煤矿井下人员精确定位方法

　第４６卷第３期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰３　　２０１８年３月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｒ.２０１８　煤矿井下人员精确定位方法孙　哲　星１ꎬ２(１􀆰中国矿业大学(北京)ꎬ北京　１０００８３ꎻ２􀆰中国建设银行股份有限公司北京数据中心ꎬ北京　１０００６８)摘　要:分析总结了煤矿井下人员定位特点:覆盖范围远大于地面室内ꎻ定位信号应能非视距传输ꎻ电磁波衰减严重ꎻ无线传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体、横向导体、设备等影响大ꎻ必须电气防爆ꎻ环境恶劣ꎬ粉尘大、潮湿、淋水等ꎮ提出无线电传输适用于煤矿井下人员定位ꎻ超声波、激光、红外传输不适用于煤矿井下人员定位ꎮ提出ＲＳＳＩ基于信号强度测距定位方法、ＡＯＡ基于角度测量的定位方法和不同类信号源ＴＤＯＡ基于时间差的测距定位方法不适用于煤矿井下人员精确定位ꎻＴＯＡ基于传输时间的测距定位方法和ＴＤＯＡ基于时间差的测距定位方法适用于煤矿井下人员精确定位ꎬＴＤＯＡ基于时间差的测距定位方法较ＴＯＡ基于传输时间的测距定位方法系统成本低ꎮ关键词:人员定位ꎻ精确定位ꎻＴＯＡꎻＴＤＯＡꎻ煤矿中图分类号:ＴＤ６７　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０３－０１３０－０５ＰｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅＳＵＮＺｈｅｘｉｎｇ１ꎬ２(１􀆰ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８３ꎬＣｈｉｎａꎻ２􀆰ＢｅｉｊｉｎｇＤａｔａＣｅｎｔｅｒꎬＣｈｉｎａＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢａｎｋＣｏｒｐ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００６８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ:ｔｈｅｃｏｖｅｒａｇｅｉｓｍｕｃｈｌａｒ￣ｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎻｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｉｇｎａｌｓｈｏｕｌｄｂｅｎｏｔｌｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔꎻｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｉｓｓｅｒｉｏｕｓꎻｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｇａｌｌｅｒｙｂｒａｎｃｈｉｎｇꎬｂｅｎｄｉｎｇꎬｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎꎬｔｈｅａｒｅａａｎｄｓｈａｐｅｏｆｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌꎬｔｈｅｍｅｄｉｕｍｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋꎬｔｈｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｇａｌｌｅｒｙｓｕｒｆａｃｅꎬｓｕｐｐｏｒｔꎬｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓꎬｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｃｏｎｄｕｃ￣ｔｏｒｓꎬｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｅｔｃꎻｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍｕｓｔｂｅｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆꎻｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｓｈａｒｓｈｂｅｃａｕｓｅｏｆｄｕｓｔꎬｍｏｉｓｔｕｒｅꎬｗａｔｅｒａｎｄｅｔｃ.Ｉｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｒａｄｉｏｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻｗｈｉｌｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃꎬｌａｓｅｒꎬａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓａｒｅｎｏｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ.Ａｎｄꎬｉｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｒｅｃｅｉｖｅｄｓｉｇｎａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ(ＲＳＳＩ)ｉｓｎｏｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅａｃｃｕｒａｔｅｐｅｒｓｏｎ￣ｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎａｎｇｌｅｏｆａｒｒｉｖａｌ(ＡＯＡ)ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓｎｏｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅａｃｃｕｒａｔｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ(ＴＯＡ)ａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉ￣ｖａｌ(ＴＤＯＡ)ｗｉｔｈｉｎｓｉｍｉｌａｒｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅａｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅａｃｃｕｒａｔｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉｖａｌ(ＴＤＯＡ)ｗｉｔｈｉｎｓｉｍｉｌａｒｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅｃｏｓｔｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｏｆａｒｒｉｖａｌ(ＴＯＡ)ꎻｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｉｍｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆａｒｒｉｖａｌ(ＴＤＯＡ)ｗｉｔｈｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅｉｓｎｏｔｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｕｎ￣ｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅａｃｃｕｒａｔｅｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻａｃｃｕｒａｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇꎻＴＯＡꎻＴＤＯＡꎻｃｏａｌｍｉｎｅ收稿日期:２０１７－１２－２２ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０３􀆰０２２基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１６ＹＦＣ０８０１８００)ꎻ国家自然科学基金重点资助项目(５１１３４０２４)ꎻ国家高技术研究发展(８６３计划)资助项目(２０１２ＡＡ０６２２０３１)作者简介:孙哲星(１９８４—)ꎬ女ꎬ山西翼城人ꎬ工程师ꎬ博士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:孙哲星􀆰煤矿井下人员精确定位方法[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(３):１３０－１３４􀆰ＳＵＮＺｈｅｘｉｎｇ.Ｐｅｒｓｏｎｎｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｍｉｎｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(３):１３０－１３４􀆰０　引　　言煤炭是我国的主要能源ꎬ约占一次能源的７０％ꎮ中国是世界第１产煤大国ꎬ煤炭产量约占世界５０％ꎮ２０１７年全国煤炭产量约３５.４亿ｔꎮ２０１７年全国煤矿发生死亡事故２１９起ꎬ死亡３７５人ꎬ百万０３１孙哲星:煤矿井下人员精确定位方法２０１８年第３期吨死亡率０.