面向豎井掘進(jìn)機(jī)的超寬帶分層平面定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

齊保衛(wèi)， 孟帥堯， 李東利, *， 王付利， 劉 闖

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

豎井是礦藏開(kāi)采、水利水電、國(guó)防建設(shè)、交通隧道等地下工程的重要組成部分[1]，其常用的修建方法有普通鑿井法和鉆井法[2-3]。2021年，世界首臺(tái)全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)成功運(yùn)用于浙江寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井項(xiàng)目。豎井掘進(jìn)機(jī)是將全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)設(shè)計(jì)理論引入豎井施工，能夠一次完成豎井隧洞開(kāi)挖、支護(hù)、出渣等功能的大型豎井施工裝備。由于豎井掘進(jìn)機(jī)工序復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、安全管理難度大[4]，隨著行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，安全高效的建設(shè)豎井是目前重要的研究方向。

為保障工人施工安全，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警和人員管理，管理方需借助定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取作業(yè)人員的位置。目前，針對(duì)豎井施工定位的研究較少，且僅有針對(duì)井底平面的人員定位。劉志強(qiáng)[5]對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井技術(shù)及工藝進(jìn)行了介紹，并對(duì)掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行了論述；賈文浩等[6]提出一種利用iGPS技術(shù)，通過(guò)安裝在掘進(jìn)機(jī)上的激光接收器，實(shí)現(xiàn)煤巷中的掘進(jìn)機(jī)定位；彭學(xué)軍[7]通過(guò)對(duì)比幾種常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于UWB技術(shù)的隧道高精度定位系統(tǒng)；符世琛等[8]設(shè)計(jì)出一種基于UWB技術(shù)的懸臂掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)及其位姿精度分析方法；成龍等[9]通過(guò)Chan算法對(duì)超寬帶檢測(cè)基站布局方式及精度進(jìn)行仿真分析，研究不同布局方式對(duì)定位精度的影響。

然而，對(duì)于豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)備中的人員定位，至今尚未形成一套成熟的定位方法，其最大的難點(diǎn)就是設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)超寬帶信號(hào)的干擾問(wèn)題。本文結(jié)合自研定位方法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施案例，對(duì)上述定位技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種適用于豎井掘進(jìn)機(jī)的超寬帶分層平面定位系統(tǒng)，并對(duì)定位精度進(jìn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)應(yīng)用背景介紹

1.1 豎井掘進(jìn)機(jī)介紹

以傳統(tǒng)豎井施工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合隧道掘進(jìn)機(jī)、物料垂直提升等技術(shù)研發(fā)的深井掘進(jìn)設(shè)備——全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

豎井掘進(jìn)機(jī)采用刀盤(pán)破巖；穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定刀盤(pán)，降低刀盤(pán)震動(dòng)；推進(jìn)系統(tǒng)提供主機(jī)掘進(jìn)推力；撐靴通過(guò)撐緊井壁承受刀盤(pán)工作時(shí)的反向力；排渣系統(tǒng)將破碎巖土排出設(shè)備；設(shè)備平層放置液壓泵站、電氣柜等掘進(jìn)機(jī)后配套設(shè)備[10]。豎井掘進(jìn)機(jī)主要定位區(qū)域選擇作業(yè)人員活動(dòng)區(qū)域，主要集中在設(shè)備平層、穩(wěn)定器等平臺(tái)。

1—刀盤(pán)； 2—穩(wěn)定系統(tǒng)； 3—主驅(qū)動(dòng)； 4—撐靴； 5—推進(jìn)系統(tǒng)； 6—排渣系統(tǒng)； 7—設(shè)備平層； 8—井架。

1.2 UWB定位技術(shù)

UWB是一種非正弦無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，是一種相對(duì)帶寬必須大于0.2、絕對(duì)帶寬大于500 MHz的超寬帶定位技術(shù)[11]。它基于飛行時(shí)間精準(zhǔn)測(cè)距定位，采用TOA或TDOA等定位算法，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)級(jí)高精度定位領(lǐng)域。UWB系統(tǒng)定位技術(shù)分類(lèi)如圖2所示。

