基于UWB技术的煤矿人员定位机理研究

顾成进 单麒源 顾刘强 徐海莹

摘要：针对目前国内煤炭行业发展，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视及煤矿人员定位领域的需求，提出了基于UWB技术的煤矿人员定位机理研究，分析了地面定位技术在煤矿井下特殊环境应用的制约因素，介绍了煤矿井下人员定位技术与系统现状，阐述了煤矿UWB人员定位系统设计方案，为煤矿井下人员精确定位技术发展提供了参考。

关键词：煤矿人员定位;UWB;特殊环境;系统设计

随着我国经济体制改革不断深入，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强。煤炭行业不断向安全、绿色、高效、智能方向转型升级，提高煤矿的机械化、自动化、信息化和智能化程度，加强煤矿安全生产管理，全面提高安全、质量、环保、能耗、技术水平等，是煤矿未来发展的必由之路。

1 研究目的及意义

2地面定位技术在煤矿井下特殊环境应用的制约因素分析

煤矿井下有瓦斯等可燃性气体，矿井无线传输衰减严重等，制约着定位技术和定位设备直接在煤矿井下应用。

1）卫星定位技术：我国煤矿以井工开采为主，巷道深度一般在地表以下几百米乃至上千米，因此GPS信号是无法穿透煤岩层应用于煤矿井下定位。

2）惯性导航技术：惯性导航系统随着时间和距离的推移，定位精度不断下降，需要定期校准;同时，高精度陀螺寻北仪价格较高，煤矿井下人员定位系统需要对每个矿工进行定位。

3）超声波定位技术：超声波在传输过程中衰减很大、且在多径效应和非视距传播环境中测距定位误差非常大。而巷道分支、弯曲、倾斜现象普遍，且巷道空间狭小，因此超声波定位技术不适用于煤矿井下人员定位系统。

4）红外线定位技术：红外线不仅穿透性差、不能穿过障碍物，而且易被矿灯等光源干扰，因此红外线定位技术不适用于煤矿井下人员定位系统。

5）激光定位技术：激光无法弯曲，只能实现视距范围内定位;同时，矿井巷道环境恶劣，粉尘大，激光束易受煤尘影响造成测距误差。

6）雷达定位技术：因雷达定位要求被测目标必须为金属，才能够进行回波反射，因此不适用于煤矿井下人员定位。

3煤矿井下人员定位技术与系统现状

为满足煤矿安全生产、应急救援和事故调查对煤矿井下人员定位的需求，人们针对煤矿井下环境特点，研究出煤矿井下人员及动目标定位方法和系统。

1）射频识别技术

RFID射频识别技术是目前井下应用最广泛的人员定位技术。在入井口或重要区域安装射频卡读卡设备，当携带射频卡的作业人员到达读卡设备读卡范围内时，读卡设备与射频卡进行通信，获得射频卡信息，从而确定携卡人员已到达该区域，从而实现定位[4] 。

2）基于蜂窝小区标识的定位技术

采用基于移动网络的定位技术，通过蜂窝移动通信系统的基站设备对接入基站的移动设备进行定位，系统首先根据基站的覆盖范围实现移动设备的区域定位，再利用RSSI基于无线信号强度的测距方法进一步定位。

3）WiFi定位技术

WiFi定位技术是基于固定位置的无线接入点AP实现定位的技术，通过全球唯一MAC地址对AP进行识别。WiFi定位技术的基本原理也是基于RSSI测距，由于测距技术的限制，难以实现井下精确定位。

4）ZigBee技术

ZigBee定位技术采用IEEE802.15.4标准，属于无线传感器网络技术，具有自组网功能，而且功耗小、设备成本低、易实施。目前已有基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统取得了矿用产品安全标志证，定位误差可达数十米。

5）UWB超宽带技术

基于超宽带的定位技术，定位精度高可达厘米级，是目前精确定位技术的主要发展方向。目前主要应用于地面室内定位，现有包括美国Aether公司的LocahzerS室内精确定位系统、Multispectral公司的Sapphire定位系统、我国唐恩科技的iLocateTM系统。但由于井下环境特殊，这些系统无法直接应用于井下。而且现有UWB设备特别是定位卡设备的成本较高，进一步限制了UWB系统在煤矿井下应用。

6）煤矿井下人员定位系统

我国煤矿井下人员定位系统起步较晚，但随着技术的不断进步，后期发展较快，如中国煤炭科工集团常州自动化研究院的KJ69J系统、江苏三恒科技集团有限公司的KJ128A系统、中煤科工集团重庆研究院的KJ251A系統、武汉七环电气公司的KJ150A系统、北京天一众合科技公司的KJ133C系统等。

4   煤矿UWB人员定位系统设计方案

通过对无线室内定位基础理论研究，分析信道模型及参数、定位接收原理结构、测距算法性能，并建立DWM1000与上位机串口通信物理模型，然后通过室内实测和matlab仿真方法，分析多径误差、环境参数和系统参数的关系，提出测距误差修正方法，以减小UWB测距误差。

5.结语

基于UWB技术在井下煤矿人员定位机理研究发挥了UWB技术系统容量大、传输速度快、发射功率低、多径分辨率高、系统保密性好、穿透能力强、定位精度高等诸多优点，能够适应煤矿井下复杂环境。以满足煤矿井下特殊环境和煤矿安全生产需求，并对促进煤矿安全生产和矿井定位技术发展具有重要的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1] 佚名.2017年中国煤炭行业产量及发展趋势分析[N/OL].中国产业信息网，2017-3-3.

[2] 孙继平.煤矿安全生产与信息化[M].煤炭工业出版社，2011：1-32.

[3] 孙继平.互联网+煤矿监控与通信.煤炭工业出版社[M]，2016：1-13，191-206.

[4] 李靖，樊晓明.基于RFID技术的井下人员定位管理系统的应用[J].工矿自动化，2011（5）：85-87.

（作者单位：1.黑龙江科技大学 矿业工程学院;2.佳木斯大学  信息电子技术学院;3.黑龙江科技大学 机械工程学院）