位和应急救援系统具备多种系统布置方案：

方案1：井上全无线方案、井下全电池全无线方案，实现灾难预警、人员定位和紧急救援。

圣博亚KJ627 系统设计原则：先进性、开放式、可靠性原则、兼容原则

方案2：兼容性解决方案。

兼容性系统架构图

鉴于煤矿监控和物联网技术发展趋势和用户的实际需求，圣博亚科技的新一代矿网KJ627 产品，如上图所示，遵循先进性、开放性、可靠性、兼容性的设计原则实现灾难预警、人员定位和应急救援功能，实现如下功能：

1、局部Mesh 组网，整体以太网接入；

关键定位区域，比如主井和副井井口等位置，基站每隔100~400 米一台，mesh 联网，并在方便的位置连接进入以太网，信号回调度中心机房。无线Mesh 组网，以太网接入，无需信号线。

2、抗灾能力强，后背电池支持30 天以上；

每个基站的功耗：12V 10~15mA，采用12V1A 的本安电源供电。每个本安电源可以带30~50 个基站。和其他系统相比较，使用更少的矿用电源。基站外部供电和备用电池自动切换，备用防爆电池，可以在断电情况下工作30 天以上。

3、路径引导、生命探测；

定位基站可以通过指示灯路径引导；矿工的生命信息探测更安全。

4、人员、车辆定位和环境监测一体化设计。

定位基站可以通过三通将环境传感器，比如CO、CO2、瓦斯、风速等脉冲信号转换为无线信号。在KJ627 软件系统中，可以标识出人员和车辆的位置，以及传感器的信息，并可以实现各种曲线和报表显示。

2、系统可以有机的融合在矿山监控6 大系统中：

KJ627-F 基站可以将传感器信号方便的接入到矿用无线基干传感网络中，实现传感器信息监控，融合灾难预警算法，实现预警、定位和救援的复合功能。

方案3：与矿山6 大系统深度融合。

3.1.系统特点

1、系统先进可靠：

关键时刻能救人，国内唯一，国际唯一！实时发送人员位置和生命信息，矿难发生后也能工作，紧急救援加自救！全电池全无线，专利技术，国际领先，填补国内空白！系统在紧急情况下，可以长期运行！全电池供电可以工作150 天自组网：Mesh 组网，可自修复生命感知：矿工生命感知与位置监测二合一本质安全：全部产品进口塑料壳体高效通信：有睡眠仍然可以全网1 秒通信延迟井上井下完全电隔离实施、应用、操作更为简捷高效易修复（一点打通，全网恢复）易安装（无需配置，即放即用）

2、系统兼容开放：

基于国际标准：WSN 技术，基于IEEE802.15.4 国际标准，通信全无线、电源全无线低功耗：

符合国家标准：系统本质安全设计，符合国家标准，防爆认证、煤安认证产品！

标准GIS 地图：兼容CS 和BS 架构，通用数据库设计；

兼容有线：可以通过光纤、现场总线进行扩展。

3.2.科技成果

圣博亚科技推出的KJ627 系统采用自主创新的矿用基干无线传感网络技术，通过无线Mesh 组网的全电池、全无线微基站，实现覆盖全矿全无线（无供电电缆、无通讯电缆）基础网络，为地下矿井、隧道等封闭空间的应急响应提供了系统设备，具备部署快捷、功耗低、抗灾能力强；实现了生命探测、逃生指引、雷达搜救、传感报警等功能。系统已申请了3 项国家发明专利，获得6 项实用新型专利，相关产品填补国内空白。该项目产品已经通过国家矿用设备安检中心检验，并在各种煤矿、金属矿、地下坑道、以及工业厂区等环境中应用，获得好评。通过机械工业联合会鉴定委员会科技成果鉴定，项目成果达到国内领先水平，填补国内空白。

3.3.技术原理

MasLinx 全无线技术，基于无线传感网络技术，依据IEEE802.15 标准，采用具有自主知识产权的基干无线传感网络（Mainline Wireless Sensor Network）技术、本质安全技术、Mesh 透地通讯技术，实现全无线（One Wireless）、（All Battery Powered）解决方案，专注于安全、救援和灾难预警。

