煤礦井下無線定位技術(shù)及系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向

常 琳

（安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京 100013）

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，再加上工作環(huán)境惡劣，有些礦井巷道甚至長(zhǎng)達(dá)幾十千米，且工作地點(diǎn)較為分散，這些限制條件加大了對(duì)于井下人員定位的難度。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，RFID、ZigBee、WiFi、UWB等技術(shù)在礦井環(huán)境中廣泛使用，為煤礦人員定位技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。與此同時(shí)，研究礦用人員定位系統(tǒng)的安全性，也推動(dòng)了精確定位技術(shù)在井下的應(yīng)用進(jìn)程，保證礦工和礦井的人身財(cái)產(chǎn)安全。為此，分析總結(jié)了各種目標(biāo)定位算法和定位精度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)、煤礦井下無線定位技術(shù)的現(xiàn)狀、以及井下定位系統(tǒng)的應(yīng)用情況，以期對(duì)礦用無線定位系統(tǒng)及產(chǎn)品在礦井下安全使用提供參考幫助。

1 無線定位技術(shù)的發(fā)展

無線定位技術(shù)的研究起源于二次世界大戰(zhàn)中的軍事應(yīng)用。1948年，Stansfield首先提出基于角度測(cè)量（AOA）的無源目標(biāo)追蹤技術(shù)[1]。民用無線定位技術(shù)的研究開始于1969年[2]，W Figel提出了基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量（RSS）的運(yùn)動(dòng)車輛定位系統(tǒng)。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(tǒng)性能之間的關(guān)系。1996年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）公布了E-911法規(guī)，要求自2001年10月1日起，對(duì)于提出緊急呼叫的移動(dòng)終端，蜂窩網(wǎng)必須提供精度125 m以內(nèi)、準(zhǔn)確率達(dá)67%以上的定位服務(wù)。1998年，又將定位要求修改為精度為400 m、準(zhǔn)確率90%以上。1999年，F(xiàn)CC再次將定位要求修改為：網(wǎng)絡(luò)定位精度100 m以內(nèi)、準(zhǔn)確率67%以上，精度300 m以內(nèi)，準(zhǔn)確率95%以上；移動(dòng)終端定位精度50 m、準(zhǔn)確率67%以上，精度150 m、準(zhǔn)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(jìn)了無線定位技術(shù)的發(fā)展。第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)也將移動(dòng)終端定位技術(shù)納入了重要內(nèi)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(nèi)的無線終端和網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)。近年來，世界范圍內(nèi)各大通信公司均展開了移動(dòng)定位業(yè)務(wù)，世界各大研究機(jī)構(gòu)以及很多大學(xué)可開展了關(guān)于無線定位技術(shù)的研究[4]。隨著研究工作的不斷開展，無線定位技術(shù)出現(xiàn)了很多分類[5]。

無線定位技術(shù)可按照應(yīng)用環(huán)境、解決方案、定位物理層技術(shù)、定位模式、定位參數(shù)、估算技術(shù)以及定位安全性的不同進(jìn)行多種分類。當(dāng)然這些分類方案之間也具有一定的從屬性，比如根據(jù)定位物理層技術(shù)的不同將無線定位技術(shù)分為：射頻/超聲波/UWB/紅外/RFID、藍(lán)牙、WLAN、Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)GPS、GPS/DGPS/GLONASS/Galileo/北斗、GSM/UTMS。針對(duì)射頻技術(shù)的無線定位系統(tǒng)，可以用于解決室內(nèi)（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(shù)

目前比較常用的礦井定位方法有：

1）藍(lán)牙定位技術(shù)。藍(lán)牙是一種適合短距離傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，比較適用于在狹小空間中進(jìn)行定位[6]。但使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行定位，必須帶有藍(lán)牙收發(fā)裝置的移動(dòng)設(shè)備，成本比較高，且藍(lán)牙傳輸距離短，功耗較大，不適合井下環(huán)境中的定位。

2）射頻識(shí)別（RFID）定位技術(shù)。是利用雙向傳輸特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)信息的交互，價(jià)格低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但定位精度不高。常用于作業(yè)人員的打卡識(shí)別，如在高速公路的收費(fèi)站或公司門禁系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)精確的位置計(jì)算和跟蹤[7]。因此射頻識(shí)別技術(shù)用在定位中不太理想。

