矿井动目标精确定位技术及优化方法研究_郑学召.pdf

矿井动目标精确定位技术及优化方法研究郑学召1，严瑞锦1，蔡国斌1，王宝元2，何芹健3（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710054；3.淄矿集团矿山救护大队正通中队，陕西咸阳713600）摘要：现有矿井动目标定位系统存在井下无线信号传输衰减严重、非视距误差较大、井下电磁环境复杂、动静目标感知范围广、多系统信息融合联动性强等问题，目前针对矿井动目标精确定位技术及优化方法的研究未全面分析动目标精确定位服务的特点和技术要求，且缺少主流与新兴定位技术的全面对比。针对上述问题，分析了常用信号传输技术和定位测距方法在矿井动目标精确定位系统中应用的优缺点，指出无线电定位技术是较为适合、可行的矿井动目标精确定位技术。从信号防碰撞技术、误差消除方法、定位结果优化方法和融合定位技术 4 个方面分析了我国矿井动目标精确定位优化方法的研究现状，总结了存在的问题：信号防碰撞算法的综合性仍需改进。测距误差控制手段的高效性有待提升。融合定位方法在生产现场中应用尚不成熟。系统的应急救援辅助作用未充分发挥。针对现有技术的不足，展望了矿井动目标精确定位技术的发展趋势：研究动态环境下信号冲突机制和冲突后恢复机制，设计综合信号防碰撞方案。研究精确、高效、经济的测距误差控制方案，节约通信成本。设计多种定位方法深度融合的动态定位方案，提升系统的可靠性、灵活性和应用性。研究多系统联动方案及极端情况下应急通信与定位恢复机制，充分发挥系统在应急救援中的作用。关键词：智慧矿山；矿井动目标精确定位；信号防碰撞；融合定位方法；应急救援；定位恢复中图分类号：TD676文献标志码：AResearchonprecisepositioningtechnologyandoptimizationmethodofminemovingtargetsZHENGXuezhao1,YANRuijin1,CAIGuobin1,WANGBaoyuan2,HEQinjian3(1.CollegeofSafetyScienceandEngineering,XianUniversityofScienceandTechnology,Xian710054,China；2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710054,China；3.ZhengtongDetachmentofMineRescueBrigadeofZiboEnergyGroupCo.,Ltd.,Xianyang713600,China)Abstract:Theexistingminemovingtargetpositioningsystemhastheproblemsofseriousattenuationofundergroundwirelesssignaltransmission,largenon-line-of-sighterror,complexundergroundelectromagneticenvironment,widesensingrangeofdynamicandstatictargets,stronglinkageofmulti-systeminformationfusion,etc.Atpresent,theresearchonminemovingtargetprecisepositioningtechnologyandoptimizationmethoddoesnot comprehensively analyze the characteristics and technical requirements of the moving target accuratepositioning service.It lacks a comprehensive comparison between the mainstream and emerging positioningtechnologies.Inordertosolvetheaboveproblems,theadvantagesanddisadvantagesofthecommonsignaltransmission technology and the positioning and ranging method applied in the mine moving target precisepositioningsystemareanalyzed.Theradiopositioningtechnologyispointedouttobeamoresuitableandfeasibleminemovingtargetprecisepositioningtechnology.Thispaperanalyzestheresearchstatusandexistingproblems收稿日期：2022-08-30；修回日期：2023-02-01；责任编辑：王晖，郑海霞。基金项目：国家自然科学基金资助项目（52174197）；陕西省应急管理领域科技信息化专项课题（2021HZ1130）。作者简介：郑学召（1977）,男，新疆焉耆人，教授，博士，研究方向为应急技术与管理、矿山防灭火技术，E-mail:zhengxuezhaoxust.edu。引用格式：郑学召，严瑞锦，蔡国斌，等.矿井动目标精确定位技术及优化方法研究J.工矿自动化，2023，49（2）：14-22.ZHENGXuezhao,YANRuijin,CAIGuobin,etal.ResearchonprecisepositioningtechnologyandoptimizationmethodofminemovingtargetsJ.JournalofMineAutomation，2023，49（2）：14-22.