謝春華

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室 遼寧省撫順市 113122 2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司 遼寧省撫順市 113122）

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，對人員實施精確定位，有助于煤礦生產(chǎn)進(jìn)行整體性調(diào)度，也方便發(fā)生礦難事故時進(jìn)行高效救援。一個典型的井下人員定位系統(tǒng)包含井上和井下兩個部分，其中井下的系統(tǒng)組成主要涵蓋電源、數(shù)據(jù)傳輸線路、接口、讀卡器、識別卡等等。人員定位的核心技術(shù)并不在于設(shè)備，設(shè)備只是技術(shù)的外在表現(xiàn)。目前井下人員定位系統(tǒng)的常用定位技術(shù)，有很多種，TOA 技術(shù)是其中一種，定位精度較高，成本較低，比較適合井下精確人員定位。但是因為TOA 技術(shù)要求時間同步，對時間的控制要求較高，如何在保證時間同步基礎(chǔ)上降低測距誤差，以確保人員定位的精度，是非常值得思考的一個課題，當(dāng)然如何將TOA 技術(shù)用來支撐人員定位系統(tǒng)設(shè)計，也非常值得研究。

1 人員定位系統(tǒng)常用定位技術(shù)

要實現(xiàn)對人員或物體的準(zhǔn)確定位，必然需要用到精確的定位技術(shù)，常用的定位技術(shù)包含TOA、DOA、TDOA、AOA、RSS 等等。在煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)中，分別對其中部分定位技術(shù)進(jìn)行討論，以明確井下人員定位的優(yōu)勢定位技術(shù)。

（1）傳統(tǒng)的RFID，即射頻識別，該技術(shù)手段，主要是將讀卡器安裝在監(jiān)控范圍內(nèi)，將標(biāo)識卡安裝在礦工或者井下礦車上。當(dāng)?shù)V工或礦車經(jīng)過讀卡器識別區(qū)域，標(biāo)識卡上的信息經(jīng)過讀卡器上傳到上位機(jī)。這種定位技術(shù)不需要測距，不需要多高的時間精度，系統(tǒng)組成簡單，定位的精度不高，從井下人員定位的角度講，該技術(shù)手段只能大致推算礦車或職工的大致位置，精度要求達(dá)不到，相對不是很適合用來設(shè)計井下人員定位系統(tǒng)。

（2）RSS 定位，有兩種，一種是基于路徑損耗的，另一種則是基于RSS 作為指紋的，因為信息傳播具有多路徑的特點，基于路徑損耗的方法精度不高，第二種則容易出現(xiàn)不同點為有相同的RSS 情況，而且做指紋時分割區(qū)域較大，精度也不高。也不適合用來做井下精確人員定位。

（3）DOA 定位，這種定位技術(shù)是按照信號功率強(qiáng)弱來判斷信號方向，讀卡器接收信號最強(qiáng)的方向或最弱的反方向機(jī)為信號傳輸方向，在確定兩條信號傳輸方向的前提下，確定礦工位置。不過信號方向檢測難度大，精確度不高，若要保證精確度，則需要大量方向性天線或天線陣列，從經(jīng)濟(jì)性上看，成本過高，也不是很適合井下精確人員定位。

（4）TOA，主要測到達(dá)時間，即射頻信號從標(biāo)識卡到讀卡器的時間，然后乘以信號傳輸速度一般取光速，計算得到標(biāo)識卡到讀卡器的距離，在信號接收和發(fā)送兩端，要求時間精確同步，精確度相對較高。TDOA 則是TOA 和DOA 優(yōu)勢融合的一種定位技術(shù)，其基本原理與TOA 相當(dāng)，但不需要時間同步。一般來說TOA 在井下精確人員定位中具有較高的可行性，TOA 對天線依賴性比較低，成本也不高，周邊環(huán)境不管多復(fù)雜對TOA 的影響都比較小，不過如何保證時間同步是一個比較難的點，當(dāng)然相比較于其他定位技術(shù)而言，這個困難實際上也算不上困難，難得的是TOA 所具備的高精度定位優(yōu)勢。

