異步測(cè)時(shí)礦井人員精確定位方法的應(yīng)用研究

劉兆琦　田豐

摘要：異步測(cè)時(shí)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，只需要測(cè)量分站收發(fā)信號(hào)的時(shí)間就可以計(jì)算出礦井人員的準(zhǔn)確定位，避免在測(cè)量中受到地下地形以及信號(hào)強(qiáng)弱等問題的干擾。因此，本文針對(duì)異步測(cè)時(shí)礦井人員精確定位方法應(yīng)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(guān)鍵詞：異步測(cè)時(shí);礦井人員;精確定位

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

中圖分類號(hào)：TD76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）23-0149-02

0 ?引言

傳統(tǒng)的礦井人員定位系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)受到各個(gè)方面因素的影響而無法達(dá)到精確定位的要求，而異步測(cè)時(shí)技術(shù)則徹底的解決了這一難題。在這一技術(shù)中，只需要分站信號(hào)收發(fā)時(shí)間就可以進(jìn)行測(cè)距，計(jì)算出礦井人員的準(zhǔn)確位置。因此值得在當(dāng)前的煤礦行業(yè)中廣泛應(yīng)用。

1 ?礦井人員定位方法

1.1 礦井人員定位技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前我國煤礦行業(yè)發(fā)生的安全事故主要是由于在礦井中可能出現(xiàn)的瓦斯等易燃物質(zhì)引發(fā)爆炸造成的，根據(jù)近幾年的事故案件的數(shù)據(jù)來看，發(fā)生火災(zāi)以及瓦斯爆炸等情況出現(xiàn)的傷亡人數(shù)與在礦井中工作的人數(shù)是有直接關(guān)系的，在礦井中工作的人數(shù)越多，出現(xiàn)事故傷亡的人數(shù)也就越多。因此從實(shí)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(shù)量，降低事故發(fā)生時(shí)的傷亡人數(shù)[1]。這就需要在工作中在礦井人員身上安裝準(zhǔn)確的定位設(shè)備，實(shí)時(shí)測(cè)量礦井中工作人員的數(shù)量，嚴(yán)禁礦井超員、礦井人員進(jìn)入為危險(xiǎn)區(qū)域等。同時(shí)也需要對(duì)礦井人員進(jìn)行有效管理，但是由于礦井人員在工作中往往都會(huì)在距離地面較遠(yuǎn)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(duì)礦井人員的定位設(shè)備有更高的要求。在過去的煤礦行業(yè)中，礦井人員的定位設(shè)備主要使用RFID技術(shù)。但是這種技術(shù)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(cè)站，但不可以確定礦井人員的距離數(shù)據(jù)，也無法準(zhǔn)確定位，無法滿足當(dāng)前煤礦高中安全作業(yè)的客觀需求[2]。

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

1.2 礦井人員定位技術(shù)的介紹

1.2.1 RSSI定位技術(shù)

這是一種結(jié)合無線信號(hào)強(qiáng)弱程度來進(jìn)行定位的技術(shù)，通過檢測(cè)器材對(duì)特定設(shè)備發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，分析其信號(hào)的強(qiáng)弱程度，進(jìn)而可以計(jì)算出發(fā)出信號(hào)的設(shè)備與測(cè)量地點(diǎn)之間的距離。這一定位技術(shù)的核心取決于信號(hào)發(fā)射能力以及信號(hào)接收設(shè)備的靈敏程度。但是在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)很容易受到礦井中巷道及其支護(hù)的影響，此外礦井中的一些導(dǎo)體和設(shè)備等也都會(huì)對(duì)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生阻礙，因此RSSI定位技術(shù)的誤差較大，不適應(yīng)用于礦井人員的精確定位[4]。

1.2.2 AOA定位技術(shù)

AOA定位技術(shù)是通過測(cè)量角度的原理來進(jìn)行定位。在這一技術(shù)中將設(shè)置兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)作為檢測(cè)分站，進(jìn)而通過測(cè)量定位卡與分站之間的角度來計(jì)算定位距離。但是這種技術(shù)只能用于沒有阻礙的直線位置上，定位過程中如果出現(xiàn)拐彎、障礙物以及傾斜角度等，都會(huì)對(duì)定位的精度產(chǎn)生影響，因此不適應(yīng)用于礦井人員的精確定位。

1.2.3 TOA定位技術(shù)

這種技術(shù)是根據(jù)設(shè)備發(fā)送接收信號(hào)的時(shí)間來計(jì)算定位距離。當(dāng)?shù)V井人員身上的設(shè)備發(fā)送信號(hào)后，測(cè)量設(shè)備會(huì)接收到信號(hào)，而通過從信號(hào)發(fā)送到接收的時(shí)間以及信號(hào)正常的傳輸速度就可以計(jì)算出礦井人員與測(cè)量地點(diǎn)之間的距離[5]。

這種定位技術(shù)與其他傳統(tǒng)的定位技術(shù)不同，其技術(shù)核心在于信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間，而對(duì)于信號(hào)強(qiáng)弱沒有嚴(yán)格的要求，因此定位設(shè)備發(fā)射信號(hào)的功率以及測(cè)量設(shè)備的靈敏程度都不會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。這種技術(shù)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(shù)對(duì)信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間精度要求很高，因此需要及其精密的時(shí)間測(cè)量?jī)x器，進(jìn)而技術(shù)使用成本也大大增加。

