煤矿井下无线定位技术及系统的应用现状和发展方向

2021-12-05常琳

煤矿安全 2021年7期

常琳

（安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013）

由于煤矿井下地质条件复杂多变，再加上工作环境恶劣，有些矿井巷道甚至长达几十千米，且工作地点较为分散，这些限制条件加大了对于井下人员定位的难度。随着无线通信技术的发展，RFID、ZigBee、WiFi、UWB等技术在矿井环境中广泛使用，为煤矿人员定位技术的发展注入了新的活力。与此同时，研究矿用人员定位系统的安全性，也推动了精确定位技术在井下的应用进程，保证矿工和矿井的人身财产安全。为此，分析总结了各种目标定位算法和定位精度的测量标准、煤矿井下无线定位技术的现状、以及井下定位系统的应用情况，以期对矿用无线定位系统及产品在矿井下安全使用提供参考帮助。

1 无线定位技术的发展

无线定位技术的研究起源于二次世界大战中的军事应用。1948年，Stansfield首先提出基于角度测量（AOA）的无源目标追踪技术[1]。民用无线定位技术的研究开始于1969年[2]，W Figel提出了基于信号强度测量（RSS）的运动车辆定位系统。1977年，G D OTT提出了蜂窝无线定位理念，讨论了基于RSS的车辆定位精度和系统性能之间的关系。1996年，美国联邦通信委员会（FCC）公布了E-911法规，要求自2001年10月1日起，对于提出紧急呼叫的移动终端，蜂窝网必须提供精度125 m以内、准确率达67%以上的定位服务。1998年，又将定位要求修改为精度为400 m、准确率90%以上。1999年，FCC再次将定位要求修改为：网络定位精度100 m以内、准确率67%以上，精度300 m以内，准确率95%以上；移动终端定位精度50 m、准确率67%以上，精度150 m、准确率95%以上。此外，欧盟也颁布了E-112的定位需求。这无疑极大的促进了无线定位技术的发展。第三代移动通信标准也将移动终端定位技术纳入了重要内容范畴[3]。2000年10月，全球3大通信公司—诺基亚、爱立信和摩托罗拉，成立了“位置信息互用论坛”，目的在于提供全球范围内的无线终端和网络的定位服务。近年来，世界范围内各大通信公司均展开了移动定位业务，世界各大研究机构以及很多大学可开展了关于无线定位技术的研究[4]。随着研究工作的不断开展，无线定位技术出现了很多分类[5]。

无线定位技术可按照应用环境、解决方案、定位物理层技术、定位模式、定位参数、估算技术以及定位安全性的不同进行多种分类。当然这些分类方案之间也具有一定的从属性，比如根据定位物理层技术的不同将无线定位技术分为：射频/超声波/UWB/红外/RFID、蓝牙、WLAN、Zigbee传感器节点、室内GPS、GPS/DGPS/GLONASS/Galileo/北斗、GSM/UTMS。针对射频技术的无线定位系统，可以用于解决室内（局域）定位问题，也可以用于解决室外（全局）定位要求。

2 煤矿井下定位技术

目前比较常用的矿井定位方法有：

1）蓝牙定位技术。蓝牙是一种适合短距离传输的无线通信技术，比较适用于在狭小空间中进行定位[6]。但使用蓝牙技术进行定位，必须带有蓝牙收发装置的移动设备，成本比较高，且蓝牙传输距离短，功耗较大，不适合井下环境中的定位。

2）射频识别（RFID）定位技术。是利用双向传输特点来实现信息的交互，价格低，实现简单，但定位精度不高。常用于作业人员的打卡识别，如在高速公路的收费站或公司门禁系统，不能实现精确的位置计算和跟踪[7]。因此射频识别技术用在定位中不太理想。

3）ZigBee定位技术。ZigBee定位技术具有蓝牙的所有优点[8]，且功耗很低，传输距离比较长，能够自组网，适合于井下环境中的定位。但传输数据量较小。文献［9］利用ZigBee的权值算法，通过接收信号强度指示值（RSSI）与定位节点发射功率计算接收信号强度（RSS），利用RSS实现人员的定位。文献［10］则在ZigBee技术的基础上将定位区域划分为近基站区域和远基站区域，分别利用高斯滤波模型滤波的RSSI定位算法和V-T（Velocity-Time）算法进行定位。基于ZigBee技术的井下人员定位技术，虽然能够一定程度上提升定位的精度，但由于Zig－Bee技术的先天劣势，无法在井下定位中取得进一步的发展。

4）Wi-Fi定位技术。Wi-Fi定位技术相较于蓝牙与射频识别技术，Wi-Fi技术在传输距离以及价格都比较适中，但在井下环境中，其使用成本比较高且功耗大，且不易组网，故Wi-Fi定位技术在矿井中的应用阻碍较大。文献［11］利用WiFi指纹技术进行井下定位。文献［12］为提高数据的传输速率，采用ZigBee和WiFi结合的方式进行井下定位。虽然技术融合的方式能够在一定程度上增加传输的距离，但还是无法解决定位系统复杂和建设成本的问题。

5）红外线定位技术。红外线定位技术是利用光学传感器接收经过红外线位置处的目标信息，计算目标的位置坐标，但红外线的穿透能力差[13]，适用于空旷的环境，在矿井密闭的环境中应用效果较差。

6）超声波定位技术。是利用TDOA的测距方式实现定位，误差较大，且硬件成本很高，功耗也很大，因此不适用在复杂环境[14]。

7）超宽带（UWB）定位技术。作为一种新型的无线定位技术，它常利用信号传输时间进行目标位置计算与跟踪。这种技术具有定位精度高，抗干扰性强等优点，但价格较高，应用于矿井定位系统会增加系统成本[15]。

