煤礦井下無線定位技術及系統的應用現狀和發展方向

常 琳

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京 100013）

由于煤礦井下地質條件復雜多變，再加上工作環境惡劣，有些礦井巷道甚至長達幾十千米，且工作地點較為分散，這些限制條件加大了對于井下人員定位的難度。隨著無線通信技術的發展，RFID、ZigBee、WiFi、UWB等技術在礦井環境中廣泛使用，為煤礦人員定位技術的發展注入了新的活力。與此同時，研究礦用人員定位系統的安全性，也推動了精確定位技術在井下的應用進程，保證礦工和礦井的人身財產安全。為此，分析總結了各種目標定位算法和定位精度的測量標準、煤礦井下無線定位技術的現狀、以及井下定位系統的應用情況，以期對礦用無線定位系統及產品在礦井下安全使用提供參考幫助。

1 無線定位技術的發展

無線定位技術的研究起源于二次世界大戰中的軍事應用。1948年，Stansfield首先提出基于角度測量（AOA）的無源目標追蹤技術[1]。民用無線定位技術的研究開始于1969年[2]，W Figel提出了基于信號強度測量（RSS）的運動車輛定位系統。1977年，G D OTT提出了蜂窩無線定位理念，討論了基于RSS的車輛定位精度和系統性能之間的關系。1996年，美國聯邦通信委員會（FCC）公布了E-911法規，要求自2001年10月1日起，對于提出緊急呼叫的移動終端，蜂窩網必須提供精度125 m以內、準確率達67%以上的定位服務。1998年，又將定位要求修改為精度為400 m、準確率90%以上。1999年，FCC再次將定位要求修改為：網絡定位精度100 m以內、準確率67%以上，精度300 m以內，準確率95%以上；移動終端定位精度50 m、準確率67%以上，精度150 m、準確率95%以上。此外，歐盟也頒布了E-112的定位需求。這無疑極大的促進了無線定位技術的發展。第三代移動通信標準也將移動終端定位技術納入了重要內容范疇[3]。2000年10月，全球3大通信公司—諾基亞、愛立信和摩托羅拉，成立了“位置信息互用論壇”，目的在于提供全球范圍內的無線終端和網絡的定位服務。近年來，世界范圍內各大通信公司均展開了移動定位業務，世界各大研究機構以及很多大學可開展了關于無線定位技術的研究[4]。隨著研究工作的不斷開展，無線定位技術出現了很多分類[5]。

無線定位技術可按照應用環境、解決方案、定位物理層技術、定位模式、定位參數、估算技術以及定位安全性的不同進行多種分類。當然這些分類方案之間也具有一定的從屬性，比如根據定位物理層技術的不同將無線定位技術分為：射頻/超聲波/UWB/紅外/RFID、藍牙、WLAN、Zigbee傳感器節點、室內GPS、GPS/DGPS/GLONASS/Galileo/北斗、GSM/UTMS。針對射頻技術的無線定位系統，可以用于解決室內（局域）定位問題，也可以用于解決室外（全局）定位要求。

2 煤礦井下定位技術

目前比較常用的礦井定位方法有：

1）藍牙定位技術。藍牙是一種適合短距離傳輸的無線通信技術，比較適用于在狹小空間中進行定位[6]。但使用藍牙技術進行定位，必須帶有藍牙收發裝置的移動設備，成本比較高，且藍牙傳輸距離短，功耗較大，不適合井下環境中的定位。

2）射頻識別（RFID）定位技術。是利用雙向傳輸特點來實現信息的交互，價格低，實現簡單，但定位精度不高。常用于作業人員的打卡識別，如在高速公路的收費站或公司門禁系統，不能實現精確的位置計算和跟蹤[7]。因此射頻識別技術用在定位中不太理想。

