能源企业井下人员精确定位方法研究

（晋能控股煤业集团煤峪口矿信息监控中心，山西 大同  037038）

摘  要：人员定位技术可以在事故发生后的第一时间就对人员予以精确定位，如果能源企业人员无法进行手动求救，则系统可以经由定位技术来获取人员位置，其后定位系统当中的数据集中器上传到分站当中，并直接和地面监控中心连接，进而实现自动报警。经过实测，结果证实该系统在2km以内距离误差在97%以上，系统自动报警成功率则高于95%，对于井下智能救援的实现起到了积极作用。

关键词：人员定位；井下人员；智能救援

我国有着丰富的矿产资源，矿产资源的开采直接决定我国工业和能源产业的发展。虽然我国矿产资源丰富、矿产产量也较大，但是目前我国井下安全生产技术和装备技术仍然和世界先进水平有一定的差距，如何解决能源企业安全生产问题就成为了一个重要课题。随着能源企业生产的过程中投入了越来越多的安全监控设备，矿井移动目标定位系统也得到了更为广泛的运算。针对能源企业人员定位系统进行研究，一方面可以提高能源企业生产的自动化和信息化水平，另一方面也可以在发生事故时，由井上人员及时掌控信息，确定救援方案，以减少井下人员伤亡。所以针对能源企业人员定位系统进行研究有一定的现实意义。

1  系统结构介绍

所投入能源企业精准人员定位系统按照如下原理进行工作：为能源企业工作人员佩戴人员标签，其上设置求救按钮，经由标签可以将求救信息发送到读卡器处，从而获取人员位置信息，实现定位，之后即可运用无线通信技术来将数据向分站发送，再由分站上载到地面监控中心，为相关支援和救助措施的提出创造条件，确保安全生产的开展。如图1所示，为定位系统结构示意图。

图1井下人员定位系统结构

2 关键技术分析

2.1  UWB技术

现阶段能源企业定位系统采用的技术主要为RSSI、ZigBee、CSS技术，这些技术的应用存在一定的缺陷，如信息传输速度慢、定位精度不足等。UWB定位技术的应用可以在紧急状态下依然可以实现稳定信息传输，因而采用UWB定位技术和TOA测距方法，即可对读卡器和人员标签距离进行准确计算，让自动报警率得到保证。一般来说，UWB技术下的TOA测距可包括两次测距，其中第一次用于确定传输延时T1，过程是从读卡器向工作人员标签发送数据包进行计时，之后在读卡器开始应答后停止；人员标签在收到读卡器所发送的数据包的时间，一直到发出应答后的时间，则为延时T2；第二次测距则用于人员标签对传输来的包含T1数据包进行应答，而人员标签向读卡器发送包括T3信息的数据包用于计算延时T4。由于生产环境较为复杂，如果信号在介质当中以速度C来传播，那么精可以计算读卡器和人员标签的距离大约为c（T2-T1+T3-T4）的四分之一。

2.2  LoRa无线通信技术

出于控制井下线缆铺设成本的需要，同时降低施工难度，而采用LoRa无线通信技术，一方面让人员定位系统中分站和读卡器传输距离得到了提高，另一方面也让其获得了更高的灵敏度，让数据远程传输得成为了可能。该通信技术所采用的芯片为SX1278，在数据传输中无需布设线缆，就可以将数据发送到分站系统当中。但是和目前较为前言的RS485等通信技术相比仍然存在数据传输效率低的缺陷，因而可以应用数据流量控制算法来减少数据量，更充分地发挥出该技术的优势来。

2.3 三边测距定位

结合多个距离测量值来对移动人员的位置进行估算，具体来说，就是在一个三维空间当中，了解了一个标签到三个读头距离来判断某点坐标。三边测距也可以在二维平面上使用，步骤如下：首先从未知节点上获得和某确定节点之间的距离，可以借此判断该未知节点就在以距离为半径、以节点为圆心的某个圆上；在得到位置节点和三个已知节点兼具之后，可以将三个圆交点确定为该未知节点的所在处。所以总结起来，一个读头可以测算出其与某个节点的距离，另外一个相邻的读头也可以测算出该标签与其的距离，将这两个距离作为半径，又以各自读头作为圆心作圆，再通过两个圆的交点作第三个圆，那么三圆之间的交点就是标签所在的准确位置，如图2所示，为三边测距法的示意图。

图2 三边测距法

所以按照如此推断，随着圆数量的增加，定位精度也会越来越高，该方法易于计算处理，如果将其与无限射频识别技术进行整合，则可以进一步提高能源企业定位系统的可用性。

2.4  ZigBee定位

ZigBee的RSSI定位也是应用较为广泛的数据通信和定位方式，一般来说，井下的定位系统当中，基站数量较多，同时又有着数量众多的未知节点，因而是否能够实现节点和基站之间的正常通信，就成为了保证定位精度的重要因素，与此同时能否解决信号干扰问题也即位重要。为了给管理和通信提供便利，可将ZigBee定位系统中的定位基站分为主基站、从基站以及未知节点。

