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          華夏天信智能物聯(大連)有限公司

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          企業新聞

          礦井精確定位技術現狀及應用

          來源:小編 | 2022-07-04

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          礦井精確定位技術現狀及應用

           華夏天信智能物聯(大連)有限公司


          井工礦開采有一定的危險性,開采需要在井下布置大量的設備、車輛、人員,各種自然或人為因素造成的災害、事故對井下工作人員的人身安全造成了極大的威脅。對井下人員、車輛有效的組織管理,以及事故、災害的救援都需要掌握井下人員、車輛、設備的精確位置數據,井下設備的遠程控制、智能控制更離不開井下設備的實時精確位置數據。精確定位技術已成為礦井安全生產的重要技術支撐,實時精確位置數據已成為智能礦山日常運行的重要基礎。



          井下定位技術概述


          礦井定位按定位機制可分為慣導定位通信式定位。

          慣導定位屬于推算定位方式,即從一個已知位置的出發點,根據連續測得的運動體航向角和加速度推算出當前位置的坐標,可連續測出運動體的當前位置。慣性定位系統使用陀螺儀測量航向和姿態角,使用加速度計測量運動體的加速度,經過對時間的兩次積分可得到位移,結合出發點的坐標即可解算出當前位置的坐標。

          通信式定位是通過已知坐標的多個定位參考點(基站)與同一個被定位目標(定位標識卡)之間建立通信,從而獲得被定位目標與各基站之間的距離,再解算出被定位目標當前的位置坐標,三維定位需要和至少4個以上的基站建立通信,一維定位需要和至少兩個以上的基站建立通信,區域定位(0維定位,也稱為刷卡式定位)則需要和一個基站建立通信。這樣的一組通信只能得到一個被定位目標的一個位置坐標,即一張標識卡的每次定位都需要進行一次以上的通信才能完成。通信式定位分為被動式定位和主動式定位,定位基站不接收被定位目標的信號就進行定位的,為被動式定位;定位基站必須接收被定位目標發射的信號才能完成的定位,為主動式定位。

          慣導定位


          慣導定位只需要知道起點的坐標,不需要其他的外部輸入數據,但每一個被定位目標都需要一個陀螺儀和加速度計,高精度的陀螺儀價格昂貴,對數量不多的重點設備可以使用慣導進行定位,如LASC系統使用軍品級別的光纖陀螺+加速度計對采煤機進行定位,精度可以達到30cm,但價格昂貴。


          通信式定位


          主動通信式定位需要占用基站的時間,一個基站在單位時間內能與多少個標識卡進行通信并完成數據處理、傳輸是主動式定位系統的關鍵技術性能之一。由此定義一個關鍵性技術指標——單定位區域并發量:一個定位區域內在單位時間內能完成定位的最大次數。單位時間的長度根據定位的需要可以取100ms1秒或2秒、5秒等。


          定位區域:能完成一次定位所需要的最少數量的基站共同覆蓋的區域。一維定位時,按定位系統采用的定位方式,能完成一維定位的兩個基站共同覆蓋或一個雙天線基站所覆蓋的區域為一個定位區域;對三維定位,能完成三維定位的至少四個基站共同覆蓋或一個多天線基站所覆蓋的區域為一個定位區域。


          單定位區域并發量分為單定位區域最大并發量單定位區域最大可靠并發量。在單定位區域內每間隔單位時間持續進行定位、被定位目標每次都可被定位,被定位目標的最大數量稱為單定位區域最大可靠并發量,即,單定位區域內可持續進行可靠定位的最大目標數量。該指標對控制系統有重要意義。測試時可采用逐步增加標識卡數量的方法,取其最大值。


          單定位區域內在單位時間內能完成定位的最大次數稱為單定位區域最大并發量。該指標用于衡量單定位區域內定位設備的并發處理能力。測試時可以在單定位區域內放置系統宣稱的單定位區域并發量的1.5倍標識卡連續測試510分鐘,取每次定位數量的最小值。


