精確定位技術在煤礦井下的應用研究

張永新

（南京北路智控科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在我國，煤礦行業屬于支柱型行業，尤其是當下社會對煤礦資源的需求量明顯增加，然而煤礦資源卻較為緊缺，如何提高煤礦開采效率、開采量，成為煤炭企業在實際經營中必須考慮的重要問題。精確定位技術的應用，有助于對煤礦井下的各項數據進行分析、判斷，在保證作業安全的情況下進行開采，可有效降低開采成本、提高煤礦開采質量，具有極高的應用價值。因此，聯系實際分析精確定位技術在煤礦井下的應用是十分必要的。

1 精確定位技術概述

目前，精確定位技術在煤礦井下開采中的應用已經較為普遍，主要技術類型有以下幾種：（1）RFID定位技術，各大煤礦較為常用的定位系統，就是基于這一技術發展并建立起來的，煤礦井下這一技術的最遠傳輸距離可達到100米以上，通常只能被應用于人員所處區域確定，不能做到精準定位，在應用時需要按照一定距離布置接收器，才能滿足井下所有巷道全面覆蓋，需要大量分站、讀卡器，成本高、性價比低，后續維護也較為困難，應用范圍較為狹窄；（2）RSSI技術，主要是根據信號的強弱，對井下作業人員的位置進行檢測，能夠實時、動態的展現人員位置，然而在實際應用中，卻經常容易受到人體遮擋、無線發射功率及接收靈敏度一致性不好等影響，出現電子波信號受到干擾的情況，導致定位不精確、井下作業人員位置漂移問題頻繁發生，若是想要更進一步提高定位的精確性，還需針對抖動現象加以控制，以保證RSSI技術的實效性優勢得以充分發揮；（3）超寬帶技術，是一種基于現代科技產生的無線傳輸技術，主要是利用極窄脈沖、極寬頻譜來完成所有信號傳輸，信號寬帶越高，則精確度越高，可以較好的分辨出厘米級標準范圍內的物品，在目標準確定位與追蹤方面，有著較好應用[1]。

2 煤礦井下精確定位技術的應用設計

基于上述分析，不難發現精確定位技術也分為多種類型，若是想要較好運用，就必須對各項技術進行整合，然后加以合理設計，確保各項技術充分發揮作用，提高技術應用有效性。

2.1 定位系統功能需求

精確定位技術的應用，需要以用戶權限設定為前提，且用戶的各項信息必須得到有效劃分，這樣才便于滿足用戶的多元、多層次需求。因此，定位系統平臺內部，必須對所有工作人員的基本信息加以檢測與科學管理，保證在后續的查詢、修改、刪除操作中，信息的真實性，確保系統能夠正常操作。在此基礎上，定位系統本身還需要能夠結合WIFI，開展各項定位管理，包括定位卡信息登記、發放、掛失、注銷、預警等多項功能，由此提高定位的精確性，一旦出現問題能夠及時將人員信息反饋，人員的真實運動軌跡、實際位置，也能夠在系統中直接反映出來，便于確定位置，尤其是在危險事故發生以后，就是掌握人員的動態信息，便于制定營救計劃，具有重要價值。除此之外，定位系統還需要具備考勤功能，對煤礦井下作業人員的下井時間、次數、時間段等各項信息進行收集，而后由控制中心對這些傳輸的信號進行計算分析，為更好地進行統一調度、規劃奠定基礎。

2.2 定位系統框架

從整體上來看，定位系統核心基站、數據服務器、監控中心構成，在布設大量基站、傳感器以后，無線網絡會利用TCP/IP協議，將礦井下的所有實況信息上傳，切實掌握包括人員避難線路圖、人員考勤、井下地形分布等諸多方面內容，便于實現井下作業人員的統一調配與管理。系統分站結構設計則更為復雜，在這一結構中，基于超帶寬的UWB定位基站是主節點，將工業以太網和CAN通訊的接口作為系統主要數據流通道，UWB無線射頻單元和高精度計時單元負責人員快速識別和定位。同時在使用過程中根據基站的無線有效覆蓋范圍進行合理的基站布置，即要保障信號最大限度地覆蓋還要避免無線信號的頻繁漫游。與此同時，利用這一系統結構，還可以將井下定位與井上監測同步進行，比如作業面、煤層鋪運大巷等，都能實現較好定位，保證人員身份信息可以被較好識別，做好相關判斷，避免出現人員位置難以識別的情況，井上監測則是要根據井下作業想到的分布情況，模擬繪制一些畫面，而后生成運行軌跡，利用這些畫面，實現遠程監控，而這些軌跡最終也將會成為緊急狀況下，報警提示、人員疏散與撤離的重要參考[2]。