2 TOA定位技術(shù)分析

從煤礦井下人員精確定位的需求來說，TOA 是比較適合的一個定位技術(shù)，TOA 的本質(zhì)是根據(jù)測量接收信號在基站和移動臺之間的到達(dá)實際位置，然后通過計算得到精確定位，在該技術(shù)中至少需要三個基站才能計算目標(biāo)位置。如圖1所示。

圖1：TOA 定位示意

圖示當(dāng)中MS 代表待測目標(biāo)，BS 則代表基站，r1、r2、r3 分別表示三個基站到目標(biāo)的距離，也代表基站信號覆蓋半徑，三個基站的信號覆蓋面的交點即MS 即為待測目標(biāo)。假設(shè)三個基站都是LOS基站，則可以按照最小二乘算法（LS 算法）來計算MS 的具體位置。進(jìn)一步假設(shè)MS 在二維平面上的坐標(biāo)為(x,y)，N 個基站的位置坐標(biāo)為（xi,yi），則可以根據(jù)幾何意義來定義它們之間的關(guān)系，如下。

對上述公式進(jìn)行展開得到如下公式

帶入一個Ki，則有帶入一個R，則有R=x2+y2，對該公式進(jìn)一步展開得到如下矩陣。

由此則可得到Y(jié)=AX，

若需要對坐標(biāo)(x,y)進(jìn)行求解，只需要求X，利用最小二乘法，得到如下公式。

上述分析揭示了TOA 的基本原理。在煤礦井下精確人員定位中，由于主要定位是在煤礦井下巷道內(nèi)，一般只考慮二維平面的定位，按照上述算法進(jìn)行定位即可。按照上述方法，假設(shè)MS 和BS均處在可視范圍內(nèi)，且MS 到三個基站的信號傳播時延已知，信號傳播速度取光速即108m/s，此時即可計算MS 到基站的位置。這是理想狀態(tài)下的情況。因為礦井下環(huán)境較為復(fù)雜，會存在一些典型的干擾問題，在非視距內(nèi)，當(dāng)MS 和基站不在可視范圍內(nèi)，或者是電磁波遭遇了巷道內(nèi)障礙物的阻擋，則可能會MS 的位置確定產(chǎn)生一定的誤差，簡而言之就是原有三個基站可以全面覆蓋MS 并且確定準(zhǔn)確的交點，但是因為產(chǎn)生誤差，基站覆蓋范圍縮小，交點位置會變成一個區(qū)域而不是一個點，這個區(qū)域越大，精確度越低。

3 基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于TOA的定位系統(tǒng)實現(xiàn)方案

基于上述分析，對煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，選用nanoLOC 射頻收發(fā)器芯片，功率2.4GHz，該芯片具有較高傳輸速率、高精度以及低功耗特點，在工業(yè)檢測和控制等方面有著較為廣泛的應(yīng)用。nanoLOC 是比較典型的TOA 定位技術(shù)的產(chǎn)物?；谠撔酒?，根據(jù)井下的實際情況在交叉路口、主巷道、人員必經(jīng)之路等重點位置，放置基于該芯片的信號接收基站，然后在定位區(qū)域內(nèi)部署無線路由，該路由要求與定位服務(wù)器進(jìn)行光纖連接，基站與路由之間的連接采取無線方式，或者CAN。合理梳理巷道情況，確定基站之間的間距，確保整個巷道都處在信號覆蓋范圍內(nèi)。配置相應(yīng)的識別卡作為移動發(fā)送點，由礦工佩戴，或者是改造礦燈，在礦燈內(nèi)內(nèi)置識別卡。識別卡實際還可以集成一些傳感器、通信模塊等，在識別卡上錄入礦工的信息，并賦予一個唯一的數(shù)字編碼，體溫、心跳等體征數(shù)據(jù)都可以納入到識別卡中，當(dāng)發(fā)生異常則直接利用通信模塊向地面調(diào)度人員發(fā)送信息，這實際就是一個物聯(lián)網(wǎng)體系。

