異步測時礦井人員精確定位方法的應用研究

劉兆琦　田豐

摘要：異步測時技術在實際應用中，只需要測量分站收發信號的時間就可以計算出礦井人員的準確定位，避免在測量中受到地下地形以及信號強弱等問題的干擾。因此，本文針對異步測時礦井人員精確定位方法應用展開分析和探究。

Abstract： In the practical application， the asynchronous time measurement technology only needs to measure the time of sending and receiving signals of the substation to calculate the accurate positioning of the mine personnel， and avoid the interference of the underground terrain and signal strength in the measurement. Therefore， this paper analyzes and explores the application of the precise positioning method for asynchronous time measurement mine personnel.

關鍵詞：異步測時;礦井人員;精確定位

Key words： asynchronous time measurement;mine personnel;precise positioning

中圖分類號：TD76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0149-02

0 ?引言

傳統的礦井人員定位系統經常會受到各個方面因素的影響而無法達到精確定位的要求，而異步測時技術則徹底的解決了這一難題。在這一技術中，只需要分站信號收發時間就可以進行測距，計算出礦井人員的準確位置。因此值得在當前的煤礦行業中廣泛應用。

1 ?礦井人員定位方法

1.1 礦井人員定位技術的發展

當前我國煤礦行業發生的安全事故主要是由于在礦井中可能出現的瓦斯等易燃物質引發爆炸造成的，根據近幾年的事故案件的數據來看，發生火災以及瓦斯爆炸等情況出現的傷亡人數與在礦井中工作的人數是有直接關系的，在礦井中工作的人數越多，出現事故傷亡的人數也就越多。因此從實際的事故案件中可以看出，在煤礦工作中需要有效的控制礦井中的工作人員數量，降低事故發生時的傷亡人數[1]。這就需要在工作中在礦井人員身上安裝準確的定位設備，實時測量礦井中工作人員的數量，嚴禁礦井超員、礦井人員進入為危險區域等。同時也需要對礦井人員進行有效管理，但是由于礦井人員在工作中往往都會在距離地面較遠的位置，有的礦井工作位置距地面有十多公里。這種情況下就需要對礦井人員的定位設備有更高的要求。在過去的煤礦行業中，礦井人員的定位設備主要使用RFID技術。但是這種技術功能十分單一，只能掌握礦井人員的讀卡信息，是否通過檢測站，但不可以確定礦井人員的距離數據，也無法準確定位，無法滿足當前煤礦高中安全作業的客觀需求[2]。

為提供煤礦行業安全作業的要求，人們不斷研發新的礦井人員定位設備，例如AOA定位技術（Angle of Arrival）、SDS—TWR定位技術（Symmetric Double—Sided Two—Way Ranging）、RSSI定位技術（Received Signal Strength Indicator）、TOA定位技術（Time Of Arrival）、TWR定位技術（Two—Way Ranging）、TDOA定位技術（Time Difference Of Arrival）[3]。

1.2 礦井人員定位技術的介紹

1.2.1 RSSI定位技術

這是一種結合無線信號強弱程度來進行定位的技術，通過檢測器材對特定設備發出的信號進行檢測，分析其信號的強弱程度，進而可以計算出發出信號的設備與測量地點之間的距離。這一定位技術的核心取決于信號發射能力以及信號接收設備的靈敏程度。但是在實際的使用中發現設備發出的信號很容易受到礦井中巷道及其支護的影響，此外礦井中的一些導體和設備等也都會對設備發出的信號產生阻礙，因此RSSI定位技術的誤差較大，不適應用于礦井人員的精確定位[4]。

1.2.2 AOA定位技術

AOA定位技術是通過測量角度的原理來進行定位。在這一技術中將設置兩個檢測點作為檢測分站，進而通過測量定位卡與分站之間的角度來計算定位距離。但是這種技術只能用于沒有阻礙的直線位置上，定位過程中如果出現拐彎、障礙物以及傾斜角度等，都會對定位的精度產生影響，因此不適應用于礦井人員的精確定位。

1.2.3 TOA定位技術

這種技術是根據設備發送接收信號的時間來計算定位距離。當礦井人員身上的設備發送信號后，測量設備會接收到信號，而通過從信號發送到接收的時間以及信號正常的傳輸速度就可以計算出礦井人員與測量地點之間的距離[5]。

這種定位技術與其他傳統的定位技術不同，其技術核心在于信號傳輸的時間，而對于信號強弱沒有嚴格的要求，因此定位設備發射信號的功率以及測量設備的靈敏程度都不會對定位精度產生影響。這種技術雖然可以用于礦井人員的精確定位，但是也有著不足之處。由于這一技術對信號發送和接收的時間精度要求很高，因此需要及其精密的時間測量儀器，進而技術使用成本也大大增加。