圖2 UWB系統(tǒng)定位技術(shù)分類(lèi)

本文所使用的UWB定位技術(shù)根據(jù)定位參量處理方式可分為幾何結(jié)構(gòu)位置線(xiàn)交叉定位和統(tǒng)計(jì)定位；根據(jù)定位場(chǎng)景可分為傳統(tǒng)定位方法和本文提出的層加式定位法；測(cè)距定位技術(shù)本質(zhì)是根據(jù)各基站與標(biāo)簽定位距離求解非線(xiàn)性方程組[12]，在實(shí)際應(yīng)用中比較常見(jiàn)的有TOA、TDOA、AOA技術(shù)。本文選用的TOA算法能確定出準(zhǔn)確、穩(wěn)定的目標(biāo)坐標(biāo)估值，具有良好的定位精度。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

定位系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。設(shè)備每層部署1個(gè)層判斷基站和2個(gè)層定位基站，利用這3個(gè)基站構(gòu)建所在平臺(tái)層的平面坐標(biāo)系，測(cè)量層內(nèi)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值。

圖3 定位系統(tǒng)構(gòu)成

所有基站通過(guò)底座固定于其所在平臺(tái)層頂部邊緣位置?；静贾脮r(shí)，首先將各層層判斷基站固定于所在平臺(tái)爬梯周?chē)冶ＷC各層層判斷基站在平臺(tái)平面的一條垂線(xiàn)上。

由于層內(nèi)附屬設(shè)備會(huì)對(duì)定位精度造成影響，部署2個(gè)層定位基站時(shí)，應(yīng)選擇較為空曠的位置。為提高定位精度，平臺(tái)內(nèi)2個(gè)層定位基站與層判斷基站的圓心夾角應(yīng)接近120°[13]。

2.2 定位方法

由于豎井掘進(jìn)機(jī)平臺(tái)隔板對(duì)定位信號(hào)的干擾，無(wú)法通過(guò)部署固定基站實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的定位。將豎井掘進(jìn)機(jī)人員活動(dòng)區(qū)域分為1層平臺(tái)、2層平臺(tái)、3層平臺(tái)、4層平臺(tái)、4層平臺(tái)下部、油箱平臺(tái)、穩(wěn)定器平臺(tái)、周邊油缸、刀盤(pán)梯口等9個(gè)平臺(tái)，借助UWB基站構(gòu)建出9個(gè)平臺(tái)的定位信息，通過(guò)層加法構(gòu)建出豎井掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的空間模型，將獲得的層級(jí)信息與定位坐標(biāo)相結(jié)合確定準(zhǔn)確的定位位置。UWB定位方法如圖4所示。

2.3 層級(jí)判斷

UWB定位技術(shù)和其他所有電磁波信號(hào)一樣，是無(wú)法穿透金屬的，其在其他介質(zhì)中的傳播速度會(huì)低于光速，導(dǎo)致所測(cè)得的距離與實(shí)際距離存在誤差[14]。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度或測(cè)距距離判斷目標(biāo)層級(jí)會(huì)與其他層基站測(cè)得結(jié)果有交集。層級(jí)與信號(hào)強(qiáng)度和測(cè)距距離的關(guān)系如圖5所示。

圖4 UWB定位方法

由于豎井掘進(jìn)機(jī)作業(yè)人員僅能通過(guò)人行爬梯改變所在層級(jí)，且爬梯附近設(shè)備較少，對(duì)信號(hào)干擾微弱，借助爬梯時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度變化可以準(zhǔn)確推斷層級(jí)位置。根據(jù)這一特性，設(shè)計(jì)出一種豎井掘進(jìn)機(jī)特有的層級(jí)標(biāo)定方法，如圖6所示。

系統(tǒng)將-80 dBm定義為層變換閾值，若層判斷基站檢測(cè)到標(biāo)簽當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度大于閾值時(shí)，則改變?cè)摌?biāo)簽所在層級(jí)；若信號(hào)強(qiáng)度小于閾值時(shí)，則維持當(dāng)前層級(jí)。采用這種方法確定的層級(jí)位置準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中判斷準(zhǔn)確率達(dá)100%。