對于識別卡要求賦予其一個精確定位標(biāo)簽，該標(biāo)簽由如下幾個模塊組成，分別是嵌入式CPU 小系統(tǒng)、精確定位模塊、外接LED或LCD 顯示屏、電源模塊。精確定位標(biāo)簽以精確定位模塊為核心與讀卡基站進(jìn)行通信，CPU 對信號進(jìn)行處理并上傳到基站，各基站主要是覆蓋MS 的三個基站對標(biāo)簽進(jìn)行測距。基站部分也由CPU小系統(tǒng)組成，外接精確定位模塊、集成存儲器、外接顯示器，以CAN 或無線路由進(jìn)行通信，加上合適的電源模塊。基站精確定位模塊對MS 進(jìn)行定位測距，中控對基站接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得出所有MS 的精確定位。

該系統(tǒng)下，當(dāng)攜帶識別卡的礦工進(jìn)入讀卡基站范圍，基站啟動并接收識別卡信號，按照相應(yīng)的算法，如上文的最小二乘法、泰勒算法等，對基站和MS 的距離進(jìn)行測定計算，然后由傳輸接口將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至地面調(diào)度中心的服務(wù)器，服務(wù)器提供對外顯示接口，實現(xiàn)地面對井下作業(yè)人員的實時位置監(jiān)控，一旦出現(xiàn)險情或事故，系統(tǒng)自動報警，并顯示事故或險情位置，調(diào)度人員可立即采取措施進(jìn)行營救。該系統(tǒng)信號覆蓋全面，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，定位精度理想。為了保證效率以及經(jīng)濟(jì)性，可以加入觸發(fā)式定位終端，在識別卡未進(jìn)入終端覆蓋范圍時，采取休眠措施，進(jìn)入覆蓋范圍后觸發(fā)啟動，以此降低功耗。

3.2 仿真分析

采取仿真方法對上述基于TOA 的人員定位系統(tǒng)進(jìn)行分析，仿真環(huán)境如下，在一個50×50 的二維平面上定義10 個隨機(jī)分布點，在點中選擇四個點作為仿真對象，其中一個為目的節(jié)點，三個為參考節(jié)點，由此驗證參考節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的測距精度。定義了誤差量，該值為零均是噪聲中提取的值。

仿真過程為，先假定無誤差，即誤差值為零，仿真結(jié)果顯示定位位置與估計位置相一致。然后假定存在誤差影響，假設(shè)誤差為5，結(jié)果顯示實際定位與估計位置不一致，繼續(xù)選定誤差值反復(fù)進(jìn)行仿真，確定測距誤差和定位誤差的方差關(guān)系，對每一個誤差值進(jìn)行100000 次仿真試驗，確定平均定位誤差，由此當(dāng)測距誤差增大，定位誤差增大。對于這種情況，可以考慮在距離估計的數(shù)量中加入冗余，可以通過增加參考節(jié)點數(shù)量來實現(xiàn)冗余，假設(shè)在測距誤差為5 的情況下，分別引入3 個、4 個、乃至9 個節(jié)點，并分別進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示隨著節(jié)點數(shù)量增加，定位誤差減少，節(jié)點數(shù)量為9，此時的平均定位誤差僅2.5m 左右。當(dāng)節(jié)點數(shù)量為3，誤差達(dá)到11m 左右。

