顧成進 單麒源 顧劉強 徐海瑩

摘要：針對目前國內(nèi)煤炭行業(yè)發(fā)展，現(xiàn)代化進程不斷加快，國家對煤礦安全日益重視及煤礦人員定位領域的需求，提出了基于UWB技術的煤礦人員定位機理研究，分析了地面定位技術在煤礦井下特殊環(huán)境應用的制約因素，介紹了煤礦井下人員定位技術與系統(tǒng)現(xiàn)狀，闡述了煤礦UWB人員定位系統(tǒng)設計方案，為煤礦井下人員精確定位技術發(fā)展提供了參考。

關鍵詞：煤礦人員定位;UWB;特殊環(huán)境;系統(tǒng)設計

隨著我國經(jīng)濟體制改革不斷深入，現(xiàn)代化進程不斷加快，國家對煤礦安全日益重視，監(jiān)管力度不斷加強。煤炭行業(yè)不斷向安全、綠色、高效、智能方向轉(zhuǎn)型升級，提高煤礦的機械化、自動化、信息化和智能化程度，加強煤礦安全生產(chǎn)管理，全面提高安全、質(zhì)量、環(huán)保、能耗、技術水平等，是煤礦未來發(fā)展的必由之路。

1?研究目的及意義

2地面定位技術在煤礦井下特殊環(huán)境應用的制約因素分析

煤礦井下有瓦斯等可燃性氣體，礦井無線傳輸衰減嚴重等，制約著定位技術和定位設備直接在煤礦井下應用。

1）衛(wèi)星定位技術：我國煤礦以井工開采為主，巷道深度一般在地表以下幾百米乃至上千米，因此GPS信號是無法穿透煤巖層應用于煤礦井下定位。

2）慣性導航技術：慣性導航系統(tǒng)隨著時間和距離的推移，定位精度不斷下降，需要定期校準;同時，高精度陀螺尋北儀價格較高，煤礦井下人員定位系統(tǒng)需要對每個礦工進行定位。

3）超聲波定位技術：超聲波在傳輸過程中衰減很大、且在多徑效應和非視距傳播環(huán)境中測距定位誤差非常大。而巷道分支、彎曲、傾斜現(xiàn)象普遍，且巷道空間狹小，因此超聲波定位技術不適用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)。

4）紅外線定位技術：紅外線不僅穿透性差、不能穿過障礙物，而且易被礦燈等光源干擾，因此紅外線定位技術不適用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)。

5）激光定位技術：激光無法彎曲，只能實現(xiàn)視距范圍內(nèi)定位;同時，礦井巷道環(huán)境惡劣，粉塵大，激光束易受煤塵影響造成測距誤差。

6）雷達定位技術：因雷達定位要求被測目標必須為金屬，才能夠進行回波反射，因此不適用于煤礦井下人員定位。

3煤礦井下人員定位技術與系統(tǒng)現(xiàn)狀

為滿足煤礦安全生產(chǎn)、應急救援和事故調(diào)查對煤礦井下人員定位的需求，人們針對煤礦井下環(huán)境特點，研究出煤礦井下人員及動目標定位方法和系統(tǒng)。

1）射頻識別技術

RFID射頻識別技術是目前井下應用最廣泛的人員定位技術。在入井口或重要區(qū)域安裝射頻卡讀卡設備，當攜帶射頻卡的作業(yè)人員到達讀卡設備讀卡范圍內(nèi)時，讀卡設備與射頻卡進行通信，獲得射頻卡信息，從而確定攜卡人員已到達該區(qū)域，從而實現(xiàn)定位[4] 。

2）基于蜂窩小區(qū)標識的定位技術

采用基于移動網(wǎng)絡的定位技術，通過蜂窩移動通信系統(tǒng)的基站設備對接入基站的移動設備進行定位，系統(tǒng)首先根據(jù)基站的覆蓋范圍實現(xiàn)移動設備的區(qū)域定位，再利用RSSI基于無線信號強度的測距方法進一步定位。

3）WiFi定位技術

WiFi定位技術是基于固定位置的無線接入點AP實現(xiàn)定位的技術，通過全球唯一MAC地址對AP進行識別。WiFi定位技術的基本原理也是基于RSSI測距，由于測距技術的限制，難以實現(xiàn)井下精確定位。

4）ZigBee技術

ZigBee定位技術采用IEEE802.15.4標準，屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術，具有自組網(wǎng)功能，而且功耗小、設備成本低、易實施。目前已有基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)取得了礦用產(chǎn)品安全標志證，定位誤差可達數(shù)十米。

5）UWB超寬帶技術

基于超寬帶的定位技術，定位精度高可達厘米級，是目前精確定位技術的主要發(fā)展方向。目前主要應用于地面室內(nèi)定位，現(xiàn)有包括美國Aether公司的LocahzerS室內(nèi)精確定位系統(tǒng)、Multispectral公司的Sapphire定位系統(tǒng)、我國唐恩科技的iLocateTM系統(tǒng)。但由于井下環(huán)境特殊，這些系統(tǒng)無法直接應用于井下。而且現(xiàn)有UWB設備特別是定位卡設備的成本較高，進一步限制了UWB系統(tǒng)在煤礦井下應用。

6）煤礦井下人員定位系統(tǒng)

我國煤礦井下人員定位系統(tǒng)起步較晚，但隨著技術的不斷進步，后期發(fā)展較快，如中國煤炭科工集團常州自動化研究院的KJ69J系統(tǒng)、江蘇三恒科技集團有限公司的KJ128A系統(tǒng)、中煤科工集團重慶研究院的KJ251A系統(tǒng)、武漢七環(huán)電氣公司的KJ150A系統(tǒng)、北京天一眾合科技公司的KJ133C系統(tǒng)等。

4???煤礦UWB人員定位系統(tǒng)設計方案

通過對無線室內(nèi)定位基礎理論研究，分析信道模型及參數(shù)、定位接收原理結構、測距算法性能，并建立DWM1000與上位機串口通信物理模型，然后通過室內(nèi)實測和matlab仿真方法，分析多徑誤差、環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的關系，提出測距誤差修正方法，以減小UWB測距誤差。

5.結語

基于UWB技術在井下煤礦人員定位機理研究發(fā)揮了UWB技術系統(tǒng)容量大、傳輸速度快、發(fā)射功率低、多徑分辨率高、系統(tǒng)保密性好、穿透能力強、定位精度高等諸多優(yōu)點，能夠適應煤礦井下復雜環(huán)境。以滿足煤礦井下特殊環(huán)境和煤礦安全生產(chǎn)需求，并對促進煤礦安全生產(chǎn)和礦井定位技術發(fā)展具有重要的理論意義和實用價值。

參考文獻：

[1] 佚名.2017年中國煤炭行業(yè)產(chǎn)量及發(fā)展趨勢分析[N/OL].中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，2017-3-3.

[2] 孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)與信息化[M].煤炭工業(yè)出版社，2011：1-32.

[3] 孫繼平.互聯(lián)網(wǎng)+煤礦監(jiān)控與通信.煤炭工業(yè)出版社[M]，2016：1-13，191-206.

[4] 李靖，樊曉明.基于RFID技術的井下人員定位管理系統(tǒng)的應用[J].工礦自動化，2011（5）：85-87.

（作者單位：1.黑龍江科技大學?礦業(yè)工程學院;2.佳木斯大學??信息電子技術學院;3.黑龍江科技大學?機械工程學院）