礦井定位技術現狀和發展趨勢

馬正騰

（湖南漣邵建設工程（集團）有限責任公司，湖南 婁底 417000）

近年來采礦安全越來越受到社會各界關注，從近年來的報道可以發現我國煤礦行業還是經常出現各類安全事故，對采礦井下人員的安全構成了嚴重威脅，也不利于煤礦行業的可持續發展。與其它行業相比較而言，采礦行業生產作業環境相對比較復雜，迫切需要智能化安全監控系統來保證生產作業安全。當前階段，人員定位系統、智能化安全監控系統都是采礦行業必須配備的系統，這些系統的運行在保障人員安全方面發揮著積極作用。

1 礦井定位技術現狀

根據國內外對定位方法的研究和應用分析，定位方法可分為鄰近信息法、場景分析法和幾何特征法3種。其中，幾何特征法是采用幾何原理的定位方法，通過已知的幾個點進行定位計算，目前應用最廣泛。幾何特征法又可分為三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法，其中三邊定位法和雙曲線定位法尤為常用。無論何種定位方法，都離不開無線通信技術的支撐。用于礦井定位的無線通信技術主要有WiFi,RFID,UWB,ZigBee 等，不同的 無線通信技術適應不同的定位方法，礦井定位系統通常由地面中心站、定位分站、天線、標志卡等部分組成。要確定被測目標的位置，首先需要測定被測目標與3個或3個以上定位分站之間的距離或與不同定位分站之間的距離差。目前常用的測距方法有2種：一種是基于檢測接收信號強度指示（Received Signal Strength indication，RSSI）的測距模式，該模式以RFID，ZigBee，WiFi 等無線通信技術為支撐；另一種是基于傳輸到達時間（Ti m e of arrival,TOA）和到達時間差（Ti m e Difference of arrival，TDOA）的測距模式，該模式以線性調頻擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）及UWB 等無線通信技術為支撐。

2 礦井定位方法

2.1 井下人員跟蹤定位部分

這部分主要包括 Wif 接入節點（AP）和 Wif 移動節點、直流供電電源、交換機、光纖等。井下人員跟蹤定位部分的主要作用是對整個礦井區域內部的所有工作人員位置信息進行收集與傳輸。移動節點基于 Wif 無線網絡技術向接入節點發送位置信息，接入節點將相關信息傳輸至交換機，最終傳輸至地面部分。系統中配備了直流供電電源，作用是在緊急情況下為人員定位系統提供電力供應，確保系統運行的可靠性。地面部分和井下部分之間通過光纖進行數據傳輸，以提升數據傳輸的效率和可靠性。系統中的 Wif 移動節點包含多種類型，

2.2 組合定位方案

結合煤礦井下實際環境和對采煤機截割作業過程中的位姿監測需求，在該組合定位方案中，對全站儀和無載波通信（UWB）設備的布置主要是依據井下地質環境和測量精確性的需求。在井下運輸平巷內，能見度高、粉塵濃度低，但空間較為狹小，因此采用了全站儀定位方案來實現對無載波通信（UWB）固定基站的定位。在綜采面上作業環境較為惡劣，能見度低，除了要滿足定位精確性的需求外還需要滿足隨著采煤機移動方便、連續可靠的定位需求，因此采用了無載波通信（UWB）定位系統對各個定位節點進行定位。在采用該無載波通信（UWB）對采煤機截割作業姿態進行動態定位的過程中需要設置最少三組定位節點，以滿足對采煤機運行過程中姿態角的結算需求，為了提升結算精度，在采煤機上同步設置了傾角傳感器和尋北儀對采煤機運行時的姿態角進行測定，滿足定位精確性的需求。

2.3 地面集中監控中心服務器的選型

井下部分采集得到的人員位置信息需要傳輸到地面集中監控中心，然后利用服務器對數據進行分析和處理。因此服務器的質量對數據分析效果和速度有非常重要的影響，這對服務器的性能提出了很高的要求，只有計算速度快才能滿足系統的實時性要求。選用的服務器為英特爾i5 處理器，工作頻率超過1.86GHz，內存為32GB。另外，監控中心還配備了LED 顯示屏，主要作用是對井下人員定位處理結果進行實時顯示，以供工作人員查看。選用的是科泰公司設計加工的P8.0 型工業顯示器。為提升系統的可拓展性，還可以直接將筆記本電腦與系統進行連接，實現數據的處理分析與查看。

