精確定位技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)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(guó)，煤礦行業(yè)屬于支柱型行業(yè)，尤其是當(dāng)下社會(huì)對(duì)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(kāi)采效率、開(kāi)采量，成為煤炭企業(yè)在實(shí)際經(jīng)營(yíng)中必須考慮的重要問(wèn)題。精確定位技術(shù)的應(yīng)用，有助于對(duì)煤礦井下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，在保證作業(yè)安全的情況下進(jìn)行開(kāi)采，可有效降低開(kāi)采成本、提高煤礦開(kāi)采質(zhì)量，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。因此，聯(lián)系實(shí)際分析精確定位技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用是十分必要的。

1 精確定位技術(shù)概述

目前，精確定位技術(shù)在煤礦井下開(kāi)采中的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，主要技術(shù)類型有以下幾種：（1）RFID定位技術(shù)，各大煤礦較為常用的定位系統(tǒng)，就是基于這一技術(shù)發(fā)展并建立起來(lái)的，煤礦井下這一技術(shù)的最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)到100米以上，通常只能被應(yīng)用于人員所處區(qū)域確定，不能做到精準(zhǔn)定位，在應(yīng)用時(shí)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(jià)比低，后續(xù)維護(hù)也較為困難，應(yīng)用范圍較為狹窄；（2）RSSI技術(shù)，主要是根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)井下作業(yè)人員的位置進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)人員位置，然而在實(shí)際應(yīng)用中，卻經(jīng)常容易受到人體遮擋、無(wú)線發(fā)射功率及接收靈敏度一致性不好等影響，出現(xiàn)電子波信號(hào)受到干擾的情況，導(dǎo)致定位不精確、井下作業(yè)人員位置漂移問(wèn)題頻繁發(fā)生，若是想要更進(jìn)一步提高定位的精確性，還需針對(duì)抖動(dòng)現(xiàn)象加以控制，以保證RSSI技術(shù)的實(shí)效性優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮；（3）超寬帶技術(shù)，是一種基于現(xiàn)代科技產(chǎn)生的無(wú)線傳輸技術(shù)，主要是利用極窄脈沖、極寬頻譜來(lái)完成所有信號(hào)傳輸，信號(hào)寬帶越高，則精確度越高，可以較好的分辨出厘米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的物品，在目標(biāo)準(zhǔn)確定位與追蹤方面，有著較好應(yīng)用[1]。

2 煤礦井下精確定位技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

基于上述分析，不難發(fā)現(xiàn)精確定位技術(shù)也分為多種類型，若是想要較好運(yùn)用，就必須對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行整合，然后加以合理設(shè)計(jì)，確保各項(xiàng)技術(shù)充分發(fā)揮作用，提高技術(shù)應(yīng)用有效性。

2.1 定位系統(tǒng)功能需求

精確定位技術(shù)的應(yīng)用，需要以用戶權(quán)限設(shè)定為前提，且用戶的各項(xiàng)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(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部，必須對(duì)所有工作人員的基本信息加以檢測(cè)與科學(xué)管理，保證在后續(xù)的查詢、修改、刪除操作中，信息的真實(shí)性，確保系統(tǒng)能夠正常操作。在此基礎(chǔ)上，定位系統(tǒng)本身還需要能夠結(jié)合WIFI，開(kāi)展各項(xiàng)定位管理，包括定位卡信息登記、發(fā)放、掛失、注銷、預(yù)警等多項(xiàng)功能，由此提高定位的精確性，一旦出現(xiàn)問(wèn)題能夠及時(shí)將人員信息反饋，人員的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)際位置，也能夠在系統(tǒng)中直接反映出來(lái)，便于確定位置，尤其是在危險(xiǎn)事故發(fā)生以后，就是掌握人員的動(dòng)態(tài)信息，便于制定營(yíng)救計(jì)劃，具有重要價(jià)值。除此之外，定位系統(tǒng)還需要具備考勤功能，對(duì)煤礦井下作業(yè)人員的下井時(shí)間、次數(shù)、時(shí)間段等各項(xiàng)信息進(jìn)行收集，而后由控制中心對(duì)這些傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行計(jì)算分析，為更好地進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度、規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。