3）ZigBee定位技術(shù)。ZigBee定位技術(shù)具有藍(lán)牙的所有優(yōu)點(diǎn)[8]，且功耗很低，傳輸距離比較長(zhǎng)，能夠自組網(wǎng)，適合于井下環(huán)境中的定位。但傳輸數(shù)據(jù)量較小。文獻(xiàn)［9］利用ZigBee的權(quán)值算法，通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示值（RSSI）與定位節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS），利用RSS實(shí)現(xiàn)人員的定位。文獻(xiàn)［10］則在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上將定位區(qū)域劃分為近基站區(qū)域和遠(yuǎn)基站區(qū)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(jìn)行定位?；赯igBee技術(shù)的井下人員定位技術(shù)，雖然能夠一定程度上提升定位的精度，但由于Zig－Bee技術(shù)的先天劣勢(shì)，無法在井下定位中取得進(jìn)一步的發(fā)展。

4）Wi-Fi定位技術(shù)。Wi-Fi定位技術(shù)相較于藍(lán)牙與射頻識(shí)別技術(shù)，Wi-Fi技術(shù)在傳輸距離以及價(jià)格都比較適中，但在井下環(huán)境中，其使用成本比較高且功耗大，且不易組網(wǎng)，故Wi-Fi定位技術(shù)在礦井中的應(yīng)用阻礙較大。文獻(xiàn)［11］利用WiFi指紋技術(shù)進(jìn)行井下定位。文獻(xiàn)［12］為提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，采用ZigBee和WiFi結(jié)合的方式進(jìn)行井下定位。雖然技術(shù)融合的方式能夠在一定程度上增加傳輸?shù)木嚯x，但還是無法解決定位系統(tǒng)復(fù)雜和建設(shè)成本的問題。

5）紅外線定位技術(shù)。紅外線定位技術(shù)是利用光學(xué)傳感器接收經(jīng)過紅外線位置處的目標(biāo)信息，計(jì)算目標(biāo)的位置坐標(biāo)，但紅外線的穿透能力差[13]，適用于空曠的環(huán)境，在礦井密閉的環(huán)境中應(yīng)用效果較差。

6）超聲波定位技術(shù)。是利用TDOA的測(cè)距方式實(shí)現(xiàn)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(fù)雜環(huán)境[14]。

7）超寬帶（UWB）定位技術(shù)。作為一種新型的無線定位技術(shù)，它常利用信號(hào)傳輸時(shí)間進(jìn)行目標(biāo)位置計(jì)算與跟蹤。這種技術(shù)具有定位精度高，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高，應(yīng)用于礦井定位系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)成本[15]。

3 井下無線定位系統(tǒng)

針對(duì)煤礦井下人員的定位技術(shù)，國(guó)外學(xué)者研究的較少。我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究開發(fā)工作開始較晚，在1980年左右，我國(guó)開始在煤礦引進(jìn)人員安檢系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，我國(guó)的第1個(gè)礦井作業(yè)人員監(jiān)控系統(tǒng)在山西安裝啟用。我國(guó)煤礦井下定位系統(tǒng)的發(fā)展很快，目前處于第3個(gè)發(fā)展階段，即發(fā)展開發(fā)新型的有源井下人員定位系統(tǒng)。目前我國(guó)煤礦使用最廣泛，技術(shù)最可靠的定位系統(tǒng)，是KJ系列礦井人員定位系統(tǒng)[16]。國(guó)內(nèi)各科研單位和廠家相繼研發(fā)了KT18、KT30、KJ88、KJ90、KJ95、KJ101、KT105、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)、WEBGIS、MSNM等煤礦安全綜合數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)多數(shù)利用射頻識(shí)別RFID或“小靈通”無線市話PHS技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測(cè)、有線傳輸，形成一種2級(jí)集散式的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)井下人員實(shí)施監(jiān)控和跟蹤定位。這些系統(tǒng)大多采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)獲取目標(biāo)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)井下作業(yè)人員的位置監(jiān)測(cè)，有效地保證礦井作業(yè)人員的安全。但這些系統(tǒng)大多實(shí)現(xiàn)門禁式定位，未能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的實(shí)時(shí)計(jì)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(tǒng)利用主動(dòng)視頻識(shí)別技術(shù)，解決多個(gè)監(jiān)控個(gè)體造成的基站堵塞和信息傳輸出錯(cuò)等問題，有效地改善了系統(tǒng)的可用性[17]。此外，也有一些定位系統(tǒng)采用ZigBee，WiFi等無線通信技術(shù)，但在礦井特殊環(huán)境中定位誤差很大。隨著低能耗的無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，煤礦人員定位系統(tǒng)也在不斷升級(jí)改造。以超寬帶技術(shù)為代表的新興無線定位技術(shù)，因其抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高、能耗低等優(yōu)勢(shì)，在礦井無線定位系統(tǒng)中得到越來越多的重視。

4 超寬帶井下定位技術(shù)

