礦井定位技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

馬正騰

（湖南漣邵建設(shè)工程（集團(tuán)）有限責(zé)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(guān)注，從近年來的報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)我國煤礦行業(yè)還是經(jīng)常出現(xiàn)各類安全事故，對采礦井下人員的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，也不利于煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。與其它行業(yè)相比較而言，采礦行業(yè)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境相對比較復(fù)雜，迫切需要智能化安全監(jiān)控系統(tǒng)來保證生產(chǎn)作業(yè)安全。當(dāng)前階段，人員定位系統(tǒng)、智能化安全監(jiān)控系統(tǒng)都是采礦行業(yè)必須配備的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的運(yùn)行在保障人員安全方面發(fā)揮著積極作用。

1 礦井定位技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)國內(nèi)外對定位方法的研究和應(yīng)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(diǎn)進(jìn)行定位計(jì)算，目前應(yīng)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(shù)的支撐。用于礦井定位的無線通信技術(shù)主要有WiFi,RFID,UWB,ZigBee 等，不同的 無線通信技術(shù)適應(yīng)不同的定位方法，礦井定位系統(tǒng)通常由地面中心站、定位分站、天線、標(biāo)志卡等部分組成。要確定被測目標(biāo)的位置，首先需要測定被測目標(biāo)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(qiáng)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(shù)為支撐；另一種是基于傳輸?shù)竭_(dá)時間（Ti m e of arrival,TOA）和到達(dá)時間差（Ti m e Difference of arrival，TDOA）的測距模式，該模式以線性調(diào)頻擴(kuò)頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）及UWB 等無線通信技術(shù)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(jié)點(diǎn)（AP）和 Wif 移動節(jié)點(diǎn)、直流供電電源、交換機(jī)、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(qū)域內(nèi)部的所有工作人員位置信息進(jìn)行收集與傳輸。移動節(jié)點(diǎn)基于 Wif 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送位置信息，接入節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息傳輸至交換機(jī)，最終傳輸至地面部分。系統(tǒng)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(tǒng)提供電力供應(yīng)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。地面部分和井下部分之間通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。系統(tǒng)中的 Wif 移動節(jié)點(diǎn)包含多種類型，

2.2 組合定位方案

結(jié)合煤礦井下實(shí)際環(huán)境和對采煤機(jī)截割作業(yè)過程中的位姿監(jiān)測需求，在該組合定位方案中，對全站儀和無載波通信（UWB）設(shè)備的布置主要是依據(jù)井下地質(zhì)環(huán)境和測量精確性的需求。在井下運(yùn)輸平巷內(nèi)，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(shí)現(xiàn)對無載波通信（UWB）固定基站的定位。在綜采面上作業(yè)環(huán)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(jī)移動方便、連續(xù)可靠的定位需求，因此采用了無載波通信（UWB）定位系統(tǒng)對各個定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。在采用該無載波通信（UWB）對采煤機(jī)截割作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行動態(tài)定位的過程中需要設(shè)置最少三組定位節(jié)點(diǎn)，以滿足對采煤機(jī)運(yùn)行過程中姿態(tài)角的結(jié)算需求，為了提升結(jié)算精度，在采煤機(jī)上同步設(shè)置了傾角傳感器和尋北儀對采煤機(jī)運(yùn)行時的姿態(tài)角進(jìn)行測定，滿足定位精確性的需求。

2.3 地面集中監(jiān)控中心服務(wù)器的選型

井下部分采集得到的人員位置信息需要傳輸?shù)降孛婕斜O(jiān)控中心，然后利用服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。因此服務(wù)器的質(zhì)量對數(shù)據(jù)分析效果和速度有非常重要的影響，這對服務(wù)器的性能提出了很高的要求，只有計(jì)算速度快才能滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求。選用的服務(wù)器為英特爾i5 處理器，工作頻率超過1.86GHz，內(nèi)存為32GB。另外，監(jiān)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(jié)果進(jìn)行實(shí)時顯示，以供工作人員查看。選用的是科泰公司設(shè)計(jì)加工的P8.0 型工業(yè)顯示器。為提升系統(tǒng)的可拓展性，還可以直接將筆記本電腦與系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理分析與查看。

