矿井定位技术现状和发展趋势

马正腾

（湖南涟邵建设工程（集团）有限责任公司，湖南 娄底 417000）

近年来采矿安全越来越受到社会各界关注，从近年来的报道可以发现我国煤矿行业还是经常出现各类安全事故，对采矿井下人员的安全构成了严重威胁，也不利于煤矿行业的可持续发展。与其它行业相比较而言，采矿行业生产作业环境相对比较复杂，迫切需要智能化安全监控系统来保证生产作业安全。当前阶段，人员定位系统、智能化安全监控系统都是采矿行业必须配备的系统，这些系统的运行在保障人员安全方面发挥着积极作用。

1 矿井定位技术现状

根据国内外对定位方法的研究和应用分析，定位方法可分为邻近信息法、场景分析法和几何特征法3种。其中，几何特征法是采用几何原理的定位方法，通过已知的几个点进行定位计算，目前应用最广泛。几何特征法又可分为三边定位法、三角定位法和双曲线定位法，其中三边定位法和双曲线定位法尤为常用。无论何种定位方法，都离不开无线通信技术的支撑。用于矿井定位的无线通信技术主要有WiFi,RFID,UWB,ZigBee 等，不同的 无线通信技术适应不同的定位方法，矿井定位系统通常由地面中心站、定位分站、天线、标志卡等部分组成。要确定被测目标的位置，首先需要测定被测目标与3个或3个以上定位分站之间的距离或与不同定位分站之间的距离差。目前常用的测距方法有2种：一种是基于检测接收信号强度指示（Received Signal Strength indication，RSSI）的测距模式，该模式以RFID，ZigBee，WiFi 等无线通信技术为支撑；另一种是基于传输到达时间（Ti m e of arrival,TOA）和到达时间差（Ti m e Difference of arrival，TDOA）的测距模式，该模式以线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum，CSS）及UWB 等无线通信技术为支撑。

2 矿井定位方法

2.1 井下人员跟踪定位部分

这部分主要包括 Wif 接入节点（AP）和 Wif 移动节点、直流供电电源、交换机、光纤等。井下人员跟踪定位部分的主要作用是对整个矿井区域内部的所有工作人员位置信息进行收集与传输。移动节点基于 Wif 无线网络技术向接入节点发送位置信息，接入节点将相关信息传输至交换机，最终传输至地面部分。系统中配备了直流供电电源，作用是在紧急情况下为人员定位系统提供电力供应，确保系统运行的可靠性。地面部分和井下部分之间通过光纤进行数据传输，以提升数据传输的效率和可靠性。系统中的 Wif 移动节点包含多种类型，

2.2 组合定位方案

结合煤矿井下实际环境和对采煤机截割作业过程中的位姿监测需求，在该组合定位方案中，对全站仪和无载波通信（UWB）设备的布置主要是依据井下地质环境和测量精确性的需求。在井下运输平巷内，能见度高、粉尘浓度低，但空间较为狭小，因此采用了全站仪定位方案来实现对无载波通信（UWB）固定基站的定位。在综采面上作业环境较为恶劣，能见度低，除了要满足定位精确性的需求外还需要满足随着采煤机移动方便、连续可靠的定位需求，因此采用了无载波通信（UWB）定位系统对各个定位节点进行定位。在采用该无载波通信（UWB）对采煤机截割作业姿态进行动态定位的过程中需要设置最少三组定位节点，以满足对采煤机运行过程中姿态角的结算需求，为了提升结算精度，在采煤机上同步设置了倾角传感器和寻北仪对采煤机运行时的姿态角进行测定，满足定位精确性的需求。

2.3 地面集中监控中心服务器的选型

井下部分采集得到的人员位置信息需要传输到地面集中监控中心，然后利用服务器对数据进行分析和处理。因此服务器的质量对数据分析效果和速度有非常重要的影响，这对服务器的性能提出了很高的要求，只有计算速度快才能满足系统的实时性要求。选用的服务器为英特尔i5 处理器，工作频率超过1.86GHz，内存为32GB。另外，监控中心还配备了LED 显示屏，主要作用是对井下人员定位处理结果进行实时显示，以供工作人员查看。选用的是科泰公司设计加工的P8.0 型工业显示器。为提升系统的可拓展性，还可以直接将笔记本电脑与系统进行连接，实现数据的处理分析与查看。

