吳 畏 劉世森

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶市九龍坡區(qū)，400039）

基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)研究

吳 畏 劉世森

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶市九龍坡區(qū)，400039）

針對(duì)基于RFID技術(shù)的人員定位系統(tǒng)定位精度偏低的狀況，介紹了一種基于TOA技術(shù)的精確人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下人員的精確定位，定位精度誤差不超過(guò)5m，定位距離大于150m，并能實(shí)時(shí)跟蹤井下人員的移動(dòng)軌跡。

到達(dá)時(shí)間 精確人員定位 定位精度 定位距離

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)煤礦安全的日益重視，基于有源RFID技術(shù)的人員定位系統(tǒng)在煤礦得到了相應(yīng)的推廣應(yīng)用，但是這些產(chǎn)品的定位精度較低，不能完全滿足煤礦對(duì)井下定位的需求。因此，研制一種具有較高定位精度的井下人員定位系統(tǒng)十分迫切。本文采用信號(hào)傳輸?shù)竭_(dá)時(shí)間（TOA）的測(cè)距模式，設(shè)計(jì)了一套定位誤差最大不超過(guò)5m，定位距離大于150m的煤礦井下精確定位系統(tǒng)。

1 到達(dá)時(shí)間（TOA）定位技術(shù)研究

基于TOA技術(shù)的煤礦井下精確人員定位系統(tǒng)定位技術(shù)包括兩次對(duì)稱測(cè)距和一次距離修正，TOA定位測(cè)距原理示意圖如圖1所示。

1.1 第一次測(cè)距

第一次測(cè)距的具體步驟為：

（1）節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)包；

（2）節(jié)點(diǎn)1接收節(jié)點(diǎn)2的硬件自動(dòng)應(yīng)答；

（3）節(jié)點(diǎn)1計(jì)算出從發(fā)出數(shù)據(jù)包到接收應(yīng)答的傳播延遲T1；

（4）節(jié)點(diǎn)2從接收到節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的數(shù)據(jù)包時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并在向節(jié)點(diǎn)1發(fā)出硬件應(yīng)答后停止計(jì)時(shí)，得到節(jié)點(diǎn)2的處理延遲T2。

圖1 TOA定位測(cè)距原理示意圖

1.2 第二次測(cè)距

第二次測(cè)距的具體步驟為：

（1）節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送包含T2有效信息的數(shù)據(jù)包；

（2）節(jié)點(diǎn)2接收節(jié)點(diǎn)1的硬件自動(dòng)應(yīng)答；

（3）節(jié)點(diǎn)2計(jì)算出傳播延遲T3；

（4）節(jié)點(diǎn)1計(jì)算出自己的處理延遲T4；

（5）節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送包含T3有效信息的數(shù)據(jù)包。

1.3 距離計(jì)算

假設(shè)信號(hào)的單次傳輸距離為d，而實(shí)際在整個(gè)測(cè)距過(guò)程中得到的信號(hào)傳輸距離為4d，所以單次測(cè)量距離d計(jì)算由下式得出：

式中：T1——傳輸延時(shí)，ns；

T2——處理延時(shí)，ns；

T3——傳輸延時(shí)，ns；

T4——處理延時(shí)，ns；

C——光速，m/s。

1.4 結(jié)果修正

由于無(wú)線通信可能被外界干擾而出現(xiàn)通信中斷或誤碼狀況，因此在公式（1）中的參數(shù)T2和T3可能出現(xiàn)值為0的情況，導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果出現(xiàn)異常偏差，此時(shí)節(jié)點(diǎn)1需要根據(jù)前面數(shù)次的測(cè)距結(jié)果對(duì)本次測(cè)距結(jié)果進(jìn)行修正，排除異常值。

2 系統(tǒng)組成

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)主要由人員定位分站、讀寫器和精確定位標(biāo)簽組成，系統(tǒng)在井下布網(wǎng)時(shí)將讀卡器放置在需要定位的巷道中，所有讀卡器均連接到分站。分站對(duì)讀卡器采用巡檢的方式，來(lái)獲取各個(gè)讀卡器采集的精確定位標(biāo)簽信息。精確定位標(biāo)簽與讀卡器通過(guò)TOA測(cè)量技術(shù)測(cè)量出兩者之間的距離，并將定位距離通過(guò)讀卡器上傳到分站。精確定位標(biāo)簽若處在信號(hào)盲區(qū)則處于睡眠狀態(tài)，一旦進(jìn)入信號(hào)區(qū)后將自動(dòng)啟動(dòng)工作狀態(tài)。讀卡器將根據(jù)自身存儲(chǔ)情況及分站的信息對(duì)附近的精確定位標(biāo)簽進(jìn)行采集處理，而后傳輸至分站。

