郭勤勤

（山西高河能源有限公司，山西 長治 046000）

近年來，智慧礦山理念不斷深入，更加信息化、數(shù)字化、智能化的礦山設備和技術得到了快速的發(fā)展，其中，井下定位系統(tǒng)作為災害救援工作的重要依據(jù)也得到了廣大學者的廣泛研究。準確及時地掌握井下工作人員的具體位置不僅關乎緊急救援工作，還對企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度有重要影響。但是目前我國煤礦井下定位系統(tǒng)的精度和效率已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化礦井的管理需求，存在精度不高、定位面積較小、抗干擾性較弱的不足[1-2]。針對這些使用缺陷，高河煤礦聽取了有關專家學者的建議，根據(jù)井下環(huán)境特點，對精準實時定位系統(tǒng)進行了升級優(yōu)化。該系統(tǒng)基于UWB 技術，以實現(xiàn)礦井人員、車輛的精確定位。

1 UWB 定位技術概況

目前我國井工礦大多采用ZigBee、RFID 和WiFi 等技術進行井下的定位，但受限于井下環(huán)境復雜，導致信息傳輸抗干擾性差、定位精度不高[3]。高河煤礦采用最新研發(fā)的精準定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了UWB 的定位技術，實現(xiàn)了井下所有巷道的信號“全覆蓋”，與省事故風險分析平臺聯(lián)網(wǎng)運行。

1.1 UWB 定位技術及特點

UWB，即超寬帶，是Ultra-wide Ban 的簡稱，是一種利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o載波通信技術[4]。正因UWB 技術這一特點，因此具有以下優(yōu)勢：（1）傳輸效率、帶寬大。UWB 技術可使用的信號帶寬可達到1 GHz 以上，結合其納秒級非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的特性，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾士蛇_到1000 Mbps，遠高于其他技術信息傳遞的效率。（2）低功耗，低輻射。常見的通信系統(tǒng)是通過連續(xù)發(fā)射載波信號實現(xiàn)無線通信，系統(tǒng)功耗較高，而UWB 通信技術所采用的非正弦波的載波靠瞬間脈沖電波便可傳輸，脈沖時間不足1.5 ns，功耗極低，并在實際的工業(yè)應用中不會對其他儀器設備產(chǎn)生電磁干擾。（3）抗干擾性強，安全性高。UWB 具有超大帶寬，所發(fā)信號在時間軸的功率譜方面表現(xiàn)出了低的密度，因此抗干擾性更強。另外，普通無限通訊設備無法接受或解析這種極低密度的信號，同時也提高了UWB 技術的安全性，具有良好保密性。（4）精準度高。UWB 技術在井下應用的實測中發(fā)現(xiàn)，在人員定位方面，當處于無遮擋條件下時，精度誤差可達到厘米級。

1.2 系統(tǒng)組成

高河煤礦目前使用的精準實時定位系統(tǒng)基于UWB 技術，對礦井人員的位置、分布情況、行駛路線實現(xiàn)實時定位。該系統(tǒng)分兩部分，即地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。其中，地面系統(tǒng)包括服務器和監(jiān)控設備，井下系統(tǒng)則主要由環(huán)網(wǎng)交換機、卡片讀取/識別系統(tǒng)組成，具體如圖1。

圖1 煤礦精準定位系統(tǒng)結構圖

服務器/監(jiān)控設備：服務器包括監(jiān)控主機和顯示設備，通過安裝人員定位系統(tǒng)的PC 端軟件，對井下人員的位置、數(shù)量、移動數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計；對重要區(qū)域、特殊班組的信息進行實時反饋；并支持人員歷史軌跡的回放和考勤管理。

人員管理站：即定位系統(tǒng)核心部分，對讀卡器與識別卡之間的距離進行計算和統(tǒng)計，從而實現(xiàn)定位功能；通過對讀卡器周邊的人員分布進行統(tǒng)計，實現(xiàn)對井下人員情況的了解，從而可以滿足監(jiān)控人員的查詢需求。

