煤矿井下精确定位技术与运用研究

煤矿井下精确定位技术与运用研究

杨昂然

天地（常州）自动化股份有限公司   213000

摘要：我国的工业化建设对于煤矿资源的需求量在不断上涨，而煤矿井下作业环境较为恶劣，面临着较大的安全隐患，通过运用精确定位技术，既有助于保证作业效率与质量，又能够提升作业安全系数，是一项应用价值突出的的先进技术。本文以精确定位技术类别为切入点，重点分析了煤矿井下精确定位技术的有效运用，以期促进煤矿井下安全生产。

关键词：煤矿井下；精确定位技术；超宽带技术

前言：当前我国煤矿行业正处于飞速发展阶段，煤矿资源的需求量上涨，使得对于煤矿资源开发开采效率以及煤矿井下作业安全生产的重视力度在不断加强，科学运用精确定位技术，一方面可系统化分析以及判断煤矿井下的各项数据信息，另一方面当出现安全事故时也能够在较短时间内锁定人员位置，开展救援工作，因此运用该技术于煤矿井下十分有必要。

一、精确定位技术类别

（一）超宽带技术

    超宽带技术在精密定位技术中是一种现代先进的技术手段。它基于无线传输技术，使用极宽的频谱和极窄的脉冲来传输所有信息信号。信号带宽越高，显示的精度就越高。该技术的分辨率单位为厘米，可以准确区分以厘米为单位的项目或物品，因此将其应用于精确的目标定位和跟踪具有很强的实用价值。

（二）RFID定位技术

    RFID定位技术则是精确定位技术中应用频率最高且范围最广泛的一种技术，主要为煤矿考勤管理平台所服务，能够在煤矿井下作业范围下做到无线传输，最远可传输超出100米距离信号，可用来确认煤矿井下区域性范畴，但是当前此技术尚没有实现无误差精准定位。此技术是以在煤矿井下的指定位置安装接收器，从而无线全覆盖井下作业，其局限性在于若想发挥出良好的技术效用，需设置一定数量分站，而且安装读卡器的流程相对比较繁琐[1]。

（三）RSSI定位技术

RSSI定位技术实现煤矿井下作业人员定位是依赖于信号强度检测来达成，此技术与室内定位技术对比来说有着较大差异，它能够在复杂恶劣的煤矿井下作业环境中发挥出稳定的技术优势。因为煤矿井下有着较大的开采规模，电磁波信号被折射或反射、多径效应所干扰的几率较大，所以会频频出现作业人员定位抖动或漂移等不准确问题，所以需着重强化此技术的运算速度，有效把控定位漂移抖动问题。
二、煤矿井下精确定位技术的有效运用
（一）明确定位精度

将精确定位技术有效运用在煤矿井下，首先应当明确定位系统的定位精度，因为精度会直接关乎系统的实际可应用范围。通常来说，需有实际测量的方式来获得定位精度，所反馈回来的实测样本标准差与均值能够直接表征定位系统多次测量的分布集中度、实际位置偏差度，也就是定位的精确系与准确系数。若存在实际位置偏离情况，则可以定位系统来校准消除，所以定位系统的定位精确系数是由多次测量值的集中度所决定，定位精度和可信度之间的关系十分紧密。煤矿井下定位系统定位精度由静态和动态两种组成，静态定位精度指的是目标保持在静止不动状态下，动态定位精度则服务于运动目标，实现前者则要应用恰当的定位技术，做好定位系统的设计与安装工作；后者除了有上述内容之外，还需定位时间间隔以及目标移动速度，若每两次定位间的时间间隔较长，则容易使得一直做运动状态的目标定位出现偏差。当所设定的定位巡检周期越长，目标运动速度越快，则会产生较大的动态定位误差，所以对定位系统的定位精度有着严格要求。
（二）构建定位系统框架