2.4 位姿檢測系統(tǒng)設(shè)備布置

為了確保對采煤機(jī)位姿檢測的精確性，在布置各類傳感器設(shè)備時需要根據(jù)煤礦井下的地質(zhì)環(huán)境和測量需求進(jìn)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(tǒng)的固定基站主要設(shè)置在平巷和綜采面的交叉口的位置，為了滿足對采煤機(jī)在移動狀態(tài)下的可靠定位，在液壓支架的頂部和底部分別設(shè)置有無載波通信（UWB）定位基站和定位節(jié)點(diǎn)。全站儀設(shè)置在運(yùn)行平巷和運(yùn)輸上山的交叉口處，作為構(gòu)建采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測的絕對位置坐標(biāo)系。為了實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行過程中姿態(tài)角的可靠監(jiān)測，尋北儀和傾角傳感器均設(shè)置到采煤機(jī)的機(jī)身位置，為了確保測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般選擇安裝在采煤機(jī)搖臂下側(cè)位置，滿足測量精度和測量穩(wěn)定性的需求。為了對該組合式的采煤機(jī)姿態(tài)監(jiān)測體系應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以某型采煤機(jī)為研究對象，安裝相應(yīng)的設(shè)備后，對運(yùn)行過程中的姿態(tài)情況進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果，采煤機(jī)在運(yùn)行過程中的絕對定位精度小于±0.2m，采煤機(jī)機(jī)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(shí)現(xiàn)井下的無人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

3 礦井定位技術(shù)應(yīng)用

3.1 建立Wifi 無線網(wǎng)絡(luò)時用到的硬件

（1）交換機(jī)。交換機(jī)是實(shí)現(xiàn)井下與工業(yè)以太網(wǎng)連接的重要部分，Wif 無線接入點(diǎn)采集得到的數(shù)據(jù)信息，需要傳輸至交換機(jī)中，然后通過光纖傳輸至地面集中監(jiān)控中心?？紤]到煤礦企業(yè)未來的發(fā)展，所以在選用交換機(jī)型號時，要求交換機(jī)的性能較高。具體而言，必須要有較高的轉(zhuǎn)發(fā)率、超過100m/s 的傳輸速度等。系統(tǒng)中最終選用的交換機(jī)型號為CISCOWS-C3560G-24PS-S。該型號交換機(jī)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境濕度和溫度分別在10%～85%和-5℃～45℃范圍內(nèi)時，均能夠正常穩(wěn)定工作。

（2）WiFi 無線接入點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)整個礦井區(qū)域WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，采用的是雙模Wif 無線接入點(diǎn)，并且要求接入點(diǎn)符合802.11b 標(biāo)準(zhǔn)。要求無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)具有良好的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)盲區(qū)。系統(tǒng)使用的是CiscoSmallBusinessModelWAP200型Wif 無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)。此外，無線接入點(diǎn)中還使用了RangeBooster 技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的使用能夠顯著提升接入點(diǎn)的覆蓋范圍以及每個接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)容量。接入點(diǎn)可以通過直流供電電源進(jìn)行供電，在外部供電線路出現(xiàn)故障問題，無法正常供電時，可以調(diào)用直流電源進(jìn)行供電，顯著提升了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 采煤機(jī)位姿監(jiān)測原理

在實(shí)際應(yīng)用過程中采用無載波通信（UWB）技術(shù)來對基站群坐標(biāo)系內(nèi)各個定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位姿進(jìn)行測定，然后利用全站儀對無載波通信（UWB）基站在系統(tǒng)內(nèi)的絕對坐標(biāo)位姿進(jìn)行測定。采煤機(jī)在進(jìn)行截割作業(yè)過程中機(jī)身位姿和搖臂傾角均會隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行而不斷變化，然后利用傾角傳感器來對采煤機(jī)工作過程中的俯仰角變化情況進(jìn)行測定，輔以尋北儀即可測定采煤機(jī)運(yùn)行過程中的姿態(tài)，在實(shí)際運(yùn)行中采煤機(jī)的位置定位包括采煤機(jī)的姿態(tài)角和采煤機(jī)的空間坐標(biāo)兩個部分，采煤機(jī)姿態(tài)角的確定是通過設(shè)置在采煤機(jī)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(jī)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(tǒng)的軟件程序

對于煤礦井下人員定位系統(tǒng)而言，井下人員信息的采集與傳輸是最為關(guān)鍵和核心的內(nèi)容。Wif 接入節(jié)點(diǎn)可以對Wif 移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽，Wif 移動節(jié)點(diǎn)也可以主動向外發(fā)射位置信息，并被接入節(jié)點(diǎn)接收，通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)井下人員位置信息的采集。數(shù)據(jù)信息傳輸方面，Wif 接入節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)的形式將信息傳輸至交換機(jī)，然后利用光纖網(wǎng)絡(luò)輸送至地面集中監(jiān)控中心進(jìn)行處理。Wif 移動節(jié)點(diǎn)在向外發(fā)送位置信息時需要一同發(fā)送對應(yīng)的人員編號，以便處理系統(tǒng)能夠識別位置信息對應(yīng)的工作人員。地面集中監(jiān)控中心在接收得到人員位置信息后，基于系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定的人員定位算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到具體的人員位置坐標(biāo)，從而達(dá)到煤礦井下工作人員定位的目的。

4 結(jié)束語

將Wif 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦井人員定位系統(tǒng)中，不僅能夠大大簡化整個系統(tǒng)，而且能夠提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量?；跓o線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)可將人員定位精度可達(dá)到2m，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。