专利支持：

产品架构：微型化、标准化、对象化设计。

单全向天线设计：Mesh 层和传感器层，共用一个信道，也就是每个模块一个天线就足够。

微型化设计：基站可以火柴盒大小，传感模块1 元硬币大小。

设备对象化：通过固定ID 将传感模块、定位模块智能家居、基站、Sink 节点进行分。这样在App 软件设计的时候可以自动搜素不同类型的设备，可以自动添加，应用更为方便。每种类型4095 个，设备ID 部分可以修改。设备固可以通过ID 自动无线升级。

符合国家标准：煤安防爆、IP67 防水、防摔、抗震、电气兼容性等符合国家标准。

基站具备应急警示、引导救援功能，标识卡具备生命探测功能，短信器具备搜救功能。系统在日常应用中是人员定位系统，在紧急情况时，也是应急救援系统。

KJ627-F 全无线、全电池井下基站

网络架构：两层架构，整体全电池、全无线设计。

一，基干网络层

（无线Mesh 网络基础干线：每个基站单全向天线，基站间无线通讯距离1000 米以上，Mesh 组网汇聚通讯，系统全无线设计、集成传感。全电池，无需供电电缆。巷道、屋顶安装，组成稳定的Mesh 网。）

二，纯传感器层

（可以和基干层双向通讯，PCB 天线和基站间距离100米以上，每个模块高效休眠，每个节点普通纽扣电池，确保2年以上工作。）

MaLinx 系统的两层网络结构

4. KJ627 MineNet系统介绍

4.1. 人员定位管理操作软件

软件名称：矿山安全管理及应急救援系统（MineNet矿网-KJ627），可以实现矿井人员定位、物品定位、车辆定位，实现传感采集环境监控、灯光控制，实现紧急状况的人员安全和矿井安全管理，包括紧急求助报警、生命体征自动报警、瓦斯自动监控和逃生路径引导等。

1) 地图定制：

在标准版本中，圣博亚科技根据客户需求，将巷道地图描述出来；如果需要，用户可以通过软件自行更改巷道地图。当地图定制完成，可以在矿网管理系统中，实现地图跟踪定位。使用人员不仅可以放大和缩小地图，而且可以通过历史快照和矿工轨迹，查询井下工作情况。        

2) 系统参数配置：

超级管理人员可以根据系统实际情况，添加和删除系统设备；设置区域比如采掘面、变电所、危险区域等；编辑矿工、标签和短信器。  

3) 人员定位和管理

通过矿网系统，普通操作人员可以进行人员定位实时查询和历史查询、发送短信、调整基站的指示状态，甚至发送紧急撤离命令。      

4) 统计功能

通过矿网系统，普通操作人员可以进行超时下井统计、当前下井统计、月下井统计和历史下井统计，并实现统计信息的导出、打印输出功能。

5) 环境参数监测功能

通过矿网系统，井下的环境参数信息可以实时显示。环境信息包括气体浓度、温湿度、风速等。

主界面

传感器动态添加

传感器动态添加

4.2. KJ627-F定位分站

4.2.1. 概述

 1、产品用途及适用范围

        KJ627-F矿用本安型基站（以下简称基站）用于有爆炸性气体（瓦斯）和煤尘的煤矿

         井下或井上，主要为构建用于人员定位的无线传感网络系统，同时，也支持信号转换

         器和信息收发器的双向通信功能。

 2、产品特点

    2.1 电池供电：电池可以更换，一组电池寿命可达60天

      2.2 无线通讯：以无线传感网络通讯为主，提供有线接口，可以通过有线网络实现远距离

         同服务器的连接。

4.2.2. 技术特征

     1、本安型基站工作原理

        本安型基站包括基站底座及透明灯罩。基站底座单元包含电源供电控制器。基站中的控

        制器单元通过无线射频接口采集无线信号数据，判断系统运行情况，并控制在基站透明

        灯罩内的LED指示灯状态。

    2、防爆型式及防爆标志

    矿用本质安全型 ExibI

    3、技术参数

      基站技术参数

4.2.3. 结构特征

1）、LED灯光指示型：

该本安型基站分为两个部分：

1)电池和主板箱；

2)天线和LED灯透明箱，可以灯光警示。基站结构简单，更换电池方便。性能可靠，使用方便。整机防水。重量1.8kg。

u 实物照片：

4.3. KJ627-K标识卡

4.3.1. 概述

无线编码发射器（标识卡）（以下称标签）是射频识别的通俗叫法，也叫做电子标签或智能标签。它的内部存储有能够识别目标的身份信息。有源电子标签是其中的一种，内含电源。有源电子标签可以主动发送身份信息，信息穿透性强、传输距离远，存储信息容量大、种类多。有源电子标签也可以支持读写功能，在应用中更新目标物体的信息。电子标签技术是电子信息技术未来最具发展潜力的一项新技术，具有广泛的用途。