一般来说，在巷道上，需要将主基站和从基站以相间的形式进行排布，目的在于避免不同节点信号互相干扰，从而对定位精度造成影响，而基站和未知节点之间的通信方式则采取问答式：主基站对于未知节点ID按顺序发出定位要求，在收到定位请求之后，未知节点就可应用广播方式进行应答，之后主基站和从激战也会经由RS485总线来将信息传输到上位机，由上位机显示定位情况。主基站工作过程又可以进行细分，细分成多个周期之后，即可划分为多个时序，可以在每个时序内由主基站来定位未知节点；在时序之下，又可以分为四个时隙，在时隙1中，主基站发送识别请求，时隙2为等候时间，时隙3则为接收数据，时隙4则为上传数据。如果基站没能接受到应答信号，则时隙3和时隙4就不存在，直接进入下一个时序，从而让工作周期得到缩短，提高定位效率。

2.5  紧急状况处理预案

管理人员需要制定完善的紧急状况处理预案。在出现紧急状况时，能源企业人员可以经由手动触发的形式来进行求救，和管理人员联络进行寻求救援；但是如果井下能源企业人员由于突发状况而无法用按钮求救时，标签则会检测井下人员状态，并回传信息，并启动定时器。如如果人员在超过系统时间阈值后依然没有回应，则系统判定人员遇险，可触发自动报警。在这个过程中，需要检测人员标签状态，可以说人员检测状态的精度直接决定方案的可行性和合理性。例如可以将△d摄于成为两个相邻采样点之间人员标签的位移量，而Amax则可以代表定位精确度，该精确度需要满足于人员标签静比状态的判断阈值；而△d＜Amax则可以判断位移量小于系统定位精度，人员处于静止状态，需要立即进行施救。因而系统具有较高的可靠性。

2.6  具体实施方案

如图3所示，在井下巷道的多个部位均可布设无限射频读头，并且确保三个相邻读头之间彼此都可以在另外两个读头的读取范围，从而确保人员身处任何位置，均可有三个射频读头能够读取其位置，并测定距离。

图3井下通道中读头的安放

在完成信息采集之后，各个读头可以把所获取的人员识别编号信息、位置信息以及读头的位置进行整合，一同发送到传输总线之上，之后即可经由传输总线上传，发送到数据中心站位置。再传输到中心计算机的位置，通过计算机来分析处理数据，同时可以借助计算机来进行查询和管理。在上位机数据库结构中，建立读头数据库，用于记录编号。每记录读头到相邻读头经过节点的位置时，系统就可以直接绘制人员行动路线，并且及时分析数据和信息，就可以掌握井下人员的实时位置，并为管理人员提供信息查询和信息管理服务。

3  测试结果

对于井下人员精确定位系统进行测试，以确定其使用效果，实验选用的井下巷道长200米，在井下设置人员标签共20个，在巷道口防治读卡器，而数据集中器则设置于巷道口外位置上。

3.1 定位精度分析

为了能够确定定位系统的精度情况，可每个1秒，由读卡器对所有人员标签和读卡器距离进行数据分析，通过定位精度评价方式来对测试距离和实际距离间的误差进行对比分析，从而得到定位精度，最终得到结果，系统定位精度可控制在1m以内。

3.2 无线通信距离

随着读卡器和数据集中器之间距离的不同，系统无线通信误码率也会有一定的提升。实验首先将读卡器设置于数据集中器600m处，之后将数据集中器逐渐拉远，对这两个设备的信号强度进行测试，并对比误码率变化情况。试验结果证实，在两个设备之间距离在1500m以内时，误码率为0%，如果距离增加到2000m以上，则误码率仍然可控制在3%内，其原因在于本设备中所应用的SX1278芯片可以在较长距离数据接受的过程中依然保持接收灵敏度，因而系统可以实现较远距离下二者的可靠通信，不仅误码率较低，同时也可保持较好的信号强度。

3.3 紧急状况处理

对该系统的紧急状况处理能力以及实施效果进行测试，首先将自动求助时间阈值设定在600s，试验结果证实，在紧急状态下，如果井下人员无法及时触发报警按钮，则可实现高于95%的自动报警率，让矿井人员过去求救方式的不足得到了改善，有效提高了系统的安全性。

4 总结

本文针对于能源企业人员定位系统进行了改造，从而实现了对井下人员的高精度定位，在紧急状况下，可以实现远距离数据无线传输，并且制定了可行的紧急处理方案，即便在井下人员无法手动求救，也可自动发送报警信息，有助于相关部门及时采取措施进行救援，不仅给能源企业生产以安全保障，而且也让紧急求援智能化水平得到了显著提升，给数字化技术体系的完善创造了一定的条件。

参考文献

[1] 莫树培,唐琎,汪郁,赖普坚,金礼模.基于聚类和K近邻算法的井下人员定位算法[J].工矿自动化,2019,45(04):43-48+76.

[2] 孙哲星.煤矿井下人员精确定位方法[J].煤炭科学技术,2018,46(03):130-134.