(a) 信號(hào)強(qiáng)度

(b) 測(cè)距距離

3 系統(tǒng)原理與誤差分析

3.1 基站位置標(biāo)定

豎井掘進(jìn)機(jī)的層加法定位方式需要確定一套統(tǒng)一的坐標(biāo)體系，系統(tǒng)構(gòu)建首先要確定坐標(biāo)原點(diǎn)和X、Y、Z軸方向。需要借助標(biāo)定基站對(duì)基站位置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定基站需在平臺(tái)平面的一條垂線(xiàn)上，且需與本層判斷基站位于同一水平面，各層標(biāo)定基站所在垂直軸線(xiàn)為坐標(biāo)體系Z軸。

將1層平臺(tái)的層判斷基站坐標(biāo)值定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，層判斷基站所在軸線(xiàn)定義為三維坐標(biāo)系的Z軸，層判斷基站指向標(biāo)定基站方向定義為三維坐標(biāo)系的X軸，經(jīng)過(guò)層判斷基站的XOZ平面法線(xiàn)定義為三維坐標(biāo)系的Y軸。

平臺(tái)層內(nèi)基站均安裝在平臺(tái)頂部，平臺(tái)層其他基站與標(biāo)定基站的Z軸坐標(biāo)近似相等，為本層判斷基站與1層平臺(tái)層判斷基站間的高度差值z(mì)0。將層判斷基站的三維坐標(biāo)值定義為(0,0,z0)，層標(biāo)定基站的三維坐標(biāo)值定義為(x3,0,z0)，定位基站1的三維坐標(biāo)值定義為(x1,y1,z0),定位基站2的三維坐標(biāo)值定義為(x2,y2,z0)，其中x3,x1,y1,x2,y2為未知量。利用基站的TOF測(cè)距法，測(cè)得層判斷基站與其余基站的距離分別為d01、d02、d03，層標(biāo)定基站與定位基站1和定位基站2的距離分別為d13、d23，定位基站1和定位基站2之間的距離為d12。基站間坐標(biāo)關(guān)系如圖7所示。

圖7 基站間坐標(biāo)關(guān)系

其中，距離與坐標(biāo)值的關(guān)系為：

(1)

(2)

經(jīng)過(guò)u次迭代運(yùn)算后,

Xu+1=Xu+ΔXu。

(3)

(4)

ΔFu=A-Au。

(5)

A=[d03,d01,d02,d13,d23,d12]。

(6)

Au=[d03|Xu,d01|Xu,d02|Xu,d13|Xu,d23|Xu,d12|Xu]。

(7)

(8)

式(3)—(8)中：Xu+1表示經(jīng)過(guò)u次迭代運(yùn)算后X的值；Xu表示第u次迭代前X的值； ΔXu表示第u次迭代的迭代項(xiàng)；Hu表示第u次迭代時(shí)一階泰勒展開(kāi)式系列矩陣； ΔFu表示第u次迭代時(shí)測(cè)定距離與計(jì)算距離的差值；A表示基站實(shí)際測(cè)定距離；Au表示將Xu代入式(1)后基站距離的計(jì)算值。

當(dāng)ΔXu小于設(shè)定閾值時(shí)，迭代結(jié)束，將Xu+1的值作為X的終值，得出定位基站1和定位基站2的位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)基站的標(biāo)定。

3.2 定位計(jì)算

系統(tǒng)采用TOA定位法，定位示意圖如圖8所示。根據(jù)基站位置的標(biāo)定結(jié)果，得到3個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(0，0，z0),(x1，y1，z0),(x2，y2，z0),假設(shè)標(biāo)簽A點(diǎn)坐標(biāo)為(xA,yA,zA)，得出距離與坐標(biāo)值的關(guān)系為：

(9)

為方便運(yùn)算，將式(9)中各項(xiàng)相減，得到關(guān)于x、y、z的線(xiàn)性方程組為：

(10)