2.4 位姿檢測系統設備布置

為了確保對采煤機位姿檢測的精確性，在布置各類傳感器設備時需要根據煤礦井下的地質環境和測量需求進行靈活的配置，從而確保測量精確性的需求，無載波通信（UWB）定位系統的固定基站主要設置在平巷和綜采面的交叉口的位置，為了滿足對采煤機在移動狀態下的可靠定位，在液壓支架的頂部和底部分別設置有無載波通信（UWB）定位基站和定位節點。全站儀設置在運行平巷和運輸上山的交叉口處，作為構建采煤機運行姿態監測的絕對位置坐標系。為了實現對采煤機運行過程中姿態角的可靠監測，尋北儀和傾角傳感器均設置到采煤機的機身位置，為了確保測定結果的準確性，一般選擇安裝在采煤機搖臂下側位置，滿足測量精度和測量穩定性的需求。為了對該組合式的采煤機姿態監測體系應用效果進行分析，以某型采煤機為研究對象，安裝相應的設備后，對運行過程中的姿態情況進行監測，根據實際監測結果，采煤機在運行過程中的絕對定位精度小于±0.2m，采煤機機身的俯仰角跟蹤精度小于±0.12°，其航向角的跟蹤定位精度小于±0.07°，完全滿足煤礦井下自動截割控制時的定位精度需求，為實現井下的無人化綜采作業奠定了基礎。

3 礦井定位技術應用

3.1 建立Wifi 無線網絡時用到的硬件

（1）交換機。交換機是實現井下與工業以太網連接的重要部分，Wif 無線接入點采集得到的數據信息，需要傳輸至交換機中，然后通過光纖傳輸至地面集中監控中心。考慮到煤礦企業未來的發展，所以在選用交換機型號時，要求交換機的性能較高。具體而言，必須要有較高的轉發率、超過100m/s 的傳輸速度等。系統中最終選用的交換機型號為CISCOWS-C3560G-24PS-S。該型號交換機具有良好的環境適應性，當環境濕度和溫度分別在10%～85%和-5℃～45℃范圍內時，均能夠正常穩定工作。

（2）WiFi 無線接入點。為了實現整個礦井區域WiFi 無線網絡的全覆蓋，采用的是雙模Wif 無線接入點，并且要求接入點符合802.11b 標準。要求無線網絡接入點具有良好的網絡穩定性，避免出現盲區。系統使用的是CiscoSmallBusinessModelWAP200型Wif 無線網絡接入點。此外，無線接入點中還使用了RangeBooster 技術，該項技術的使用能夠顯著提升接入點的覆蓋范圍以及每個接入點的數據容量。接入點可以通過直流供電電源進行供電，在外部供電線路出現故障問題，無法正常供電時，可以調用直流電源進行供電，顯著提升了系統的可靠性。

3.2 采煤機位姿監測原理

在實際應用過程中采用無載波通信（UWB）技術來對基站群坐標系內各個定位節點的坐標位姿進行測定，然后利用全站儀對無載波通信（UWB）基站在系統內的絕對坐標位姿進行測定。采煤機在進行截割作業過程中機身位姿和搖臂傾角均會隨著綜采作業的進行而不斷變化，然后利用傾角傳感器來對采煤機工作過程中的俯仰角變化情況進行測定，輔以尋北儀即可測定采煤機運行過程中的姿態，在實際運行中采煤機的位置定位包括采煤機的姿態角和采煤機的空間坐標兩個部分，采煤機姿態角的確定是通過設置在采煤機上的傾角傳感器和尋北儀共同確定的，利用尋北儀來測量采煤機的陀螺角的速度變化情況來確定航向角。

3.3 人員定位系統的軟件程序

對于煤礦井下人員定位系統而言，井下人員信息的采集與傳輸是最為關鍵和核心的內容。Wif 接入節點可以對Wif 移動節點進行偵聽，Wif 移動節點也可以主動向外發射位置信息，并被接入節點接收，通過這樣的方式實現井下人員位置信息的采集。數據信息傳輸方面，Wif 接入節點通過無線網絡的形式將信息傳輸至交換機，然后利用光纖網絡輸送至地面集中監控中心進行處理。Wif 移動節點在向外發送位置信息時需要一同發送對應的人員編號，以便處理系統能夠識別位置信息對應的工作人員。地面集中監控中心在接收得到人員位置信息后，基于系統內部已經設定的人員定位算法，對數據進行處理，可以得到具體的人員位置坐標，從而達到煤礦井下工作人員定位的目的。

4 結束語

將Wif 無線網絡技術應用到礦井人員定位系統中，不僅能夠大大簡化整個系統，而且能夠提升數據傳輸的效率和質量。基于無線網絡傳輸技術的煤礦井下人員定位系統可將人員定位精度可達到2m，完全能夠滿足實際使用需要。