3）ZigBee定位技術。ZigBee定位技術具有藍牙的所有優點[8]，且功耗很低，傳輸距離比較長，能夠自組網，適合于井下環境中的定位。但傳輸數據量較小。文獻［9］利用ZigBee的權值算法，通過接收信號強度指示值（RSSI）與定位節點發射功率計算接收信號強度（RSS），利用RSS實現人員的定位。文獻［10］則在ZigBee技術的基礎上將定位區域劃分為近基站區域和遠基站區域，分別利用高斯濾波模型濾波的RSSI定位算法和V-T（Velocity-Time）算法進行定位。基于ZigBee技術的井下人員定位技術，雖然能夠一定程度上提升定位的精度，但由于Zig－Bee技術的先天劣勢，無法在井下定位中取得進一步的發展。

4）Wi-Fi定位技術。Wi-Fi定位技術相較于藍牙與射頻識別技術，Wi-Fi技術在傳輸距離以及價格都比較適中，但在井下環境中，其使用成本比較高且功耗大，且不易組網，故Wi-Fi定位技術在礦井中的應用阻礙較大。文獻［11］利用WiFi指紋技術進行井下定位。文獻［12］為提高數據的傳輸速率，采用ZigBee和WiFi結合的方式進行井下定位。雖然技術融合的方式能夠在一定程度上增加傳輸的距離，但還是無法解決定位系統復雜和建設成本的問題。

5）紅外線定位技術。紅外線定位技術是利用光學傳感器接收經過紅外線位置處的目標信息，計算目標的位置坐標，但紅外線的穿透能力差[13]，適用于空曠的環境，在礦井密閉的環境中應用效果較差。

6）超聲波定位技術。是利用TDOA的測距方式實現定位，誤差較大，且硬件成本很高，功耗也很大，因此不適用在復雜環境[14]。

7）超寬帶（UWB）定位技術。作為一種新型的無線定位技術，它常利用信號傳輸時間進行目標位置計算與跟蹤。這種技術具有定位精度高，抗干擾性強等優點，但價格較高，應用于礦井定位系統會增加系統成本[15]。

3 井下無線定位系統

針對煤礦井下人員的定位技術，國外學者研究的較少。我國在這一領域的研究開發工作開始較晚，在1980年左右，我國開始在煤礦引進人員安檢系統。20世紀90年代，我國的第1個礦井作業人員監控系統在山西安裝啟用。我國煤礦井下定位系統的發展很快，目前處于第3個發展階段，即發展開發新型的有源井下人員定位系統。目前我國煤礦使用最廣泛，技術最可靠的定位系統，是KJ系列礦井人員定位系統[16]。國內各科研單位和廠家相繼研發了KT18、KT30、KJ88、KJ90、KJ95、KJ101、KT105、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等無線監控與定位系統、WEBGIS、MSNM等煤礦安全綜合數字化網絡監測管理系統。這些系統多數利用射頻識別RFID或“小靈通”無線市話PHS技術實現無線監測、有線傳輸，形成一種2級集散式的監控系統，對井下人員實施監控和跟蹤定位。這些系統大多采用RFID射頻識別技術獲取目標位置，能夠實現井下作業人員的位置監測，有效地保證礦井作業人員的安全。但這些系統大多實現門禁式定位，未能實現目標位置的實時計算和跟蹤，并且在上下班高峰期很容易造成擁堵。

目前較新的定位系統利用主動視頻識別技術，解決多個監控個體造成的基站堵塞和信息傳輸出錯等問題，有效地改善了系統的可用性[17]。此外，也有一些定位系統采用ZigBee，WiFi等無線通信技術，但在礦井特殊環境中定位誤差很大。隨著低能耗的無線通信技術、嵌入式技術的發展，煤礦人員定位系統也在不斷升級改造。以超寬帶技術為代表的新興無線定位技術，因其抗干擾能力強、定位精度高、能耗低等優勢，在礦井無線定位系統中得到越來越多的重視。