１０６ꎻ其中重大事故６起、死亡６９人ꎬ没有发生特别重大事故ꎻ事故起数、死亡人数、重特大事故和百万吨死亡率均大幅下降ꎬ安全生产形势持续稳定好转ꎮ煤矿安全生产形势持续稳定好转ꎬ离不开煤矿自动化、信息化和智能化ꎮ矿井人员定位系统在遏制超定员生产、防止人员进入危险区域、发现超时作业人员、特种作业人员管理、干部下井管理、入井考勤、应急救援、事故调查、持证上岗管理等方面发挥着重要作用ꎬ是煤矿井下安全避险六大系统之一ꎬ是煤矿安全生产的重要保障ꎮ煤矿井下电磁波衰减严重ꎬＧＰＳ等卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达煤矿井下ꎬ电气防爆等特殊性ꎬ制约着地面定位技术直接在煤矿井下应用ꎮ因此ꎬ有必要针对煤矿井下特点ꎬ研究煤矿井下人员精确定位方法ꎮ１　煤矿井下人员定位特点与定位传输技术１􀆰１　煤矿井下人员定位特点煤矿井下人员定位与地面定位相比具有如下特点:１)煤矿井下单一巷道长度可达１０ｋｍꎬ矿井人员定位系统需覆盖采掘工作面等作业地点和行人巷道等ꎬ矿井人员定位系统覆盖范围远大于地面室内ꎮ２)煤矿井下巷道有分支、弯曲和倾斜ꎬ巷道中有胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等ꎬ矿井人员定位信号应能非视距传输ꎮ３)煤矿井下电磁波衰减严重ꎬＧＰＳ等卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达煤矿井下ꎮ４)煤矿井下无线传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体(电缆、铁轨、水管等)、横向导体(工字钢支护等)、设备等(以下简称“巷道和支护、巷道中的导体和设备”)影响大ꎮ５)煤矿井下有瓦斯等可燃性气体ꎬ用于煤矿井下的电气设备必须电气防爆ꎮ６)煤矿井下环境恶劣ꎬ粉尘大、潮湿、淋水ꎮ煤矿井下人员定位特点ꎬ制约着地面定位技术和设备直接在煤矿井下应用ꎮ因此ꎬ需要针对煤矿井下人员定位特点ꎬ研究适用于煤矿井下的人员定位传输技术和定位方法ꎮ１􀆰２　煤矿井下定位传输技术定位传输技术主要有红外、超声波、激光、无线电波等ꎬ其用于煤矿井下人员定位优势比较见表１ꎮ表１　４种定位传输技术优势比较Ｔａｂｌｅ１　Ａｄｖａｎｔａｇｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆｏｕｒｌｏｃａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ定位传输技术测距距离受粉尘影响无障碍和有障碍测距定位分站间距分站用量成本维护量满足煤矿井下人员定位红外短大无障碍测距短大高大不满足超声波短小无障碍测距短大高大不满足激光远大无障碍测距中大高大不满足无线电波远小无障碍和有障碍测距长少低小满足　　从表１可知ꎬ红外、超声波、激光技术可用于直线无障碍测距ꎬ测距范围内不能有胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等任何阻挡物ꎬ更不能有造成非视距的巷道弯曲、分支和倾斜ꎻ而无线电波具有传输距离远ꎬ可非视距传输、设备成本低等优点ꎮ采用适宜的定位方法ꎬ无线电波可以解决或减少煤矿井下巷道分支、弯曲和倾斜ꎬ胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等对定位精度的影响ꎬ是煤矿井下人员定位主流传输技术ꎮ因此ꎬ红外、超声波、激光传输技术不适用于煤矿井下人员定位ꎬ一般用于短距离相对定位ꎬ如胶轮车等大型设备的避障监测等ꎮ无线电波传输技术适用于煤矿井下人员定位ꎮ２　煤矿井下人员定位方法ＧＰＳ等卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达煤矿井下ꎬ因此ꎬＧＰＳ等卫星定位方法不能用于煤矿井下ꎮ除ＧＰＳ等卫星定位方法外ꎬ主要有基于信号强度的测距定位方法ＲＳＳＩ、基于角度测量的定１３１２０１８年第３期煤炭科学技术第４６卷位方法ＡＯＡ、基于传输时间的测距定位方法ＴＯＡ、基于时间差的测距定位方法ＴＤＯＡ等ꎮ２􀆰１　ＲＳＳＩ基于信号强度测距定位方法ＲＳＳＩ(ＲｅｃｅｉｖｅｄＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ)测距定位法是基于无线信号强度的测距定位方法ꎮ已知无线信号发射设备的发射功率ꎬ接收设备测量此信号的接收强度ꎬ计算传播损耗ꎬ通过运算将传播损耗转化为距离实现测距ꎮＲＳＳＩ测距定位具有原理简单ꎬ定位设备成本低等优点ꎮ但由于矿井电磁波传输受巷道和支护、巷道中导体和设备等影响大ꎬ因此ꎬＲＳＳＩ测距定位方法定位误差大ꎮ发射功率的波动和接收灵敏度变化ꎬ进一步降低了ＲＳＳＩ测距定位法的定位精度ꎮ因此ꎬＲＳＳＩ基于信号强度测距定位方法ꎬ不适用于煤矿井下人员精确定位ꎮ２􀆰２　ＡＯＡ基于角度测量的定位方法ＡＯＡ(ＡｎｇｌｅｏｆＡｒｒｉｖａｌ)基于角度测量的定位方法工作原理如图１所示ꎮ已知两固定定位分站ＢＳ１和ＢＳ２的距离为ｄꎬＥ为被定位动目标ꎬＥ与ＢＳ１、ＢＳ２的角度分别为α１、α２ꎻ则Ｅ点与ＢＳ１、ＢＳ２的距离ｒ１、ｒ２满足公式:ｒ１ｃｏｓα１＋ｒ２ｃｏｓα２＝ｄｒ１ｓｉｎα１＝ｒ２ｓｉｎα２{(１)解方程可得ｒ１＝ｄｓｉｎα２ｓｉｎ(α１＋α２)ꎬｒ２＝ｄｓｉｎα１ｓｉｎ(α１＋α２)ꎬ进一步即可得到Ｅ点位置ꎮ图１　ＡＯＡ基于角度测量的定位方法Ｆｉｇ􀆰１　ＡＯＡｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＡＯＡ基于角度测量的定位方法ꎬ定位精度与