圣博亚科技开发的KJ627-K标识卡（下称标识卡）是有源电子标签。为了满足有危险气体环境对标识卡的要求，该系列标识卡具有本质安全设计，满足防爆要求。该标识卡外形小巧，方便人员携带，方便粘贴到目标物体。该标识卡具备双向通信能力，可以满足特定用户的现场更改需求。该标识卡的具有专利技术的低功耗设计使得标签寿命可以达到两年以上。

4.3.2. 产品用途及适用范围

本标识卡用途广泛，适用于通过身份识别来实现监控的各种行业。一些应用范围如下。

  隧道人员物品定位管理系统

  煤矿人员物品管理定位系统

  高附加值资产管理定位系统

  车载数字车牌系统

  学生出入校管理      

  老人社区管理

  动物管理

  企事业单位人员管理

  大型会议人员管理

  物流行业

  敏感产品全程跟踪

  医疗器械管理，药品管理和HIS系统。

  高速公路收费管理，出租车、公交车的车辆识别与管理。

4.3.3. 产品特点

  远距离：0～50m；

  长寿命：大于2年

  可加密：AES128位算法。

  ISM频带：不需授权。

  高抗干扰性：对现场干扰源无特殊要求。

  安全：本质完全防爆系统。

  快速检测：运动速度可达200公里/小时。

4.3.4. 环境条件

正常工作环境条件：

a) 环境气压：80kPa～110kPa；

b) 环境温度：-20℃～＋40℃；

c) 空气相对湿度≤90%（＋25℃）；

   d）有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中；

   e）无强烈振动和冲击的地方；

   f）无腐蚀破坏金属或绝缘的气体、或尘埃的地方；

   g）不直接滴水的地方；

   h）污染等级：3级；

i）安装类别：III类。

贮运环境气候条件：

温度：-40℃~+80℃，  湿度：5%~95%

4.3.5. 技术特征

工作原理：标识卡周期性发送身份信息到外部空间。该信息被系统中的其它设备接收而完成身份认证。

技术参数

        本安参数：电池型号：ER32L65扣式锂电池,容量1安时，

         1节 Uo ：4.2V Io : 1.6A；。 工作电压：3.6V，工作电流：≤ 20mA

4.4. KJ627-Z数据接口

4.4.1. 概述

  1）产品用途及适用范围

KJ627-Z矿用本安型信号转换器用于有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的煤矿井下，主要将光信号和电信号进行相互转换，确保数据在两个网络间顺畅传输。

  2）产品特点

l 符合IEEE15.4的无线通信端口。

l 光纤通信和无线通信转换接口。

l TTL数字信号和无线通信转换接口。

l 本产品具有转发速度快、通透率高、时延低和兼容性、稳定性等发面的优势。  

  4） 环境条件

   正常工作环境条件

a）环境温度：－20℃～40℃；

b）平均相对湿度：不大于95%（＋25℃）；

c）大气压力：80kPa～106 kPa；

d）有爆炸性气体混合物，但无显著振动和冲击、无破坏绝缘的腐蚀性气体。

  贮运气候环境条件： 转换器应存放在防雨、防潮、通风良好、无腐蚀性气体的库房内。

4.4.2. 技术特征

    1）矿用本安型信号转换器工作原理

     矿用本安型信号转换器将光纤端口和无线接口收到的数据进行转发。

    2）防爆型式及防爆标志

    矿用本质安全型 ExibI

    3）技术参数

4.5. 矿用隔爆兼本安型电源

u 工作电压：AC127V/220V

u 输出电压：DC12V

输出电流：≥800mA

6. 系统总结

KJ627矿井安全管理及应急救援系统及其成套设备的核心技术是矿用基干无线传感网络技术，即通过MESH传感网络实现地下矿井的人员应急救援响应。矿用 基干无线传感网络技术的核心部分是通过全电池、全无线的通讯联络的基站，形成可长期运行的无线传感Mesh基干网络，实现标识卡、短信设备和传感设备的无 线接入，井上和井下信息的实时网络互联。系统高鲁棒性，自恢复网络，采集大规模传感器信号，实现多层预警、定位和救人模型计算。