2.2 定位系統(tǒng)框架

從整體上來(lái)看，定位系統(tǒng)核心基站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控中心構(gòu)成，在布設(shè)大量基站、傳感器以后，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)會(huì)利用TCP/IP協(xié)議，將礦井下的所有實(shí)況信息上傳，切實(shí)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(nèi)容，便于實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員的統(tǒng)一調(diào)配與管理。系統(tǒng)分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則更為復(fù)雜，在這一結(jié)構(gòu)中，基于超帶寬的UWB定位基站是主節(jié)點(diǎn)，將工業(yè)以太網(wǎng)和CAN通訊的接口作為系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流通道，UWB無(wú)線射頻單元和高精度計(jì)時(shí)單元負(fù)責(zé)人員快速識(shí)別和定位。同時(shí)在使用過(guò)程中根據(jù)基站的無(wú)線有效覆蓋范圍進(jìn)行合理的基站布置，即要保障信號(hào)最大限度地覆蓋還要避免無(wú)線信號(hào)的頻繁漫游。與此同時(shí)，利用這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還可以將井下定位與井上監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，比如作業(yè)面、煤層鋪運(yùn)大巷等，都能實(shí)現(xiàn)較好定位，保證人員身份信息可以被較好識(shí)別，做好相關(guān)判斷，避免出現(xiàn)人員位置難以識(shí)別的情況，井上監(jiān)測(cè)則是要根據(jù)井下作業(yè)想到的分布情況，模擬繪制一些畫(huà)面，而后生成運(yùn)行軌跡，利用這些畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，而這些軌跡最終也將會(huì)成為緊急狀況下，報(bào)警提示、人員疏散與撤離的重要參考[2]。

2.3 定位系統(tǒng)定位算法

從目前精準(zhǔn)定位的定位算法來(lái)看，主要可以從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述：第一種，基于RSSI的定位算法，在實(shí)際應(yīng)用中，是借助傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將信號(hào)發(fā)射至通信空間，然后接收端將會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)傳輸損耗值進(jìn)行精密測(cè)量，借助模型完成節(jié)點(diǎn)距離值計(jì)算，結(jié)合坐標(biāo)換算法，對(duì)煤礦井下各個(gè)作業(yè)物體的具體位置進(jìn)行定位計(jì)算，這樣一過(guò)程便是定位算法應(yīng)用與實(shí)施的實(shí)際過(guò)程。為了保證定位算法的精確性，在應(yīng)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(hào)接收，與隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布變化相符合、相適應(yīng)，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(hào)傳輸所經(jīng)過(guò)的一段距離中產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度值，PL（d0）則是指參考距離d0的信號(hào)強(qiáng)度，a代表了信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗衰減因子，隨著距離的增加，會(huì)逐漸減少，εσ表示均值為零以及方差為σ的高斯隨機(jī)變量。這也就需要相關(guān)工作人員必須精準(zhǔn)計(jì)算，利用公式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，確保精確定位系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用。

第二種，基于Wi-Fi的指紋定位算法，這一算法在應(yīng)用中，會(huì)分為指紋訓(xùn)練階段、真實(shí)定位階段，會(huì)通過(guò)分析、對(duì)比、采集到的信號(hào)，不斷修正實(shí)際位置與計(jì)算位置的算法，在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的基礎(chǔ)條件下，定位算法可以利用WIFI，將指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行匹配，若是成功，則會(huì)獲得較為精準(zhǔn)地定位位置，常見(jiàn)的算法是K最近鄰法，實(shí)際計(jì)算完全是通過(guò)信號(hào)指紋距離對(duì)比，獲得最終的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，定位平面坐標(biāo)。

第三種，基于超帶寬UWB的雙向雙邊測(cè)距（DSTWR）的精確定位算法是各精確定位系統(tǒng)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(gè)過(guò)程變量、是否能正確識(shí)別信號(hào)的第一路徑以及Treply1、Treply2是否計(jì)時(shí)準(zhǔn)確 。同時(shí)在系統(tǒng)定位的過(guò)程中是否能夠利用上述兩對(duì)變量進(jìn)行時(shí)差抵消。