4 超寬帶井下定位技術

復雜多變的礦井環境使得現有室內定位技術的應用受到了很大的制約，且礦井巷道長度較長，工作地點較為分散，加大了對于井下人員、設備等目標定位的難度。現有的井下目標定位系統在一定程度上能夠滿足井下目標定位的需求，但這些定位系統最高的定位精度只能達到2～10 m，且為非連續定位，定位精度受無線發射基站數量與分布密度制約，這無疑給有限的礦井巷道環境帶來很大的壓力，且普遍存在定位誤差大、易受周圍環境影響、適應能力弱、抗多徑干擾能力差、傳輸距離短等問題。超寬帶（UWB）技術，不需要產生正弦載波，結構簡單、實現成本低。不僅如此，超寬帶信號有很強的穿透性能，能很好的解決定位過程中有障礙物的阻擋問題，故超寬帶技術在定位方面的應用有“天然”的優勢。此外，超寬帶系統的載體—窄脈沖，其持續時間一般在0.20～2 ns，且占空比極低，抗干擾能力強，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW至幾十mW，功耗低；且在井下這一特殊的封閉環境中，頻率的使用不受限制。因此，超寬帶技術非常適合在煤礦井下復雜環境中實現精確實時定位。

超寬帶相對于其他無線網絡信號具有很強的產投性，且能夠發射極窄脈沖或者極寬頻譜來傳輸信息。超寬帶利用RSS定位方法進行定位，一方面面對井下復雜的工作環境需要增加發射功率，造成能源消耗增加[15]；另一方面無法發揮出超寬帶大帶寬的優勢。而且，井下具有很強的多徑效應和非視距傳播，為保證定位精度需要建立額外的信號補償模型[18]。

基于AOA定位方法的超寬帶定位技術，實現簡單，在室內定位中具有很好的定位精度。但單獨的AOA定位方式無法解決礦井內復雜的生產環境，可以使用與其它定位方法結合的方式，利用AOA定位數據作為參考，其它方法獲得的信息能夠幫助修正，從而減少參考站的數目，縮小建設成本[19]。

文獻［20］利用基于超寬帶和TOA定位方法相結合的方式進行人員定位。但由于TOA定位方法需要實現定位目標和參考站之間的時鐘同步，這對井下工作復雜的工作條件來說，井下定位設備極易受到干擾，從而使得定位不準。嚴格要求各點之間的時鐘同步會顯著增加建設和維護成本。

TDOA定位方法相對于TOA定位方法在保證定位精度的同時，對于設備間的時鐘同步要求降低。文獻［21］利用TODA方法對礦井巷道進行三維定位，在目標位置計算時融合Chan算法對井下目標進行準確的定位。在對定位信息處理時，為解決非視距傳播的問題，有研究將卡爾曼濾波[22]應用到定位領域，提升定位技術的動態跟蹤能力。

雙向測距（two-way ranging,TWR）定位方法是在TOA定位方法上的進一步發展，是為解決TOA定位中設備間需要時鐘同步而提出，TWR定位方法是利用參考站之間發射雙向信號傳輸測距從而進行定位。文獻［23］利用組合濾波和改進TWR算法進行定位。文獻［24］提出了一種基于ToF的由偏斜TWR測距的N元測距協議，它可到達與SDS-TWR達到相同的精確度，但是需要發送的消息卻少了4倍。文獻［25］利用非對稱雙邊雙程測距（ADS-TWR）技術，同時結合粒子群算法和Taylor迭代算法解析目標位置，能夠有效提高定位精度。

受井下現實條件的制約，煤礦井下的精確定位，必須要解決井下的多徑問題和非視距傳播問題。超寬帶技術相較于其它無線網絡技術，具有極好的穿透性和巨大的帶寬，系統設備簡單，功耗低，特別適合煤礦井下這一特殊復雜的環境，在未來是井下無線定位的發展方向。

5 結語

煤礦井下定位系統是煤礦企業高效安全運行地重要保障。分析了無線定位技術的發展現狀。在此基礎上，介紹了煤礦井下無線定位技術的現狀，以及井下定位系統的應用情況，并著重分析了超寬帶定位技術的發展現狀，認為超寬帶技術將是未來礦井精確定位系統的可靠保障。