2.3 定位系統定位算法

從目前精準定位的定位算法來看，主要可以從兩個方面進行闡述：第一種，基于RSSI的定位算法，在實際應用中，是借助傳感器網絡節點，將信號發射至通信空間，然后接收端將會對節點間的信號傳輸損耗值進行精密測量，借助模型完成節點距離值計算，結合坐標換算法，對煤礦井下各個作業物體的具體位置進行定位計算，這樣一過程便是定位算法應用與實施的實際過程。為了保證定位算法的精確性，在應用期間需要充分考慮到多徑、散射、非視距等多方面影響因素，確保信號接收，與隨機對數正態分布變化相符合、相適應，具體可參照PL（d）=PL（d0）-10alg（d/d0）-εσ這一公式，其中PL（d）主要是指電磁波信號傳輸所經過的一段距離中產生的信號強度值，PL（d0）則是指參考距離d0的信號強度，a代表了信號傳輸過程中的損耗衰減因子，隨著距離的增加，會逐漸減少，εσ表示均值為零以及方差為σ的高斯隨機變量。這也就需要相關工作人員必須精準計算，利用公式實現精準定位，確保精確定位系統能夠充分發揮作用。

第二種，基于Wi-Fi的指紋定位算法，這一算法在應用中，會分為指紋訓練階段、真實定位階段，會通過分析、對比、采集到的信號，不斷修正實際位置與計算位置的算法，在指紋數據庫構建的基礎條件下，定位算法可以利用WIFI，將指紋與數據庫中的信息進行匹配，若是成功，則會獲得較為精準地定位位置，常見的算法是K最近鄰法，實際計算完全是通過信號指紋距離對比，獲得最終的對應點，定位平面坐標。

第三種，基于超帶寬UWB的雙向雙邊測距（DSTWR）的精確定位算法是各精確定位系統廠家慣用的處理方式。

圖1 超帶寬UWB的精確定位算法

由上圖可知UWB的定位精度取決于上述公式的Tround1、Tround2兩個過程變量、是否能正確識別信號的第一路徑以及Treply1、Treply2是否計時準確 。同時在系統定位的過程中是否能夠利用上述兩對變量進行時差抵消。

3 精確定位系統軟硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 協調器節點硬件設計

煤礦井下作業過程中，需要進行信號通信，傳遞出的數據信息會直接通過系統程序匯集到協調器節點，由節點控制中心進行信息內容的分析處理，其中CAN總線主要負責數據與上位機之間的傳輸工作，節點的運行狀態和工作人員的具體位置直接在上位機系統界面以數據的形式展現出來。因此，需要做好協調器節點硬件設計工作，建立高頻ZigBee模塊負責信號定位，通過底板設計完成信號的傳輸工作，大多數硬件設施的電路焊接工作都是在協調器節點上完成的，保證無線通信工藝與協調器電源、無線收發之間的互通性，協調器的顯示模塊能夠精準的傳達井下信息，為井下工作狀態的調節提供先提條件，保證精準定位系統的穩定運行。

3.1.2 路由節點硬件設計

煤礦井下作業需要安裝標準適量的路由節點，同時保證安裝范圍內的網絡全覆蓋，實現鄰居節點間的穩定通信，為了保證施工過程的穩定性，移動節點需要定時的進行井下數據信息發送，信息內容在路由節點匯總，控制中心的工作人員通過協調器節點實現地面信息傳輸。在硬件設計的過程中需要在保證ZigBee無線模塊的穩定運行基礎上，開展外在設計工作，通過電源、電路、無線器等工具的選擇，賦予系統無線收發功能。

3.2 軟件設計

3.2.1 協調器節點軟件設計

在進行協調器節點軟件設計的過程中，需要合理運用CC2430芯片，接收井下傳輸的數據信息，并通過上位機控制中心下達調節指令，分別傳輸到井下巷道的多個節點，在這一信息傳輸過程中，協調器主要承擔信息的接收和匯總任務，并以中繼站的形式完成信息反饋工作[3]。

3.2.2 路由節點軟件設計

路由節點軟件設計過程十分復雜，工作人員需要創分了解路由節點所具有的精準定位功能，在實際應用過程中得到的井下坐標位置（X，Y），要通過軟件技術進行改變，定位系統獲取的井下定位區域是路由節點的安置位置，但會隨著工作情況進行適當調節。路由節點的移動性，表明了芯片選擇的具體范圍，路由節點在使用過程中，不具備移動性，但路由節點的位置可以運用定位引擎進行確定，在固定區域內發揮出軟件的傳輸功能。路由節點需要定時將得到的RSSI值轉變為信息數據，連同自身所處的位置傳輸到移動節點，與協調器節點進行連接，在上機位系統中顯示出來，精準定位系統自帶的監控軟件，會根據信息內容的變化特點，對井下煤礦作業的情況進行監管，通過系統控制調節，提高數據信息的傳送速度，保證位置信息的精確性。

4 結語

綜上所述，煤礦井下作業本身就具有較大的風險性，很容易受到井下因素影響，若是各項數據不夠精準，會直接增加煤礦開采風險，甚至于還可能造成較大的人員傷亡情況，無法為作業人員提供安全保障，增加企業風險以及成本支出。精確定位技術是一種成本低、精準度高的技術手段，其運用將會極大程度提高井下作業安全性， 包括RFID定位技術、RSSI技術、超寬帶技術。為了將其更好的應用于煤礦井下作業，就必須從定位系統功能需求、系統框架、定位算法幾個方面進行分析闡述，確保應用設計的合理性。