          單定位區域并發量的高低決定了目標密集區域定位系統的定位可靠度,如副井底、停車場、掘進工作面、綜采工作面等。單定位區域并發量必須注明單位時長,否則沒有意義,如80@1秒鐘,65@2秒鐘。


          被動式通信定位系統沒有單定位區域并發量的限制,如衛星定位、偽衛星定位,因此不需考慮這個指標。



          礦井精確定位技術現狀


          礦井定位要求對井下人、車全覆蓋,重點設備全覆蓋,同一時刻被定位的目標在數百個以上,大型礦井甚至達到數千個。對礦井中數量眾多的被定位目標進行定位,可行的技術是通信式定位,目前井下使用的定位技術按定位精度從低到高依次是RFIDRadio Frequency Identification)、Zigbee和UWB(Ultra-Wideband)技術。


          偽衛星定位因成本太高、工程實施困難,無法在礦井中應用。wifi定位和藍牙定位技術因抗干擾能力差、通信距離短等原因沒有推廣應用。



          井下定位系統
          礦井精確定位技術現狀及應用(圖1)
          一般包括定位標識卡、定位基站、井下配套電源、網絡交換機、服務器/工控機、顯示屏、終端機等硬件設備,布署在服務器/工控機上的用于解算標識卡位置的軟件模塊,基于位置數據的管理軟件模塊(如考勤,巡檢,歷史軌跡,數據上傳等),以及系統管理模塊(如用戶管理,系統配置等)等。



          通信定位技術中獲取標識卡與基站間距離的方法有多種,即定位算法有多種,如:臨近信息法,接收信號強度法RSSI,到達角度法AOA,飛行時間法TOF,到達時間法TOA,到達時間差法TDOA,到達相位差法PDOA等。通信技術與定位算法組合,產生了不同的礦井定位系統。


          一)RFID定位技術


          早期的礦井定位使用RFID技術,在井口、巷道出入口等處設置RFID定位分站,定位標識卡經過定位分站時與分站通信(標識卡接近分站并建立通信,臨近信息法),定位系統據此獲知該標識卡位于這個分站的信號覆蓋范圍內。RFID定位是區域定位,只知道目標在哪一個區域,不知道目標在哪一點。


          二)Zigbee定位技術


          無線信號在空中傳播時信號強度會隨著傳播距離衰減,當無線信號發射功率一定時,根據接收到的無線信號強度可以推算出接收點距離發射點的距離。這是接收信號強度法RSSI測距的基本原理。

          Zigbee是基于IEEE802.15.4協議的短距離、低速率、低功耗的無線通訊技術,組網能力強,使用Sub1G/2.4GHz頻段,且支持接收信號強度檢測。Zigbee技術成熟,器件便宜,應用廣泛,研發門檻低,利用Zigbee技術構建一個通信網絡,通信基站布設在礦井巷道內,在定位目標上設置一個小體積的Zigbee通信機(定位標識卡),標識卡與基站進行通信,基站可獲得標識卡號、接收信號強度等信息,據此系統可解算出標識卡的位置。Zigbee定位系統由此誕生。由于信號強度易受環境、來往人員車輛的影響,基于RSSI測距的定位誤差在幾十米以上。


          電磁波在空氣中的傳播速度恒定,即空氣中光傳播的速度,如測得無線信號在發射端與接收端之間的飛行時間,乘以光速就能得到兩者之間的距離,結合發射端或接收端的位置數據就能解算出另一端的位置坐標。這是飛行時間法TOF測距定位的基本原理。

          Zigbee定位系統使用TOF定位算法,定位標準差≥3米,明顯優于RSSI定位算法,但這樣的定位精度只能獲得粗略的位置數據,無法滿足車輛實時監控、設備實時控制等的要求。


          三)UWB定位技術


          UWB超寬帶技術是基于IEEE802.15.4z協議的通信技術,利用納秒級的窄脈沖傳輸數據,沒有載波,現階段礦井定位使用的頻段為3.1—4.75GHz。UWB技術使用了極窄脈沖通信,可以獲得納秒級的時間精度,且具有較強的抗多徑效應能力,使用飛行時間法TOF的測距誤差≤30cm。


