精确定位技术在煤矿井下的应用研究

张永新

（南京北路智控科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

在我国，煤矿行业属于支柱型行业，尤其是当下社会对煤矿资源的需求量明显增加，然而煤矿资源却较为紧缺，如何提高煤矿开采效率、开采量，成为煤炭企业在实际经营中必须考虑的重要问题。精确定位技术的应用，有助于对煤矿井下的各项数据进行分析、判断，在保证作业安全的情况下进行开采，可有效降低开采成本、提高煤矿开采质量，具有极高的应用价值。因此，联系实际分析精确定位技术在煤矿井下的应用是十分必要的。

1 精确定位技术概述

目前，精确定位技术在煤矿井下开采中的应用已经较为普遍，主要技术类型有以下几种：（1）RFID定位技术，各大煤矿较为常用的定位系统，就是基于这一技术发展并建立起来的，煤矿井下这一技术的最远传输距离可达到100米以上，通常只能被应用于人员所处区域确定，不能做到精准定位，在应用时需要按照一定距离布置接收器，才能满足井下所有巷道全面覆盖，需要大量分站、读卡器，成本高、性价比低，后续维护也较为困难，应用范围较为狭窄；（2）RSSI技术，主要是根据信号的强弱，对井下作业人员的位置进行检测，能够实时、动态的展现人员位置，然而在实际应用中，却经常容易受到人体遮挡、无线发射功率及接收灵敏度一致性不好等影响，出现电子波信号受到干扰的情况，导致定位不精确、井下作业人员位置漂移问题频繁发生，若是想要更进一步提高定位的精确性，还需针对抖动现象加以控制，以保证RSSI技术的实效性优势得以充分发挥；（3）超宽带技术，是一种基于现代科技产生的无线传输技术，主要是利用极窄脉冲、极宽频谱来完成所有信号传输，信号宽带越高，则精确度越高，可以较好的分辨出厘米级标准范围内的物品，在目标准确定位与追踪方面，有着较好应用[1]。

2 煤矿井下精确定位技术的应用设计

基于上述分析，不难发现精确定位技术也分为多种类型，若是想要较好运用，就必须对各项技术进行整合，然后加以合理设计，确保各项技术充分发挥作用，提高技术应用有效性。

2.1 定位系统功能需求

精确定位技术的应用，需要以用户权限设定为前提，且用户的各项信息必须得到有效划分，这样才便于满足用户的多元、多层次需求。因此，定位系统平台内部，必须对所有工作人员的基本信息加以检测与科学管理，保证在后续的查询、修改、删除操作中，信息的真实性，确保系统能够正常操作。在此基础上，定位系统本身还需要能够结合WIFI，开展各项定位管理，包括定位卡信息登记、发放、挂失、注销、预警等多项功能，由此提高定位的精确性，一旦出现问题能够及时将人员信息反馈，人员的真实运动轨迹、实际位置，也能够在系统中直接反映出来，便于确定位置，尤其是在危险事故发生以后，就是掌握人员的动态信息，便于制定营救计划，具有重要价值。除此之外，定位系统还需要具备考勤功能，对煤矿井下作业人员的下井时间、次数、时间段等各项信息进行收集，而后由控制中心对这些传输的信号进行计算分析，为更好地进行统一调度、规划奠定基础。

2.2 定位系统框架

从整体上来看，定位系统核心基站、数据服务器、监控中心构成，在布设大量基站、传感器以后，无线网络会利用TCP/IP协议，将矿井下的所有实况信息上传，切实掌握包括人员避难线路图、人员考勤、井下地形分布等诸多方面内容，便于实现井下作业人员的统一调配与管理。系统分站结构设计则更为复杂，在这一结构中，基于超带宽的UWB定位基站是主节点，将工业以太网和CAN通讯的接口作为系统主要数据流通道，UWB无线射频单元和高精度计时单元负责人员快速识别和定位。同时在使用过程中根据基站的无线有效覆盖范围进行合理的基站布置，即要保障信号最大限度地覆盖还要避免无线信号的频繁漫游。与此同时，利用这一系统结构，还可以将井下定位与井上监测同步进行，比如作业面、煤层铺运大巷等，都能实现较好定位，保证人员身份信息可以被较好识别，做好相关判断，避免出现人员位置难以识别的情况，井上监测则是要根据井下作业想到的分布情况，模拟绘制一些画面，而后生成运行轨迹，利用这些画面，实现远程监控，而这些轨迹最终也将会成为紧急状况下，报警提示、人员疏散与撤离的重要参考[2]。