在TOA 中主要是利用了底層硬件發(fā)射的射頻信號和超聲波，當(dāng)信號達(dá)到接收點，其時間差就可以用來分析發(fā)送點到接收點的距離，從礦井巷道內(nèi)的實際環(huán)境情況看，由于巷道相對狹窄，基站到MS 之間的距離實際上都比較短，以光速來說，這個距離，信號傳輸?shù)乃俣葞缀跏菍崟r的，因此關(guān)鍵問題是時間同步，設(shè)備定時精度要求非常高。在實際應(yīng)用TOA 時就會發(fā)現(xiàn)根本無法通過時間差來測定距離，為此MS 向基站發(fā)送信息，當(dāng)基站收到信息后，立即啟動計時器計時，并同時啟動一個計數(shù)器，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位發(fā)送，基站每接收一個來自MS 的字節(jié)，計時器計時，計數(shù)器加一操作，當(dāng)MS 發(fā)送一定量字節(jié)（事先約定），計時器結(jié)束計時，計數(shù)器停止計數(shù)，此時字節(jié)量就是事先約定好的值，假定計時為T，其中包含消耗的時間以及傳輸延時，由此對這些參數(shù)進(jìn)行建模，可以得到基站與MS 之間的距離。當(dāng)MS 與基站的距離比較近時，可能因為延時測量誤差導(dǎo)致距離結(jié)果誤差較大，就需要進(jìn)行修正。當(dāng)然實際上隨著MS 與基站之間的距離越遠(yuǎn)（未出信號覆蓋范圍），實際誤差越小，在延時誤差仿真當(dāng)中得到的結(jié)論是隨著定位距離增加，誤差越小，在實際距離5m 左右，得到系統(tǒng)測距誤差在10ppm 左右，實際距離越小，誤差越大，3m 左右誤差可達(dá)到25ppm 以上。當(dāng)MS 與基站之間的距離在60m 左右則可使誤差無限趨近于零。

3.3 算法分析

礦井下人員定位場景相對較為復(fù)雜，按上文所述可能存在視距場景（LOS），也可能存在非視距場景（NLOS）。不同場景在TOA 相關(guān)算法上有不同的要求，本文所列的最小二乘法比較適合LOS 場景，還有一個比較適合的是泰勒算法，不過泰勒算法需要給標(biāo)簽一個初始定位坐標(biāo)，該算法的定位精度要更高一些。以泰勒算法來論，此處提供2 維定位接口函數(shù)。

接口說明：X0——標(biāo)簽定位初始坐標(biāo)，（2，1）；Location——基站坐標(biāo)，（N，2）；data——觀測值，（N，1）；Tag_location——定位結(jié)果保存，（2，1）。

如此，設(shè)定程序如下（下為程序選段）:

注意上述程序選段中的UWB，UWB 是超寬帶技術(shù)，該技術(shù)是通過發(fā)送以及接收具有納秒或納秒以下的極窄脈沖來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而具有GHz 量級的帶寬。這種技術(shù)結(jié)合TOA 算法所形成的寬帶系統(tǒng)當(dāng)中表現(xiàn)更高。

4 結(jié)束語

綜上所述，煤礦井下精確人員定位具有非常高的價值意義，不管是人員調(diào)度還是應(yīng)急搶險方面都能夠發(fā)揮突出的作用。在實踐中，構(gòu)建井下精確人員定位系統(tǒng)的技術(shù)手段很多，各種技術(shù)的優(yōu)劣勢也比較明顯，相對來說本文所探討分析的TOA 技術(shù)要更適合作為井下人員定位的技術(shù)手段，文中也對此進(jìn)行了討論。并提出了一種基于TOA 技術(shù)的井下精確人員定位系統(tǒng)。從煤礦角度講，煤礦對安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求非常高，隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)等的不斷發(fā)展，有效地利用TOA 技術(shù)來實現(xiàn)更加精確的人員定位系統(tǒng)，顯然價值巨大，因此圍繞TOA 技術(shù)對精確人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，提出了可供參考的設(shè)計方案，并對相關(guān)的算法、仿真分析進(jìn)行了研究，進(jìn)一步表明TOA 技術(shù)支持下的礦井下精確人員定位系統(tǒng)的高價值。當(dāng)然本文所設(shè)計的基于TOA 技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，可能并不夠完善，在未來的工作以及學(xué)習(xí)當(dāng)中，還將對此進(jìn)行進(jìn)一步完善。