3 井下无线定位系统

针对煤矿井下人员的定位技术，国外学者研究的较少。我国在这一领域的研究开发工作开始较晚，在1980年左右，我国开始在煤矿引进人员安检系统。20世纪90年代，我国的第1个矿井作业人员监控系统在山西安装启用。我国煤矿井下定位系统的发展很快，目前处于第3个发展阶段，即发展开发新型的有源井下人员定位系统。目前我国煤矿使用最广泛，技术最可靠的定位系统，是KJ系列矿井人员定位系统[16]。国内各科研单位和厂家相继研发了KT18、KT30、KJ88、KJ90、KJ95、KJ101、KT105、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等无线监控与定位系统、WEBGIS、MSNM等煤矿安全综合数字化网络监测管理系统。这些系统多数利用射频识别RFID或“小灵通”无线市话PHS技术实现无线监测、有线传输，形成一种2级集散式的监控系统，对井下人员实施监控和跟踪定位。这些系统大多采用RFID射频识别技术获取目标位置，能够实现井下作业人员的位置监测，有效地保证矿井作业人员的安全。但这些系统大多实现门禁式定位，未能实现目标位置的实时计算和跟踪，并且在上下班高峰期很容易造成拥堵。

目前较新的定位系统利用主动视频识别技术，解决多个监控个体造成的基站堵塞和信息传输出错等问题，有效地改善了系统的可用性[17]。此外，也有一些定位系统采用ZigBee，WiFi等无线通信技术，但在矿井特殊环境中定位误差很大。随着低能耗的无线通信技术、嵌入式技术的发展，煤矿人员定位系统也在不断升级改造。以超宽带技术为代表的新兴无线定位技术，因其抗干扰能力强、定位精度高、能耗低等优势，在矿井无线定位系统中得到越来越多的重视。

4 超宽带井下定位技术

复杂多变的矿井环境使得现有室内定位技术的应用受到了很大的制约，且矿井巷道长度较长，工作地点较为分散，加大了对于井下人员、设备等目标定位的难度。现有的井下目标定位系统在一定程度上能够满足井下目标定位的需求，但这些定位系统最高的定位精度只能达到2～10 m，且为非连续定位，定位精度受无线发射基站数量与分布密度制约，这无疑给有限的矿井巷道环境带来很大的压力，且普遍存在定位误差大、易受周围环境影响、适应能力弱、抗多径干扰能力差、传输距离短等问题。超宽带（UWB）技术，不需要产生正弦载波，结构简单、实现成本低。不仅如此，超宽带信号有很强的穿透性能，能很好的解决定位过程中有障碍物的阻挡问题，故超宽带技术在定位方面的应用有“天然”的优势。此外，超宽带系统的载体—窄脉冲，其持续时间一般在0.20～2 ns，且占空比极低，抗干扰能力强，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW至几十mW，功耗低；且在井下这一特殊的封闭环境中，频率的使用不受限制。因此，超宽带技术非常适合在煤矿井下复杂环境中实现精确实时定位。

超宽带相对于其他无线网络信号具有很强的产投性，且能够发射极窄脉冲或者极宽频谱来传输信息。超宽带利用RSS定位方法进行定位，一方面面对井下复杂的工作环境需要增加发射功率，造成能源消耗增加[15]；另一方面无法发挥出超宽带大带宽的优势。而且，井下具有很强的多径效应和非视距传播，为保证定位精度需要建立额外的信号补偿模型[18]。

基于AOA定位方法的超宽带定位技术，实现简单，在室内定位中具有很好的定位精度。但单独的AOA定位方式无法解决矿井内复杂的生产环境，可以使用与其它定位方法结合的方式，利用AOA定位数据作为参考，其它方法获得的信息能够帮助修正，从而减少参考站的数目，缩小建设成本[19]。

文献［20］利用基于超宽带和TOA定位方法相结合的方式进行人员定位。但由于TOA定位方法需要实现定位目标和参考站之间的时钟同步，这对井下工作复杂的工作条件来说，井下定位设备极易受到干扰，从而使得定位不准。严格要求各点之间的时钟同步会显著增加建设和维护成本。

TDOA定位方法相对于TOA定位方法在保证定位精度的同时，对于设备间的时钟同步要求降低。文献［21］利用TODA方法对矿井巷道进行三维定位，在目标位置计算时融合Chan算法对井下目标进行准确的定位。在对定位信息处理时，为解决非视距传播的问题，有研究将卡尔曼滤波[22]应用到定位领域，提升定位技术的动态跟踪能力。

双向测距（two-way ranging,TWR）定位方法是在TOA定位方法上的进一步发展，是为解决TOA定位中设备间需要时钟同步而提出，TWR定位方法是利用参考站之间发射双向信号传输测距从而进行定位。文献［23］利用组合滤波和改进TWR算法进行定位。文献［24］提出了一种基于ToF的由偏斜TWR测距的N元测距协议，它可到达与SDS-TWR达到相同的精确度，但是需要发送的消息却少了4倍。文献［25］利用非对称双边双程测距（ADS-TWR）技术，同时结合粒子群算法和Taylor迭代算法解析目标位置，能够有效提高定位精度。

受井下现实条件的制约，煤矿井下的精确定位，必须要解决井下的多径问题和非视距传播问题。超宽带技术相较于其它无线网络技术，具有极好的穿透性和巨大的带宽，系统设备简单，功耗低，特别适合煤矿井下这一特殊复杂的环境，在未来是井下无线定位的发展方向。