基于礦井地理信息的煤礦人員輔助定位方法研究

郭 東

（晉煤集團寺河礦，山西晉城 048200）

0 引言

目前礦井常采用RSSI 定位算法對信號節點接收到的定位數據進行優化計算，估算出礦井人員距離節點信號的位置，通常采用3個信號節點在空間范圍內聯合完成對礦井人員的定位。該定位方法的經濟性較好、人機交互操作性較強[1]。但礦井巷道內實際作業環境較為惡劣，信號的傳送在巷道內會發生衰減，通過各種巷道壁形式的折射，信號衰減嚴重。研究人員通過各種方法對RSSI算法進行了優化，但未從根本上解決上述問題，信號衰減嚴重、覆蓋范圍存在盲區的問題仍然存在。因此有必要借助輔助定位的方法聯合RSSI定位算法使用，提高對礦井人員的定位精度和效率。采用了一種礦井地理信息輔助位置信號節點的方法完成定位精度的提升，實驗結果表明，該方法能夠有效提高井下位置信號節點的定位，消除信號盲區[2]。

1 應用背景分析

1.1 輔助定位的必要性

礦井下布置的信號節點很多，各個巷道均布置有多個節點，對各個節點的維護工作有難度，作業環境也較惡劣。下列情況對最常用的定位方法結果精確性有較大影響[3]：

（1）對于位置的定位需要不小于3 個信號節點，如果一些礦井巷道的信號節點出現了故障，就容易造成信號覆蓋范圍不足，造成信號定位僅停留于平面，而未在空間上產生定位效應；

（2）由于礦井巷道空間狹窄，現有定位信號容易出現相互干擾，造成定位失效。

從礦井巷道空間狹窄的環境角度出發，采用服務器端基于地理信息的輔助定位分析方法，根據巷道內不同節點的覆蓋范圍，借助礦井內地理信息，通過GIS系統采集節點分布信息，對節點信號覆蓋范圍未涉及到的區域進行定位輔助，提高礦井人員定位的精準度。

1.2 礦用GIS系統輔助應用

隨著現代化煤礦企業的發展，每一個礦井都會建立起企業礦用地理信息系統，簡稱GIS系統。該系統可提供煤礦在空間上的信息并實現動態管理，GIS系統不僅用于煤礦還可用于其他領域，包括災害預測、國土管理、城市規劃等領域[4]。

GIS系統的可集成模塊較多并且拓展性較強，可將巷道布置的無線傳感器傳輸節點的分布圖集成于GIS系統中，與其他井下設備分布圖、安全檢測數據信息等模塊共同服務于礦井安全管理。當井下信號節點的覆蓋范圍不足，信息傳送發生障礙時，煤礦企業的后臺控制中心就可調用出GIS 系統原有保存的節點分布信息圖，輔助完成定位過程，提高節點的精確度。

2 輔助定位方法

2.1 輔助定位過程

根據上述分析，一個未知節點需要不小于3 個信標節點進行定位[5]，當信標節點數量不足時，就需要采用輔助定位的方法取代傳統的定位，具體的輔助定位過程如下：

（1）當定位節點數目不足時，未知節點接收僅有的信標節點的信息數據傳送至煤礦企業的后臺控制中心，通過后臺控制中心的數據計算進行輔助定位；

（2）控制中心收到未知結局發出的指令后，調用出GIS系統搜索存儲的節點數據分布圖，采用輔助定位的優化算法，模擬出未知節點在一個礦井巷道內的實際位置；

（3）后臺控制中心將未知節點的位置進行記錄，方便后期再次從GIS系統中調用。

2.2 輔助定位算法原理

后臺控制中心根據位置節點提供的數據，采用GIS系統計算機分析制圖的方法模擬畫出位置節點的位置。通常可將定位的類型分為3大類，根據定位節點被信標節點覆蓋的數目進行劃分，可分為2 個信標節點覆蓋、1 個信標節點覆蓋、0 個信標節點覆蓋，以下對上述3種類型的定位節點算法進行分析[6]。

