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，煤礦行業(yè)屬于支柱型行業(yè)，尤其是當下社會對煤礦資源的需求量明顯增加，然而煤礦資源卻較為緊缺，如何提高煤礦開采效率、開采量，成為煤炭企業(yè)在實際經(jīng)營中必須考慮的重要問題。精確定位技術的應用，有助于對煤礦井下的各項數(shù)據(jù)進行分析、判斷，在保證作業(yè)安全的情況下進行開采，可有效降低開采成本、提高煤礦開采質(zhì)量，具有極高的應用價值。因此，聯(lián)系實際分析精確定位技術在煤礦井下的應用是十分必要的。

1 精確定位技術概述

目前，精確定位技術在煤礦井下開采中的應用已經(jīng)較為普遍，主要技術類型有以下幾種：（1）RFID定位技術，各大煤礦較為常用的定位系統(tǒng)，就是基于這一技術發(fā)展并建立起來的，煤礦井下這一技術的最遠傳輸距離可達到100米以上，通常只能被應用于人員所處區(qū)域確定，不能做到精準定位，在應用時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、性價比低，后續(xù)維護也較為困難，應用范圍較為狹窄；（2）RSSI技術，主要是根據(jù)信號的強弱，對井下作業(yè)人員的位置進行檢測，能夠?qū)崟r、動態(tài)的展現(xiàn)人員位置，然而在實際應用中，卻經(jīng)常容易受到人體遮擋、無線發(fā)射功率及接收靈敏度一致性不好等影響，出現(xiàn)電子波信號受到干擾的情況，導致定位不精確、井下作業(yè)人員位置漂移問題頻繁發(fā)生，若是想要更進一步提高定位的精確性，還需針對抖動現(xiàn)象加以控制，以保證RSSI技術的實效性優(yōu)勢得以充分發(fā)揮；（3）超寬帶技術，是一種基于現(xiàn)代科技產(chǎn)生的無線傳輸技術，主要是利用極窄脈沖、極寬頻譜來完成所有信號傳輸，信號寬帶越高，則精確度越高，可以較好的分辨出厘米級標準范圍內(nèi)的物品，在目標準確定位與追蹤方面，有著較好應用[1]。

2 煤礦井下精確定位技術的應用設計

基于上述分析，不難發(fā)現(xiàn)精確定位技術也分為多種類型，若是想要較好運用，就必須對各項技術進行整合，然后加以合理設計，確保各項技術充分發(fā)揮作用，提高技術應用有效性。

2.1 定位系統(tǒng)功能需求

精確定位技術的應用，需要以用戶權限設定為前提，且用戶的各項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)平臺內(nèi)部，必須對所有工作人員的基本信息加以檢測與科學管理，保證在后續(xù)的查詢、修改、刪除操作中，信息的真實性，確保系統(tǒng)能夠正常操作。在此基礎上，定位系統(tǒng)本身還需要能夠結合WIFI，開展各項定位管理，包括定位卡信息登記、發(fā)放、掛失、注銷、預警等多項功能，由此提高定位的精確性，一旦出現(xiàn)問題能夠及時將人員信息反饋，人員的真實運動軌跡、實際位置，也能夠在系統(tǒng)中直接反映出來，便于確定位置，尤其是在危險事故發(fā)生以后，就是掌握人員的動態(tài)信息，便于制定營救計劃，具有重要價值。除此之外，定位系統(tǒng)還需要具備考勤功能，對煤礦井下作業(yè)人員的下井時間、次數(shù)、時間段等各項信息進行收集，而后由控制中心對這些傳輸?shù)男盘栠M行計算分析，為更好地進行統(tǒng)一調(diào)度、規(guī)劃奠定基礎。

2.2 定位系統(tǒng)框架

從整體上來看，定位系統(tǒng)核心基站、數(shù)據(jù)服務器、監(jiān)控中心構成，在布設大量基站、傳感器以后，無線網(wǎng)絡會利用TCP/IP協(xié)議，將礦井下的所有實況信息上傳，切實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)分站結構設計則更為復雜，在這一結構中，基于超帶寬的UWB定位基站是主節(jié)點，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無線射頻單元和高精度計時單元負責人員快速識別和定位。同時在使用過程中根據(jù)基站的無線有效覆蓋范圍進行合理的基站布置，即要保障信號最大限度地覆蓋還要避免無線信號的頻繁漫游。與此同時，利用這一系統(tǒng)結構，還可以將井下定位與井上監(jiān)測同步進行，比如作業(yè)面、煤層鋪運大巷等，都能實現(xiàn)較好定位，保證人員身份信息可以被較好識別，做好相關判斷，避免出現(xiàn)人員位置難以識別的情況，井上監(jiān)測則是要根據(jù)井下作業(yè)想到的分布情況，模擬繪制一些畫面，而后生成運行軌跡，利用這些畫面，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，而這些軌跡最終也將會成為緊急狀況下，報警提示、人員疏散與撤離的重要參考[2]。