復(fù)雜多變的礦井環(huán)境使得現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用受到了很大的制約，且礦井巷道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工作地點(diǎn)較為分散，加大了對(duì)于井下人員、設(shè)備等目標(biāo)定位的難度?，F(xiàn)有的井下目標(biāo)定位系統(tǒng)在一定程度上能夠滿足井下目標(biāo)定位的需求，但這些定位系統(tǒng)最高的定位精度只能達(dá)到2～10 m，且為非連續(xù)定位，定位精度受無線發(fā)射基站數(shù)量與分布密度制約，這無疑給有限的礦井巷道環(huán)境帶來很大的壓力，且普遍存在定位誤差大、易受周圍環(huán)境影響、適應(yīng)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(shù)，不需要產(chǎn)生正弦載波，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低。不僅如此，超寬帶信號(hào)有很強(qiáng)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(shù)在定位方面的應(yīng)用有“天然”的優(yōu)勢(shì)。此外，超寬帶系統(tǒng)的載體—窄脈沖，其持續(xù)時(shí)間一般在0.20～2 ns，且占空比極低，抗干擾能力強(qiáng)，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百μW至幾十mW，功耗低；且在井下這一特殊的封閉環(huán)境中，頻率的使用不受限制。因此，超寬帶技術(shù)非常適合在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)定位。

超寬帶相對(duì)于其他無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)具有很強(qiáng)的產(chǎn)投性，且能夠發(fā)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(jìn)行定位，一方面面對(duì)井下復(fù)雜的工作環(huán)境需要增加發(fā)射功率，造成能源消耗增加[15]；另一方面無法發(fā)揮出超寬帶大帶寬的優(yōu)勢(shì)。而且，井下具有很強(qiáng)的多徑效應(yīng)和非視距傳播，為保證定位精度需要建立額外的信號(hào)補(bǔ)償模型[18]。

基于AOA定位方法的超寬帶定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，在室內(nèi)定位中具有很好的定位精度。但單獨(dú)的AOA定位方式無法解決礦井內(nèi)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，可以使用與其它定位方法結(jié)合的方式，利用AOA定位數(shù)據(jù)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(shù)目，縮小建設(shè)成本[19]。

文獻(xiàn)［20］利用基于超寬帶和TOA定位方法相結(jié)合的方式進(jìn)行人員定位。但由于TOA定位方法需要實(shí)現(xiàn)定位目標(biāo)和參考站之間的時(shí)鐘同步，這對(duì)井下工作復(fù)雜的工作條件來說，井下定位設(shè)備極易受到干擾，從而使得定位不準(zhǔn)。嚴(yán)格要求各點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步會(huì)顯著增加建設(shè)和維護(hù)成本。

TDOA定位方法相對(duì)于TOA定位方法在保證定位精度的同時(shí)，對(duì)于設(shè)備間的時(shí)鐘同步要求降低。文獻(xiàn)［21］利用TODA方法對(duì)礦井巷道進(jìn)行三維定位，在目標(biāo)位置計(jì)算時(shí)融合Chan算法對(duì)井下目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。在對(duì)定位信息處理時(shí)，為解決非視距傳播的問題，有研究將卡爾曼濾波[22]應(yīng)用到定位領(lǐng)域，提升定位技術(shù)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。

雙向測(cè)距（two-way ranging,TWR）定位方法是在TOA定位方法上的進(jìn)一步發(fā)展，是為解決TOA定位中設(shè)備間需要時(shí)鐘同步而提出，TWR定位方法是利用參考站之間發(fā)射雙向信號(hào)傳輸測(cè)距從而進(jìn)行定位。文獻(xiàn)［23］利用組合濾波和改進(jìn)TWR算法進(jìn)行定位。文獻(xiàn)［24］提出了一種基于ToF的由偏斜TWR測(cè)距的N元測(cè)距協(xié)議，它可到達(dá)與SDS-TWR達(dá)到相同的精確度，但是需要發(fā)送的消息卻少了4倍。文獻(xiàn)［25］利用非對(duì)稱雙邊雙程測(cè)距（ADS-TWR）技術(shù)，同時(shí)結(jié)合粒子群算法和Taylor迭代算法解析目標(biāo)位置，能夠有效提高定位精度。

受井下現(xiàn)實(shí)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(shù)相較于其它無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有極好的穿透性和巨大的帶寬，系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，功耗低，特別適合煤礦井下這一特殊復(fù)雜的環(huán)境，在未來是井下無線定位的發(fā)展方向。

5 結(jié)語

煤礦井下定位系統(tǒng)是煤礦企業(yè)高效安全運(yùn)行地重要保障。分析了無線定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，介紹了煤礦井下無線定位技術(shù)的現(xiàn)狀，以及井下定位系統(tǒng)的應(yīng)用情況，并著重分析了超寬帶定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為超寬帶技術(shù)將是未來礦井精確定位系統(tǒng)的可靠保障。