2 ?異步測時技術

2.1 異步測時技術的概述

異步測時定位技術是根據煤礦行業礦井實際工作環境設計的，在礦井中地下地形十分狹窄有限，這種情況下礦井通道的長度要絕對的高于寬度和高度[6]。因此在實際的定位中可以對隧道寬度和高度忽略不計，將礦井員工的定位工作縮小到一維的層面上。其具體分站布置方法如圖1所示。

通過圖1中內容可以得知，A、B兩點是異步測時分站的布置位置，M為持有定位卡的礦井員工所在位置，而圓圈是分站A、B的信號覆范圍，由圖得知臨近的兩個信號分站在布置時需要一定范圍的交互，保證兩個分站之間能夠傳遞信息。此外也能保證礦井員工位置也能與A、B兩個分站同時發送信號。而圖2是異步測時技術礦井員工進行精確定位的工作方法。

在圖2中T代表信號接收發送的時間。其中TAM是A分站到M位置的信號收發時間，TBM是B分站到M位置的信號收發時間。

工作流程：首先A分站會發送信號給定位卡M，當M收到信號之后就會發出回復信號，當A分站接收到回復信號之后就會根據發送時刻以及接到回復的時刻進行統計，獲得測距時間TAM。其次，B分站會發送信號給定位卡M，當M收到信號之后就會發出回復信號，當B分站接收到回復信號之后就會根據發送時刻以及接到回復的時刻進行統計，獲得測距時間TBM。再次，B分站會將自己的統計的時間數據傳遞給A分站。A分站通過TAM、TBM、A到B之間的距離（A、B之間距離安裝分站時已知），來計算M點的位置，進而達到對礦井員工進行定位的目的。

通過對異步測時技術工作流程分析可以看出，定位卡的定位功能是由分站以及定位卡之間進行不斷重復的信號傳遞形成的，其計算公式回如圖3、圖4所示。

將圖4中公式相減可以得到公式：

dAM-dBM=1/2*c（TAM-TM）-1/2*c（TBM-TM）

再通過合并同類項可以得到新公式：

dAM-dBM=c*（TAM-TBM）/2

在經過計算可以獲得計算公式如圖5、圖6所示。

最終整理公式可以獲得關于dAM、dBM的公式組如圖7所示。

根據分站A和B的位置以及于dAM、dBM的數據則可以計算出M點的定位數據。

2.2 性能比較

在礦井中進行人員的精準定位會受到很多因素的影響，例如在礦井中隧道的支護以及導體等材料、拐彎以傾斜程度、定位卡與測量設備的時鐘準確度、分站建設數量和成本。這些都會對礦井人員精準定位技術產生影響。在眾多定位技術中，異步測時技術在各個方面都十分優異，受各個因素的影響較小[7]。首先，異步測時技術不會受礦井隧道復雜地形的影響，由于其測量核心是在兩點之間進行計算，所以信號的強弱程度、收發時間等因素都不會對這一技術產生阻礙。其次，由于異步測時技術的信號收發時鐘不用太精密的設備，因此分站以及定位卡的成本得到了極大的降低，為異步測時技術大規模應用提供了便利。

3 ?結束語

綜上所述，異步測時技術是一種十分優異的礦井人員精準定位技術，這一技術受礦井的地形因素影響小，成本相對較低，對設備信號強弱要求低，測量核心只和測距以及分站收發信號時間有關，可以在礦井人員精準定位中廣泛的應用。

參考文獻：

[1]孫哲星，孫繼平.異步測時礦井人員精確定位方法[J/OL].煤炭學報，2018，43（5）：1464-1470.DOI：10.13225/j.cnki.jccs.2018.0381.

[2]姚志江.異步時序電路測試生成研究[D].北京：中國科學院計算技術研究所，2001.

[3]孫哲星.煤礦井下人員二維精確定位方法[J/OL].煤炭工程，2018，50（5）：97-99，103.DOI：10.11799/ce201805027.

[4]張宗強.礦井人員精確定位算法探討[J/OL].信息與電腦，2015，（20）：34-35.DOI：10.3969/j.issn.1003-9767.2015.20.016.

[5]蔣德才，馬成，田國正，等.基于TOF的礦井精確人員定位系統[C].//川、渝、滇、黔、桂煤炭學會2015年度學術年會（重慶部分）論文集.2015.

[6]吳畏，劉世森.基于TOA技術的煤礦井下精確人員定位系統研究[J/OL].中國煤炭，2012，38（4）：65-67.DOI：10.3969/j.issn.1006-530X.2012.04.017.

[7]李迎喜.煤礦井下精確時間同步定位技術研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（2）：27-29.