2.3 定位系統(tǒng)定位算法

從目前精準定位的定位算法來看，主要可以從兩個方面進行闡述：第一種，基于RSSI的定位算法，在實際應用中，是借助傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，將信號發(fā)射至通信空間，然后接收端將會對節(jié)點間的信號傳輸損耗值進行精密測量，借助模型完成節(jié)點距離值計算，結合坐標換算法，對煤礦井下各個作業(yè)物體的具體位置進行定位計算，這樣一過程便是定位算法應用與實施的實際過程。為了保證定位算法的精確性，在應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，確保信號接收，與隨機對數(shù)正態(tài)分布變化相符合、相適應，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傳輸所經(jīng)過的一段距離中產(chǎn)生的信號強度值，PL（d0）則是指參考距離d0的信號強度，a代表了信號傳輸過程中的損耗衰減因子，隨著距離的增加，會逐漸減少，εσ表示均值為零以及方差為σ的高斯隨機變量。這也就需要相關工作人員必須精準計算，利用公式實現(xiàn)精準定位，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，這一算法在應用中，會分為指紋訓練階段、真實定位階段，會通過分析、對比、采集到的信號，不斷修正實際位置與計算位置的算法，在指紋數(shù)據(jù)庫構建的基礎條件下，定位算法可以利用WIFI，將指紋與數(shù)據(jù)庫中的信息進行匹配，若是成功，則會獲得較為精準地定位位置，常見的算法是K最近鄰法，實際計算完全是通過信號指紋距離對比，獲得最終的對應點，定位平面坐標。

第三種，基于超帶寬UWB的雙向雙邊測距（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、Tround2兩個過程變量、是否能正確識別信號的第一路徑以及Treply1、Treply2是否計時準確 。同時在系統(tǒng)定位的過程中是否能夠利用上述兩對變量進行時差抵消。

3 精確定位系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計

煤礦井下作業(yè)過程中，需要進行信號通信，傳遞出的數(shù)據(jù)信息會直接通過系統(tǒng)程序匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點，由節(jié)點控制中心進行信息內(nèi)容的分析處理，其中CAN總線主要負責數(shù)據(jù)與上位機之間的傳輸工作，節(jié)點的運行狀態(tài)和工作人員的具體位置直接在上位機系統(tǒng)界面以數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)出來。因此，需要做好協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計工作，建立高頻ZigBee模塊負責信號定位，通過底板設計完成信號的傳輸工作，大多數(shù)硬件設施的電路焊接工作都是在協(xié)調(diào)器節(jié)點上完成的，保證無線通信工藝與協(xié)調(diào)器電源、無線收發(fā)之間的互通性，協(xié)調(diào)器的顯示模塊能夠精準的傳達井下信息，為井下工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)提供先提條件，保證精準定位系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.1.2 路由節(jié)點硬件設計

煤礦井下作業(yè)需要安裝標準適量的路由節(jié)點，同時保證安裝范圍內(nèi)的網(wǎng)絡全覆蓋，實現(xiàn)鄰居節(jié)點間的穩(wěn)定通信，為了保證施工過程的穩(wěn)定性，移動節(jié)點需要定時的進行井下數(shù)據(jù)信息發(fā)送，信息內(nèi)容在路由節(jié)點匯總，控制中心的工作人員通過協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)地面信息傳輸。在硬件設計的過程中需要在保證ZigBee無線模塊的穩(wěn)定運行基礎上，開展外在設計工作，通過電源、電路、無線器等工具的選擇，賦予系統(tǒng)無線收發(fā)功能。

3.2 軟件設計

3.2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

在進行協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計的過程中，需要合理運用CC2430芯片，接收井下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并通過上位機控制中心下達調(diào)節(jié)指令，分別傳輸?shù)骄孪锏赖亩鄠€節(jié)點，在這一信息傳輸過程中，協(xié)調(diào)器主要承擔信息的接收和匯總任務，并以中繼站的形式完成信息反饋工作[3]。

3.2.2 路由節(jié)點軟件設計

路由節(jié)點軟件設計過程十分復雜，工作人員需要創(chuàng)分了解路由節(jié)點所具有的精準定位功能，在實際應用過程中得到的井下坐標位置（X，Y），要通過軟件技術進行改變，定位系統(tǒng)獲取的井下定位區(qū)域是路由節(jié)點的安置位置，但會隨著工作情況進行適當調(diào)節(jié)。路由節(jié)點的移動性，表明了芯片選擇的具體范圍，路由節(jié)點在使用過程中，不具備移動性，但路由節(jié)點的位置可以運用定位引擎進行確定，在固定區(qū)域內(nèi)發(fā)揮出軟件的傳輸功能。路由節(jié)點需要定時將得到的RSSI值轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔?shù)據(jù)，連同自身所處的位置傳輸?shù)揭苿庸?jié)點，與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行連接，在上機位系統(tǒng)中顯示出來，精準定位系統(tǒng)自帶的監(jiān)控軟件，會根據(jù)信息內(nèi)容的變化特點，對井下煤礦作業(yè)的情況進行監(jiān)管，通過系統(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 結語

綜上所述，煤礦井下作業(yè)本身就具有較大的風險性，很容易受到井下因素影響，若是各項數(shù)據(jù)不夠精準，會直接增加煤礦開采風險，甚至于還可能造成較大的人員傷亡情況，無法為作業(yè)人員提供安全保障，增加企業(yè)風險以及成本支出。精確定位技術是一種成本低、精準度高的技術手段，其運用將會極大程度提高井下作業(yè)安全性， 包括RFID定位技術、RSSI技術、超寬帶技術。為了將其更好的應用于煤礦井下作業(yè)，就必須從定位系統(tǒng)功能需求、系統(tǒng)框架、定位算法幾個方面進行分析闡述，確保應用設計的合理性。