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023文章编号：1671251X（2023）02001409DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.18020oftheoptimizationmethodoftheminemovingtargetprecisepositioninginChinafromfouraspects:signalanti-collisiontechnology,erroreliminationmethod,positioningresultoptimizationmethodandfusionpositioningtechnology.Thecomprehensivenessofthesignalanti-collisionalgorithmstillneedstobeimproved.Theefficiencyofrangingerrorcontrolmeansneedstobeimproved.Theapplicationofthefusionpositioningmethodintheproductionsiteisnotyetmature.Theauxiliaryroleofthesysteminemergencyrescueisnotfullyplayed.Inviewoftheshortcomingsoftheexistingtechnology,thedevelopmenttrendoftheminemovingtargetprecisepositioningtechnologyisproposed:Itissuggestedtostudythesignalcollisionmechanismandpost-conflict recovery mechanism in dynamic environment,and design a comprehensive signal anti-collisionscheme.Itissuggestedtoresearchprecise,efficientandeconomicalrangingerrorcontrolschemetosavecommunicationcosts.Itissuggestedtostudydynamicpositioningschemedesignwithdeepintegrationofmultiplepositioning methods to improve the reliability,flexibility and applicability of the system.It issuggestedtostudythemulti-systemlinkageschemeandtheemergencycommunicationandpositioningrecoverymechanisminextremecases,andgivefullplaytotheroleofthesysteminemergencyrescue.Key words:intelligent mine;precise positioning of mine moving target;signal anti-collision;fusionpositioningmethod;emergencyrescue;positioningrecovery 0引言矿井动目标精确定位是实现煤矿日常管理1、资源调度2、安全监控3的重要途径，并可为灾害应急救援提供依据4，建设矿井动目标精确定位系统是提升煤矿智能化建设水平、煤矿安全生产能力和应急保障能力的必然要求5。随着我国加速推动数字化转型、煤矿智能化进程，对矿井动目标定位服务提出了更高要求6。许多学者从动目标定位传输机制、测量方法、信号滤波方法及目标节点解算算法等方面探索矿井动目标精确定位的优化方法，已经取得丰硕成果。胡青松等7-8梳理并分析了典型测距方法、位置计算及优化方法的原理和发展脉络，提出了大数据背景下智能矿山动目标服务模式。孙哲星9基于煤矿井下人员定位的特点，分析了矿井动目标定位技术和测距方法。霍振龙10从定位方法、无线通信技术等方面分析了矿井动目标精确定位技术的要求、研究及应用现状。常琳11提出了基于矿山物联网的动目标定位框架，为矿井动目标定位精度提升提供了新思路。G.P.Hancke 等12从煤矿动目标定位服务场景出发分析了精确定位技术的研究现状和挑战。然而，这些研究未全面分析动目标精确定位服务的特点和技术要求，且缺少主流与新兴定位技术的全面对比，对我国最新产业技术、政策统筹和安全需求下动目标定位的发展趋势分析不全面。针对现有矿井动目标精确定位技术及优化方法研究在综合性能对比，新技术、新方法研究，可持续发展能力提升等方面的不足，本文对现有矿井动目标精确定位技术性能进行了分析，从信号防碰撞方法、误差控制方法、定位精度优化方法、融合定位方法等方面综述了定位优化方法的研究现状，针对其痛点问题展望了未来发展趋势。1矿井动目标定位系统煤矿智能化建设指南中要求矿井动目标系统应当具备人员状态分析、考勤、调度管理、轨迹展示及分析功能13。煤矿应当采用精确定位技术实现井下人、车、移动装备等目标的精确定位和有效管理，以满足井下复杂巷道的全覆盖需求。1.1矿井动目标定位系统特点目前，我国矿井动目标定位系统由定位信标（人员定位卡、车载识别定位卡、采掘装备定位装置等）采集动目标的定位信息，将信息传输至矿用本安型网络交换机，再利用现有骨干网络（工业以太环网、CAN 总线等）传输至地面交换机，如图 1 所示。由于煤矿井下特殊工作环境和日益增长的安全要求，现有矿井动目标定位系统不能完全满足煤矿动目标精确定位需求，面临着如下难题和挑战。1）井下无线信号传输衰减严重。巷道形状、截面大小、壁面粗糙度、围岩介质、导体和阻挡体等会造成信号多径传输、衰减大，且井