2 ?異步測(cè)時(shí)技術(shù)

2.1 異步測(cè)時(shí)技術(shù)的概述

異步測(cè)時(shí)定位技術(shù)是根據(jù)煤礦行業(yè)礦井實(shí)際工作環(huán)境設(shè)計(jì)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(zhǎng)度要絕對(duì)的高于寬度和高度[6]。因此在實(shí)際的定位中可以對(duì)隧道寬度和高度忽略不計(jì)，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(nèi)容可以得知，A、B兩點(diǎn)是異步測(cè)時(shí)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(hào)覆范圍，由圖得知臨近的兩個(gè)信號(hào)分站在布置時(shí)需要一定范圍的交互，保證兩個(gè)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(gè)分站同時(shí)發(fā)送信號(hào)。而圖2是異步測(cè)時(shí)技術(shù)礦井員工進(jìn)行精確定位的工作方法。

在圖2中T代表信號(hào)接收發(fā)送的時(shí)間。其中TAM是A分站到M位置的信號(hào)收發(fā)時(shí)間，TBM是B分站到M位置的信號(hào)收發(fā)時(shí)間。

工作流程：首先A分站會(huì)發(fā)送信號(hào)給定位卡M，當(dāng)M收到信號(hào)之后就會(huì)發(fā)出回復(fù)信號(hào)，當(dāng)A分站接收到回復(fù)信號(hào)之后就會(huì)根據(jù)發(fā)送時(shí)刻以及接到回復(fù)的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得測(cè)距時(shí)間TAM。其次，B分站會(huì)發(fā)送信號(hào)給定位卡M，當(dāng)M收到信號(hào)之后就會(huì)發(fā)出回復(fù)信號(hào)，當(dāng)B分站接收到回復(fù)信號(hào)之后就會(huì)根據(jù)發(fā)送時(shí)刻以及接到回復(fù)的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得測(cè)距時(shí)間TBM。再次，B分站會(huì)將自己的統(tǒng)計(jì)的時(shí)間數(shù)據(jù)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(shí)已知），來計(jì)算M點(diǎn)的位置，進(jìn)而達(dá)到對(duì)礦井員工進(jìn)行定位的目的。

通過對(duì)異步測(cè)時(shí)技術(shù)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(jìn)行不斷重復(fù)的信號(hào)傳遞形成的，其計(jì)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(xiàng)可以得到新公式：

dAM-dBM=c*（TAM-TBM）/2

在經(jīng)過計(jì)算可以獲得計(jì)算公式如圖5、圖6所示。

最終整理公式可以獲得關(guān)于dAM、dBM的公式組如圖7所示。

根據(jù)分站A和B的位置以及于dAM、dBM的數(shù)據(jù)則可以計(jì)算出M點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)。

2.2 性能比較

在礦井中進(jìn)行人員的精準(zhǔn)定位會(huì)受到很多因素的影響，例如在礦井中隧道的支護(hù)以及導(dǎo)體等材料、拐彎以傾斜程度、定位卡與測(cè)量設(shè)備的時(shí)鐘準(zhǔn)確度、分站建設(shè)數(shù)量和成本。這些都會(huì)對(duì)礦井人員精準(zhǔn)定位技術(shù)產(chǎn)生影響。在眾多定位技術(shù)中，異步測(cè)時(shí)技術(shù)在各個(gè)方面都十分優(yōu)異，受各個(gè)因素的影響較小[7]。首先，異步測(cè)時(shí)技術(shù)不會(huì)受礦井隧道復(fù)雜地形的影響，由于其測(cè)量核心是在兩點(diǎn)之間進(jìn)行計(jì)算，所以信號(hào)的強(qiáng)弱程度、收發(fā)時(shí)間等因素都不會(huì)對(duì)這一技術(shù)產(chǎn)生阻礙。其次，由于異步測(cè)時(shí)技術(shù)的信號(hào)收發(fā)時(shí)鐘不用太精密的設(shè)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(cè)時(shí)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用提供了便利。

3 ?結(jié)束語

綜上所述，異步測(cè)時(shí)技術(shù)是一種十分優(yōu)異的礦井人員精準(zhǔn)定位技術(shù)，這一技術(shù)受礦井的地形因素影響小，成本相對(duì)較低，對(duì)設(shè)備信號(hào)強(qiáng)弱要求低，測(cè)量核心只和測(cè)距以及分站收發(fā)信號(hào)時(shí)間有關(guān)，可以在礦井人員精準(zhǔn)定位中廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]姚志江.異步時(shí)序電路測(cè)試生成研究[D].北京：中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)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(qiáng).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(tǒng)[C].//川、渝、滇、黔、桂煤炭學(xué)會(huì)2015年度學(xué)術(shù)年會(huì)（重慶部分）論文集.2015.

[6]吳畏，劉世森.基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)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(shí)間同步定位技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019，19（2）：27-29.