求解方程組，可得到對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值：

(11)

其中，

(12)

(13)

R0A、R1A、R2A分別為3個(gè)基站到標(biāo)簽A點(diǎn)的距離。

4 試驗(yàn)及工程實(shí)例

4.1 依托工程概述

本文依托世界首臺(tái)全斷面硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)施工項(xiàng)目——浙江寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井項(xiàng)目工程，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)井深198 m，井筒凈直徑7.83 m，井頸段深度10 m，如圖9所示。礦體為凝灰?guī)r類(lèi)沉積巖，采用錨網(wǎng)噴與錨噴支護(hù)。鑒于該工程具有埋深大、巖壓高、環(huán)境差等特點(diǎn)，為提升項(xiàng)目建設(shè)的安全性，部署了超寬帶人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人、自動(dòng)掘進(jìn)、地面遠(yuǎn)程操控。

圖9 寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井項(xiàng)目

4.2 定位試驗(yàn)

為驗(yàn)證真實(shí)環(huán)境中不確定因素對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生的影響，以便更真實(shí)地研究豎井掘進(jìn)機(jī)場(chǎng)景定位系統(tǒng)精度變化，需要對(duì)系統(tǒng)定位精度進(jìn)行測(cè)試。

本次試驗(yàn)在寧海排風(fēng)豎井項(xiàng)目設(shè)備2層平臺(tái)進(jìn)行，平面布置圖如圖10所示。其中，1、2、3是2層平臺(tái)中的3個(gè)定位基站，4為移動(dòng)定位標(biāo)簽，該標(biāo)簽固定在三角支架上，測(cè)試過(guò)程中保持標(biāo)簽垂直高度不變。

圖10 2層平臺(tái)平面布置圖(單位： m)

圖10中，3個(gè)定位基站的坐標(biāo)分別為1(0，0，0)，2(5.58，3.22，0),3(5.58，-3.22，0)，4為使用三角架架設(shè)的移動(dòng)測(cè)距點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)為(xn，ym，-1)。移動(dòng)測(cè)距點(diǎn)取值范圍為xn(0，1，2，3，4)，ym(-2，-1，0，1，2)。系統(tǒng)平面定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素和定位算法偏差，測(cè)試過(guò)程中均存在誤差距離，但整體誤差距離基本處于0.2 m以下，滿(mǎn)足設(shè)備施工作業(yè)的定位精度要求。

4.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面如圖11所示。界面采用Vue.js語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[15]，可顯示作業(yè)人員實(shí)時(shí)位置，警示進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域人員，同時(shí)，系統(tǒng)還具備歷史軌跡分析、電子圍欄、智能預(yù)警、視頻聯(lián)動(dòng)等功能，為現(xiàn)場(chǎng)人員提供安全保障。

表1 系統(tǒng)平面定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖11 人機(jī)交互界面

5 結(jié)論與建議

針對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)施工中面臨的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和復(fù)雜的人員安全管理現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種適用于豎井掘進(jìn)機(jī)的UWB分層平面定位系統(tǒng)，采用“層判斷基站+層定位基站”的層加法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了豎井作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員的實(shí)時(shí)位置定位；結(jié)合定位參數(shù)計(jì)算過(guò)程和可能引起誤差因素的分析，提高了定位的精準(zhǔn)度。工程試驗(yàn)表明，系統(tǒng)定位誤差小于0.2 m，層判斷精準(zhǔn)度達(dá)100%，能滿(mǎn)足豎井掘進(jìn)機(jī)施工作業(yè)的定位精度要求。

下一步將結(jié)合定位關(guān)鍵技術(shù)、基站部署方式優(yōu)化等進(jìn)一步提高定位精度，以實(shí)現(xiàn)人員的三維精準(zhǔn)定位。該技術(shù)未來(lái)可拓展應(yīng)用至隧道建設(shè)、城市管廊等領(lǐng)域的施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)人、機(jī)、料的實(shí)時(shí)位置定位，以推動(dòng)地下工程施工向無(wú)人化、智能化方向發(fā)展。