实现精确定位技术在煤矿井下的有效运用，应当整合多种技术手段，构建定位系统，在合理设计的前提下，促使每项技术的作用与优势可最大化发挥出来，因此构建定位系统框架十分关键。为了能够满足于煤矿井下作业的整体需求，定位系统框架应当包含数据服务器、监控中心、核心基站，确保在煤矿井下的基站与传感器布设数量得当后，应用TCP/IP协议的无线网络，以此实时化上传煤矿井下的全部实况信息，具体包括井下地形分布、工人出勤率、发生安全事故时的疏散路线图等多个方面，为煤矿井下人员的统一调配和管理创造了便利条件。定位系统的子站结构设计呈现出更复杂的特征，该结构的主要节点是采用超带宽技术构建的UWB定位基站，系统的数据流通道是工业以太网和CAN通信接口。同时，采用高精度定时单元和超宽带无线射频单元，实现人员对目标的快速准确定位和识别[2]。在安排基站的过程中，需要考虑基站的有效无线覆盖范围，在避免无线信号高频漫游的同时，应实现最大的信号覆盖。利用该定位系统，可以真正实现煤矿井下定位与监测的同步。无论是采煤工作面还是煤层运输巷道，都可以实现有效定位，准确识别相关作业人员的身份信息，作为判断的依据。配合井下监测和井下作业分布，提前模拟绘制相关开采场景，之后再生成相应的运行轨迹，从而开展远程监控工作，若煤矿井下作业过程中出现突发性状况或安全事故，其还可以作为报警提示以及疏散撤离人员的根本依据，将煤矿井下出现事故后的损失降至最低。

（三）应用得当的定位算法

促使精确定位技术可在煤矿井下发挥出显著效用，还需应用得当的定位算法。其一，先从RSSI定位算法来看，其将信号发射给通信空间是借由传感器网络节点来完成，信号接收端需测量掌握各个传输节点的实际信号传输损耗数值，通过信号损耗模型计算出信号不同节点下的距离值，之后再采取坐标换算方法定位计算出煤矿井下的各个作业物体位置。应用此算法流程，需提前考虑到众多影响因素，具体包括散射、非视距以及多径等，确保所接收的信号可合乎随机对数正态分布变化要求，从而通过算法模型计算出接收信号强度。其二，再从WIFI指纹定位算法来看，它由两个阶段组成，即指纹训练阶段和真实定位阶段。将收集到的信号强度和数据库信息进行综合比较，作为计算和实际位置的算法校正基础，同时，在指纹数据库的强大支持下，借助WIFI终端信号完成相应的信息匹配，如果匹配成功，则可以获得具有高精度系数的定位位置。在该算法下应用频率最高的算法是K近邻法，此算法是以对比各个信号间的指纹距离，掌握信号对应点，以此在指纹数据库中找到相应的平面坐标位置。
（四）为多功能定位需求所服务

煤矿井下精确定位技术要能够为多功能定位需求所服务，具体包括人员定位、设备定位以及巷道定位三方面。其一，人员定位，煤矿井下有着较为恶劣的工作环境，一旦出现紧急状况或安全事故，实施救援的工作人员很难在狭小的空间下快速找到被困人员。而运用精确定位技术，将激光测距仪布置在煤矿井下，则可做到实时动态化地监测作业人员所处位置，出现不良问题时，可凭借着定位信息在较短时间内就锁定出被困人员实际位置，以此提升救援成功率，规避二次伤害情况。其二，设备定位，煤矿井下作业生产会用到大量的机械设备，包括钻机、卡车以及矿车等，在各个设备上方都安装激光测距仪，实时动态化地掌握设备位置信息，作为设备调度安排的重要依据，有助于加快煤矿井下生产作业效率[3]。其三，巷道定位，巷道作为煤矿井下作业生产的基本工作场所，巷道是否保持在稳定状态下以及排水十分及时都关乎安全生产，运用精确定位技术随时随地了解掌握巷道变化情况，以此防止其出现塌方或变形等不良安全事故。精确定位技术在煤矿井下的应用，能够切实保障煤矿安全生产，大幅提升生产效率，定位更加精确化以及可实现自主定位。
结论：综上所述，基于精确定位技术建立煤矿井下定位系统，以此来为煤矿井下的安全生产保驾护航，可持续动态化监测作业人员以及设备的根本状况以及移动轨迹等，该技术运用主要集中在明确定位精度、构建定位系统框架、应用得当的定位算法以及为多功能定位需求所服务的，以此实现煤矿井下高质量作业要求，创造出良好的经济效益。
参考文献：

[1]李锋.煤矿井下精确定位技术现状及应用[J].工矿自动化,2023,49(S1):44-46.

[2]王洋洋,张洪亮.基于UWB技术与DS-TWR算法的煤矿井下人员精确定位系统[J].煤炭技术,2022,41(11):200-202.

[3]张永新.精确定位技术在煤矿井下的应用研究[J].新型工业化,2021,11(04):242-243+247.