2.4 位姿检测系统设备布置

为了确保对采煤机位姿检测的精确性，在布置各类传感器设备时需要根据煤矿井下的地质环境和测量需求进行灵活的配置，从而确保测量精确性的需求，无载波通信（UWB）定位系统的固定基站主要设置在平巷和综采面的交叉口的位置，为了满足对采煤机在移动状态下的可靠定位，在液压支架的顶部和底部分别设置有无载波通信（UWB）定位基站和定位节点。全站仪设置在运行平巷和运输上山的交叉口处，作为构建采煤机运行姿态监测的绝对位置坐标系。为了实现对采煤机运行过程中姿态角的可靠监测，寻北仪和倾角传感器均设置到采煤机的机身位置，为了确保测定结果的准确性，一般选择安装在采煤机摇臂下侧位置，满足测量精度和测量稳定性的需求。为了对该组合式的采煤机姿态监测体系应用效果进行分析，以某型采煤机为研究对象，安装相应的设备后，对运行过程中的姿态情况进行监测，根据实际监测结果，采煤机在运行过程中的绝对定位精度小于±0.2m，采煤机机身的俯仰角跟踪精度小于±0.12°，其航向角的跟踪定位精度小于±0.07°，完全满足煤矿井下自动截割控制时的定位精度需求，为实现井下的无人化综采作业奠定了基础。

3 矿井定位技术应用

3.1 建立Wifi 无线网络时用到的硬件

（1）交换机。交换机是实现井下与工业以太网连接的重要部分，Wif 无线接入点采集得到的数据信息，需要传输至交换机中，然后通过光纤传输至地面集中监控中心。考虑到煤矿企业未来的发展，所以在选用交换机型号时，要求交换机的性能较高。具体而言，必须要有较高的转发率、超过100m/s 的传输速度等。系统中最终选用的交换机型号为CISCOWS-C3560G-24PS-S。该型号交换机具有良好的环境适应性，当环境湿度和温度分别在10%～85%和-5℃～45℃范围内时，均能够正常稳定工作。

（2）WiFi 无线接入点。为了实现整个矿井区域WiFi 无线网络的全覆盖，采用的是双模Wif 无线接入点，并且要求接入点符合802.11b 标准。要求无线网络接入点具有良好的网络稳定性，避免出现盲区。系统使用的是CiscoSmallBusinessModelWAP200型Wif 无线网络接入点。此外，无线接入点中还使用了RangeBooster 技术，该项技术的使用能够显著提升接入点的覆盖范围以及每个接入点的数据容量。接入点可以通过直流供电电源进行供电，在外部供电线路出现故障问题，无法正常供电时，可以调用直流电源进行供电，显著提升了系统的可靠性。

3.2 采煤机位姿监测原理

在实际应用过程中采用无载波通信（UWB）技术来对基站群坐标系内各个定位节点的坐标位姿进行测定，然后利用全站仪对无载波通信（UWB）基站在系统内的绝对坐标位姿进行测定。采煤机在进行截割作业过程中机身位姿和摇臂倾角均会随着综采作业的进行而不断变化，然后利用倾角传感器来对采煤机工作过程中的俯仰角变化情况进行测定，辅以寻北仪即可测定采煤机运行过程中的姿态，在实际运行中采煤机的位置定位包括采煤机的姿态角和采煤机的空间坐标两个部分，采煤机姿态角的确定是通过设置在采煤机上的倾角传感器和寻北仪共同确定的，利用寻北仪来测量采煤机的陀螺角的速度变化情况来确定航向角。

3.3 人员定位系统的软件程序

对于煤矿井下人员定位系统而言，井下人员信息的采集与传输是最为关键和核心的内容。Wif 接入节点可以对Wif 移动节点进行侦听，Wif 移动节点也可以主动向外发射位置信息，并被接入节点接收，通过这样的方式实现井下人员位置信息的采集。数据信息传输方面，Wif 接入节点通过无线网络的形式将信息传输至交换机，然后利用光纤网络输送至地面集中监控中心进行处理。Wif 移动节点在向外发送位置信息时需要一同发送对应的人员编号，以便处理系统能够识别位置信息对应的工作人员。地面集中监控中心在接收得到人员位置信息后，基于系统内部已经设定的人员定位算法，对数据进行处理，可以得到具体的人员位置坐标，从而达到煤矿井下工作人员定位的目的。

4 结束语

将Wif 无线网络技术应用到矿井人员定位系统中，不仅能够大大简化整个系统，而且能够提升数据传输的效率和质量。基于无线网络传输技术的煤矿井下人员定位系统可将人员定位精度可达到2m，完全能够满足实际使用需要。