2.3 定位系统定位算法

从目前精准定位的定位算法来看，主要可以从两个方面进行阐述：第一种，基于RSSI的定位算法，在实际应用中，是借助传感器网络节点，将信号发射至通信空间，然后接收端将会对节点间的信号传输损耗值进行精密测量，借助模型完成节点距离值计算，结合坐标换算法，对煤矿井下各个作业物体的具体位置进行定位计算，这样一过程便是定位算法应用与实施的实际过程。为了保证定位算法的精确性，在应用期间需要充分考虑到多径、散射、非视距等多方面影响因素，确保信号接收，与随机对数正态分布变化相符合、相适应，具体可参照PL（d）=PL（d0）-10alg（d/d0）-εσ这一公式，其中PL（d）主要是指电磁波信号传输所经过的一段距离中产生的信号强度值，PL（d0）则是指参考距离d0的信号强度，a代表了信号传输过程中的损耗衰减因子，随着距离的增加，会逐渐减少，εσ表示均值为零以及方差为σ的高斯随机变量。这也就需要相关工作人员必须精准计算，利用公式实现精准定位，确保精确定位系统能够充分发挥作用。

第二种，基于Wi-Fi的指纹定位算法，这一算法在应用中，会分为指纹训练阶段、真实定位阶段，会通过分析、对比、采集到的信号，不断修正实际位置与计算位置的算法，在指纹数据库构建的基础条件下，定位算法可以利用WIFI，将指纹与数据库中的信息进行匹配，若是成功，则会获得较为精准地定位位置，常见的算法是K最近邻法，实际计算完全是通过信号指纹距离对比，获得最终的对应点，定位平面坐标。

第三种，基于超带宽UWB的双向双边测距（DSTWR）的精确定位算法是各精确定位系统厂家惯用的处理方式。

图1 超带宽UWB的精确定位算法

由上图可知UWB的定位精度取决于上述公式的Tround1、Tround2两个过程变量、是否能正确识别信号的第一路径以及Treply1、Treply2是否计时准确 。同时在系统定位的过程中是否能够利用上述两对变量进行时差抵消。

3 精确定位系统软硬件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 协调器节点硬件设计

煤矿井下作业过程中，需要进行信号通信，传递出的数据信息会直接通过系统程序汇集到协调器节点，由节点控制中心进行信息内容的分析处理，其中CAN总线主要负责数据与上位机之间的传输工作，节点的运行状态和工作人员的具体位置直接在上位机系统界面以数据的形式展现出来。因此，需要做好协调器节点硬件设计工作，建立高频ZigBee模块负责信号定位，通过底板设计完成信号的传输工作，大多数硬件设施的电路焊接工作都是在协调器节点上完成的，保证无线通信工艺与协调器电源、无线收发之间的互通性，协调器的显示模块能够精准的传达井下信息，为井下工作状态的调节提供先提条件，保证精准定位系统的稳定运行。

3.1.2 路由节点硬件设计

煤矿井下作业需要安装标准适量的路由节点，同时保证安装范围内的网络全覆盖，实现邻居节点间的稳定通信，为了保证施工过程的稳定性，移动节点需要定时的进行井下数据信息发送，信息内容在路由节点汇总，控制中心的工作人员通过协调器节点实现地面信息传输。在硬件设计的过程中需要在保证ZigBee无线模块的稳定运行基础上，开展外在设计工作，通过电源、电路、无线器等工具的选择，赋予系统无线收发功能。

3.2 软件设计

3.2.1 协调器节点软件设计

在进行协调器节点软件设计的过程中，需要合理运用CC2430芯片，接收井下传输的数据信息，并通过上位机控制中心下达调节指令，分别传输到井下巷道的多个节点，在这一信息传输过程中，协调器主要承担信息的接收和汇总任务，并以中继站的形式完成信息反馈工作[3]。

3.2.2 路由节点软件设计

路由节点软件设计过程十分复杂，工作人员需要创分了解路由节点所具有的精准定位功能，在实际应用过程中得到的井下坐标位置（X，Y），要通过软件技术进行改变，定位系统获取的井下定位区域是路由节点的安置位置，但会随着工作情况进行适当调节。路由节点的移动性，表明了芯片选择的具体范围，路由节点在使用过程中，不具备移动性，但路由节点的位置可以运用定位引擎进行确定，在固定区域内发挥出软件的传输功能。路由节点需要定时将得到的RSSI值转变为信息数据，连同自身所处的位置传输到移动节点，与协调器节点进行连接，在上机位系统中显示出来，精准定位系统自带的监控软件，会根据信息内容的变化特点，对井下煤矿作业的情况进行监管，通过系统控制调节，提高数据信息的传送速度，保证位置信息的精确性。

4 结语

综上所述，煤矿井下作业本身就具有较大的风险性，很容易受到井下因素影响，若是各项数据不够精准，会直接增加煤矿开采风险，甚至于还可能造成较大的人员伤亡情况，无法为作业人员提供安全保障，增加企业风险以及成本支出。精确定位技术是一种成本低、精准度高的技术手段，其运用将会极大程度提高井下作业安全性， 包括RFID定位技术、RSSI技术、超宽带技术。为了将其更好的应用于煤矿井下作业，就必须从定位系统功能需求、系统框架、定位算法几个方面进行分析阐述，确保应用设计的合理性。