（1）2個信標節點覆蓋定位節點

當未知定位節點被2 個信標節點的輻射信號范圍覆蓋時，該類情況較為簡單。將2個信標節點分別設為S1、S2，根據空間位置的分布范圍，未知節點與2個信標節點的距離可設置為d1、d2，以d1、d2距離為半徑，S1、S2為圓心畫出2 個圓形，可根據2個圓的相交節點確定未知節點的位置，兩圓相交后的相交點就為未知節點的位置，具體示意圖如圖1所示。

圖1 兩圓相切時的兩點定位

圖2 與巷道中線交點定位示意圖

（2） 1個信標節點覆蓋定位節點

當信標節點只有1個信號時，此時需要根據后臺GIS系統中所存儲的礦井巷道內，原信標節點的分布圖去定估算出定位節點的位置。同樣采用2個信標節點的定義方法進行分析，將1個信標節點設為S1，未知節點與信標節點的距離可設置為d1，以d1距離為半徑，S1為圓心畫出圓形，判斷出圓形與巷道中心線的相交情況。

如圖2 所示，由于礦井下巷道四通八達，研究考慮最復雜的定位環境，以十字交叉巷道為研究對象。圖中顯示出圓心與巷道中線相交點為A、B、C、D。該工況條件下信號接收情況可分為2種情況進行分析：

（1）檢查點A、B、C、D的4個節點位置是否能接收信標節點傳輸的信號，如圖2 所示，巷道通道的邊緣上分布有A、B與S1圓心的連線，說明點A、B沒有信號覆蓋，可將點A、B進行排除；

（2）圖2中點A共同被信標節點S1、S2共同覆蓋，可將點A的位置進行排除，然而點C為僅剩的1個節點，通過計算機空間位置計算分析可知點C 所需的位置。此外，還可根據節點的歷史運動軌跡來判斷出其位置。

（3）0個信標節點覆蓋定位節點

當未知信號節點沒有被信標節點數據所覆蓋時，只收到非信標節點傳輸過來的信號時應針對非信標節點進行處理，將其升級為信標節點并傳輸位置信息的相關數據參數至煤礦后臺控制中心，采取前述的定位方法對其進行定位。

3 實驗結果分析

采用MATLAB 數值分析軟件對上述定位輔助的方法進行驗證，巷道工況模擬參數數據如下：

（1）巷道寬度設置為15 m、10 m、5 m；

（2）信標節點間隔距離為12 m、22 m、35 m、42 m；

（3）信標節點與未知節點的數據傳輸通訊距離半徑為55 m。

2 個信標節點輔助定位結果統計表如表1 所示。可以看出，通過輔助定位方法在2 個信標節點的定位共同作用條件下，巷道寬度在15 m時，誤差在2.24 m左右，巷道寬度在10 m時，誤差在2.22 m 左右，巷道寬度在5 m時，誤差在1.9 m左右，相比原有方法的定位精確性提高了36.8%，對于礦井下人員的定位精度大幅度提升。

表1 2個信標節點輔助定位結果統計表

1 個信標節點輔助定位結果統計表如表2 所示。由表可知，當未知節點只收到1個信標節點信號時，其定位精度相比受到2 個信標節點信號時要大。巷道寬度在15 m時，誤差在3.9 m 左右，巷道寬度在10 m時，誤差在2.5 m 左右，巷道寬度在5 m時，誤差在1.2 m左右，相比原有的定位方法，定位精準度上升了32.1%。當礦井巷道的空間范圍越小時，未知節點會距離巷道中線更近，有助于提高定位的精準度。

表2 1個信標節點輔助定位結果統計表

4 結束語

礦井內部地理環境較為復雜，巷道內部空間狹小，各種復雜因素集合在一起，容易對人員定位傳送信號造成干擾，導致井下部分區域的定位傳輸信號覆蓋范圍不足。針對地下空間受限的特點，提出了用井下地理信息結合信標節點聯合輔助定位的方法，通過煤礦企業后臺控制中心計算機分析出沒有受到信號覆蓋的未知節點位置，提高每個節點的定位成功率，可及時掌控井下作業人員的位置和相關信息，保障作業人員的安全健康。通過在實際現場作業中的應用顯示出地理信息輔助定位的方法，可有效提升礦井作業人員的定位精度。