设计思想：

避险：KJ627立足于解决井下系统的避险存活问题，以及提高煤矿应急救援能力问题，因为系统不能正常运行，救援就无从谈起。

预警：基站、现场计算件和云计算等多层的预警分析，实现灾难的预警。

救人：KJ627系统可以实现生命体征监测、地下搜救、逃生引导；

防灾：通过救援演习，KJ627系统可为生产企业提供更多更有效的应急预案，及时掌握对突发和次生事故的信息，提高应变能力，提高安全救援能力，增强矿工自我保护能力；通过传感信息和云平台的预测灾难的发生。

KJ627以“六大系统”中的人员定位系统为切入点，其核心是通过实时生命探测和灾难预警，协助解决地下矿井的人员应急警示、搜救、救援、预案有效性等问题，其独一无二的特点体现在灾难预警和矿难发生后系统仍然能够帮助矿工逃生，并且向外界提供应急救援的关键信息。

7. 系统竞争性分析

在美国，已经有相关的设计，其井下设计也是全无线架构。这个设计采用全无线自组网实现双向通讯：定位、语音通讯。不过，在当前技术背景下，要实现大数据量的语言通讯，必须使用高带宽网络，功耗会很高，就是一个问题。为此，圣博亚科技提出一个方案：一种多制式无线基站及该基站工作模式的切换方法（CN201310284494），会实现井下全无线基站的定位、通讯联络、视频通讯和传感的融合。相比较，Malinx KJ627是全电池、全无线设计，并融合监测监控，有明显的先进性和创新性。另外，MSHA （Mine Safety and Health Administration）推荐了一些井下无线定位系统，据报道这些无线系统已经实现了工作面的全无线通讯，并在美国80多个矿实施，效果很好。与美国的这些技术相比，MasLinx系统不仅实现了整个井下的全无线Mesh组网双向通讯，还实现了全电池150天以上的矿用无线基干传感网络的应急救援。而且，KJ627-F基站还可以方便的将传感器信号转为Mesh无线信号。

在中国，所有的煤矿井下的人员定位模式是：“定位卡——读卡器——分站——中心站”模式。读卡器到分站、分站间、分站到中心站均采用有线通讯。KJ627采用模式是“定位卡（传感器）——基站——中心站”模式。基站具备读卡、路由、传感接入等功能。基站间无线Mesh网络，通过一个基站为出口，就可以将整个Mesh无线网络接入中心站，并实现双向通讯。也就是说，KJ627基础网络是无线Mesh，采用具有自主知识产权的矿用基干无线传感网络技术，在中国煤矿产品中，是唯一的，经专家评审填补国内空白。Maslinx全无线、全电池技术国际领先，产品填补国内空白，技术标准符合国家标准，救援指标远远高于国家标准（具体见《AQ 6210-2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》）。

同时，现在的煤矿应急系统中，环境监测、人员定位、供电监控系统、无线通信、设备监测、车辆监测等都是分离的，兼容性较差。KJ627系统已经融合了人员定位、监测、设备监测、车辆监测等，并提供三维展示平台和二位矢量地图系统，兼容有线和所有脉冲型传感器接入。

8. 成功案例

� 2014年10月阿勒泰市阿巴宫矿业有限责任公司安全矿山系统实施

2维地图软件运行效果

� 三维地图运行效果

� 无线基站安装

� 2013年9~10月，内蒙古双利矿业六大系统顺利实施。

�

� 避险硐室传感器和无线基站

�

� 巷道无线基站调试和安装

� 系统软件运行效果

� 2013年8月王家塔煤矿全无线人员定位系统安装成功运行。

� 系统架构

� 三维平台展示

� 基站安装情况