2.1 精確定位標(biāo)簽

精確定位標(biāo)簽由精確定位模塊、顯示模塊、CPU小系統(tǒng)和電源模塊構(gòu)成，精確定位標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

精確定位標(biāo)簽通過(guò)精確定位模塊與讀卡器進(jìn)行測(cè)距，并將測(cè)距結(jié)果上傳給分站，各個(gè)分站將采集到的信息上傳到地面監(jiān)控及調(diào)度中心，進(jìn)而實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)測(cè)距信息。

圖2 精確定位標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖

2.2 精確定位讀卡器

精確定位讀卡器主要由精確定位模塊、CPU小系統(tǒng)、電源模塊、存儲(chǔ)模塊和外部顯示模塊組成，精確定位讀卡器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 精確定位讀卡器結(jié)構(gòu)框圖

精確定位讀卡器中的精確定位模塊與精確定位標(biāo)簽完成測(cè)距后，接收精確定位標(biāo)簽上傳的數(shù)據(jù)并記錄到存儲(chǔ)模塊，分站通過(guò)RS485接口獲取讀卡器中所有精確定位標(biāo)簽的測(cè)距信息。

3 測(cè)試與結(jié)果

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)具有測(cè)距精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。為驗(yàn)證該精確定位系統(tǒng)在井下環(huán)境中的實(shí)際效果，在國(guó)家煤礦安全工程研究中心清水溪實(shí)驗(yàn)巷道中搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，并在150m范圍內(nèi)測(cè)試讀卡器對(duì)標(biāo)簽的定位精度數(shù)據(jù)，精確定位標(biāo)簽靜態(tài)定位誤差和精確定位標(biāo)簽移動(dòng)定位誤差如圖4、圖5所示。

圖4展示了讀卡器與精確定位標(biāo)簽在不同距離處的靜態(tài)定位誤差，從該圖可以看出在距離讀卡器150m內(nèi)的靜態(tài)定位誤差均在5m之內(nèi)。

圖4 精確定位標(biāo)簽靜態(tài)定位誤差

圖5展示了精確定位標(biāo)簽以1.5m/s的速度在距離讀卡器0～150m之間的移動(dòng)定位誤差。從該圖可以看出，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的定位出精確定位標(biāo)簽的移動(dòng)軌跡，同時(shí)定位誤差均在10m之內(nèi)。

圖5 精確定位標(biāo)簽移動(dòng)定位誤差

4 結(jié)語(yǔ)

基于TOA技術(shù)的煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握井下人員的準(zhǔn)確位置及活動(dòng)軌跡，地面監(jiān)控及調(diào)度中心能夠根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高了應(yīng)急救援的工作效率和井下礦工的安全系數(shù)。

［1］ 茍怡，郭海軍.精確定位技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（8）

［2］ 史大偉，何繼蘭.煤礦井下人員定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.煤礦機(jī)械，2010（9）

［3］ 徐春妹.基于TOA的無(wú)線定位技術(shù)及應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2007（7）

［4］ 何燕，胡捍英，周山.一種新的TOA無(wú)線定位算法［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2004（1）

［5］ 郭海軍，郭江濤.2.4GHz射頻技術(shù)在煤礦人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007（6）

［6］ 黃緒勇，李國(guó)義，杜鵬等.基于射頻技術(shù)的井礦智能標(biāo)識(shí)卡的設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2010（3）

Accurate person positioning system for coal mine based on TOA technique

Wu Wei，Liu Shisen
（Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation，Jiulongpo，Chongqing 400039，China）

Aimed at low accuracy of personnel positioning system based on RFID technique，aprecise personnel positioning system based on time of arrival（TOA）technique was described.The accuracy error of positioning is less than 5m，and the positioning distance is greater than 150 m，achieving real－time path tracing of underground workers.

time of arrival，accurate personnel positioning，positioning accuracy，positioning distance

TD76

A

吳畏（1979－），男，漢族，重慶人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中煤科工集團(tuán)重慶研究院無(wú)線通信所，主要研究方向?yàn)榫聼o(wú)線通信技術(shù)。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）