2計算方法

UWB 定位技術的主要計算方法有信號到達時間定位法（TOF）和信號到達時間差計算法（TDOA）兩種[5]。

信號到達時間定位法（TOF）的優(yōu)勢在于對硬件設備要求相對較低，通過計算兩個節(jié)點之間信號往返的時間實現(xiàn)測距，并且在測距計算的過程中不依賴讀卡器與識別卡的時間同步，因此沒有時鐘同步偏差所產(chǎn)生的誤差。具體測距原理如圖2：在節(jié)點1 處發(fā)射測距信號，記錄當前時刻為t1；該信號于節(jié)點 2 處被接受，記錄為t2時刻；處理完成后再返回，記錄該時刻為t3；節(jié)點1 接收信號后，記錄當前時刻為t4。根據(jù)此原理可按公式（1）計算出信號傳播的距離L，式中C 為電磁波的傳播速率，取3.0×108m/s。

圖2 TOF 測距計算法原理圖

信號到達時間差計算法（TDOA）是在基站時鐘完全同步的情況下，通過計算脈沖信號達到各個基站的時間差，再結合觀測點位置根據(jù)公式（2）計算傳播距離，具體計算方法如圖3。當有3 個觀測點時，可以得到2 個雙曲線方程，可通過最小二乘法算出2 個解，再根據(jù)坐標范圍做排除，得出坐標準確位置。

圖3 TDOA 算法雙曲線示意圖

3 高河煤礦的應用

在充分了解高河煤礦井下工作環(huán)境后，成功建立了基于UWB 技術所開發(fā)的井下實時定位系統(tǒng)。為了提高定位系統(tǒng)的準確性，需要對兩種主流的位置計算方法進行測試研究。在該次試驗對比中，選擇井下400 m 長的巷道建立救災模擬系統(tǒng)，試驗環(huán)境條件保持一致。試驗的設備共包括1 臺測試電腦、1 臺讀卡器卡和多張定位卡，分別以100 m 為間隔，共布置4 個點位，用TDOA 和TOF 算法進行兩輪計算。為了提高試驗精準度，需對每個觀測點反復測試5 次，測量距離減去實際距離的差值的絕對值作為系統(tǒng)的定位精度。測試結果見表1、表2。

表1 TOF 算法計算結果分析

表2 TODA 算法計算結果分析

根據(jù)表1、表2 可以發(fā)現(xiàn)，在UWB 定位技術應用過程中，TDOA 和TOF 算法的平均誤差都可以控制在0.3 m 以內(nèi)，并且識別卡在各個距離所測試的結果均相近。不同之處在于TOF 算法所得的結果誤差浮動更為穩(wěn)定，主要分布在0.2～0.23 之間；而TDOA 算法所得的結果誤差浮動則較大，跨度在0.13～0.28 之間。

4 結語

高河煤礦針對井下巷道主要為線型空間的特征，設計了一套基于UWB 定位技術的井下精準實時定位系統(tǒng)，經(jīng)過試驗對比，得出以下結論：

（1）相比傳統(tǒng)定位技術，UWB 技術具有抗干擾性強、信息傳輸快、定位精度高并且功耗小的特點，對于井下人員、車輛的定位管理、事故應急救援等方面有重要意義。

（2）信號到達時間定位法（TOF）和到達時間差定位法（TDOA）是UWB 定位技術的兩種主要計算方法，根據(jù)井下試驗發(fā)現(xiàn)，兩種方法計算所得的結果與實際位置的誤差都在0.3 m 以內(nèi)，定位成功率較高。同時發(fā)現(xiàn)，TOF 算法誤差分布：0.2～0.23；TDOA 算法誤差分布：0.13～0.28，可以看出TOF 算法的誤差更容易掌握，最終該礦選用哪種算法還需要進行進一步的多場景試驗。

綜上所述，基于UWB 技術的井下實時定位系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)礦井人員、車輛厘米級高精度定位，該技術對于礦井數(shù)字化建設水平的促進、安全管理水平的提高建設有著重要意義。