3 精確定位系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下作業(yè)過(guò)程中，需要進(jìn)行信號(hào)通信，傳遞出的數(shù)據(jù)信息會(huì)直接通過(guò)系統(tǒng)程序匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)控制中心進(jìn)行信息內(nèi)容的分析處理，其中CAN總線主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)與上位機(jī)之間的傳輸工作，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和工作人員的具體位置直接在上位機(jī)系統(tǒng)界面以數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)出來(lái)。因此，需要做好協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)工作，建立高頻ZigBee模塊負(fù)責(zé)信號(hào)定位，通過(guò)底板設(shè)計(jì)完成信號(hào)的傳輸工作，大多數(shù)硬件設(shè)施的電路焊接工作都是在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上完成的，保證無(wú)線通信工藝與協(xié)調(diào)器電源、無(wú)線收發(fā)之間的互通性，協(xié)調(diào)器的顯示模塊能夠精準(zhǔn)的傳達(dá)井下信息，為井下工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)提供先提條件，保證精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

煤礦井下作業(yè)需要安裝標(biāo)準(zhǔn)適量的路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)保證安裝范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的穩(wěn)定通信，為了保證施工過(guò)程的穩(wěn)定性，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)的進(jìn)行井下數(shù)據(jù)信息發(fā)送，信息內(nèi)容在路由節(jié)點(diǎn)匯總，控制中心的工作人員通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地面信息傳輸。在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要在保證ZigBee無(wú)線模塊的穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，開(kāi)展外在設(shè)計(jì)工作，通過(guò)電源、電路、無(wú)線器等工具的選擇，賦予系統(tǒng)無(wú)線收發(fā)功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要合理運(yùn)用CC2430芯片，接收井下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并通過(guò)上位機(jī)控制中心下達(dá)調(diào)節(jié)指令，分別傳輸?shù)骄孪锏赖亩鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)，在這一信息傳輸過(guò)程中，協(xié)調(diào)器主要承擔(dān)信息的接收和匯總?cè)蝿?wù)，并以中繼站的形式完成信息反饋工作[3]。

3.2.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程十分復(fù)雜，工作人員需要?jiǎng)?chuàng)分了解路由節(jié)點(diǎn)所具有的精準(zhǔn)定位功能，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中得到的井下坐標(biāo)位置（X，Y），要通過(guò)軟件技術(shù)進(jìn)行改變，定位系統(tǒng)獲取的井下定位區(qū)域是路由節(jié)點(diǎn)的安置位置，但會(huì)隨著工作情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。路由節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，表明了芯片選擇的具體范圍，路由節(jié)點(diǎn)在使用過(guò)程中，不具備移動(dòng)性，但路由節(jié)點(diǎn)的位置可以運(yùn)用定位引擎進(jìn)行確定，在固定區(qū)域內(nèi)發(fā)揮出軟件的傳輸功能。路由節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)將得到的RSSI值轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔?shù)據(jù)，連同自身所處的位置傳輸?shù)揭苿?dòng)節(jié)點(diǎn)，與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在上機(jī)位系統(tǒng)中顯示出來(lái)，精準(zhǔn)定位系統(tǒng)自帶的監(jiān)控軟件，會(huì)根據(jù)信息內(nèi)容的變化特點(diǎn)，對(duì)井下煤礦作業(yè)的情況進(jìn)行監(jiān)管，通過(guò)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，提高數(shù)據(jù)信息的傳送速度，保證位置信息的精確性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦井下作業(yè)本身就具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，很容易受到井下因素影響，若是各項(xiàng)數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)，會(huì)直接增加煤礦開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)，甚至于還可能造成較大的人員傷亡情況，無(wú)法為作業(yè)人員提供安全保障，增加企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)以及成本支出。精確定位技術(shù)是一種成本低、精準(zhǔn)度高的技術(shù)手段，其運(yùn)用將會(huì)極大程度提高井下作業(yè)安全性， 包括RFID定位技術(shù)、RSSI技術(shù)、超寬帶技術(shù)。為了將其更好的應(yīng)用于煤礦井下作業(yè)，就必須從定位系統(tǒng)功能需求、系統(tǒng)框架、定位算法幾個(gè)方面進(jìn)行分析闡述，確保應(yīng)用設(shè)計(jì)的合理性。