基于UWB技術(shù)的煤礦人員定位機(jī)理研究獲獎科研報告

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

關(guān)鍵詞：煤礦人員定位;UWB;特殊環(huán)境;系統(tǒng)設(shè)計

隨著我國經(jīng)濟(jì)體制改革不斷深入，現(xiàn)代化進(jìn)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(qiáng)。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(jī)械化、自動化、信息化和智能化程度，加強(qiáng)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(shù)水平等，是煤礦未來發(fā)展的必由之路。

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研究目的及意義

2地面定位技術(shù)在煤礦井下特殊環(huán)境應(yīng)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(yán)重等，制約著定位技術(shù)和定位設(shè)備直接在煤礦井下應(yīng)用。

1）衛(wèi)星定位技術(shù)：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(yīng)用于煤礦井下定位。

2）慣性導(dǎo)航技術(shù)：慣性導(dǎo)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(zhǔn);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(jìn)行定位。

3）超聲波定位技術(shù)：超聲波在傳輸過程中衰減很大、且在多徑效應(yīng)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(shù)不適用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)。

4）紅外線定位技術(shù)：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(shù)不適用于煤礦井下人員定位系統(tǒng)。

5）激光定位技術(shù)：激光無法彎曲，只能實(shí)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(dá)定位技術(shù)：因雷達(dá)定位要求被測目標(biāo)必須為金屬，才能夠進(jìn)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(shù)與系統(tǒng)現(xiàn)狀

為滿足煤礦安全生產(chǎn)、應(yīng)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(diǎn)，研究出煤礦井下人員及動目標(biāo)定位方法和系統(tǒng)。

1）射頻識別技術(shù)

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

2）基于蜂窩小區(qū)標(biāo)識的定位技術(shù)

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

3）WiFi定位技術(shù)

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

4）ZigBee技術(shù)

ZigBee定位技術(shù)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有自組網(wǎng)功能，而且功耗小、設(shè)備成本低、易實(shí)施。目前已有基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)取得了礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志證，定位誤差可達(dá)數(shù)十米。

5）UWB超寬帶技術(shù)

基于超寬帶的定位技術(shù)，定位精度高可達(dá)厘米級，是目前精確定位技術(shù)的主要發(fā)展方向。目前主要應(yīng)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(yīng)用于井下。而且現(xiàn)有UWB設(shè)備特別是定位卡設(shè)備的成本較高，進(jìn)一步限制了UWB系統(tǒng)在煤礦井下應(yīng)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(shù)的不斷進(jìn)步，后期發(fā)展較快，如中國煤炭科工集團(tuán)常州自動化研究院的KJ69J系統(tǒng)、江蘇三恒科技集團(tuán)有限公司的KJ128A系統(tǒng)、中煤科工集團(tuán)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。

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煤礦UWB人員定位系統(tǒng)設(shè)計方案

通過對無線室內(nèi)定位基礎(chǔ)理論研究，分析信道模型及參數(shù)、定位接收原理結(jié)構(gòu)、測距算法性能，并建立DWM1000與上位機(jī)串口通信物理模型，然后通過室內(nèi)實(shí)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(guān)系，提出測距誤差修正方法，以減小UWB測距誤差。

5.結(jié)語

基于UWB技術(shù)在井下煤礦人員定位機(jī)理研究發(fā)揮了UWB技術(shù)系統(tǒng)容量大、傳輸速度快、