          UWB定位是目前在密閉空間內唯一能達到工業應用的精確定位技術。



          礦井精確定位技術現狀及應用(圖2) 

          UWB術測量飛行時間示意圖

          距離L=ToF*C




          礦井精確定位技術應用


          一)定位精度


          一個定位系統的定位精度決定了其應用范圍,定位精度是通過實際測量獲得的,實測樣本的標準差和均值表征了定位系統多次測量值的分布集中度以及與實際位置的偏離度,即定位的精確度(Precision)和準確度(Accuracy)。與實際位置的偏離可以通過系統校準消除,因此,多次測量值的集中度就反映了一個定位系統的定位精確程度,定位精度與可信度密切相關。如UWB定位使用DW1000芯片,廠家給出的是最大測距誤差±30cm,即在直視條件下,在定位基站與目標的連線上、以目標實際位置為中心±30cm的線段,用UWB技術測量得到的目標位置落在這個線段內可信度或概率為100%。



                      礦井精確定位技術現狀及應用(圖3) 

          多次測量值的分布以及與實際位置的偏離


          前面所說的定位精度指的是靜態定位精度,即目標靜止不動,對于運動目標,動態定位精度才有意義。靜態定位精度主要取決于定位技術以及定位系統的設計、安裝,動態定位精度則取決于定位技術本身、定位系統設計、定位時間間隔和目標運動速度。


          由于兩次定位之間有時間間隔,該間隔會對持續運動的目標定位造成誤差。


          如下圖,假設在T1和T2時刻連續進行兩次定位,每次對車輛定位之后都將車輛的位置顯示在系統界面上,T1和T2的時間間隔為ΔT=T2-T1,車輛運動速度為V。



          礦井精確定位技術現狀及應用(圖4) 

          從上圖可以看出,在定位間隔(定位巡檢周期)為ΔT、運動速度V時,由于目標持續運動造成的最大定位誤差L=ΔT*V,一維定位的總定位誤差=測距誤差+ΔT*V。巡檢周期越長、目標運動越快,動態定位誤差越大。這對定位系統的定位巡檢周期(定位頻率=1/定位巡檢周期)提出了新的要求。


          二)井下應用及對精確定位系統的技術要求


          精確位置數據作為基礎數據在礦山開采中應用越來越廣,越來越重要,井下精確定位系統的應用領域也越來越廣。以下只討論精確位置數據的應用及其要求,不涉及其他應用,如通信、報警、聯動等。


          1. 人員管理系統


          人員管理系統的特點是定位目標數量多,目標移動速度慢,要求定位系統的并發量大,巡檢周期可選擇2秒或以上;軌跡、巡檢、禁區、車上乘員等要求定位精度高、定位可靠,軌跡不能飄、不能缺失數據;對網絡時延不敏感,井下工業環網基本能滿足數據傳輸要求。


          2. 車輛及交通管理系統


          車輛及交通管理系統的特點是目標移動速度快,定位目標數量中等,要求定位巡檢周期短,定位巡檢周期為1秒鐘時,目標時速40km/h時的動態誤差已經達到11米以上,對限速監測有影響;對單基站并發量有要求;紅綠燈等交通管理設備采用現場控制時,井下工業環網也基本能滿足數據傳輸要求。


          礦井精確定位技術現狀及應用(圖5) 

          3. 井下物流管理系統


          井下物資需求量大,隨著精細化管理的推進,井下物流、物料管理是挖掘管理效益的重要領域。井下物流管理系統的特點是動目標數量中等,靜目標多,動靜目標結合,除定位數據外還有業務數據,且業務數據持續不斷,定位設備移動供電要求高,對定位系統的定位巡檢周期、單區域并發量、系統可靠性有要求,井下工業環網基本能滿足定位數據傳輸要求,但需要與4G/5G、wifi等通信網絡結合以獲取業務數據上下行通道。


          4. 井下接近監測、遠程/無人車輛駕駛/掘進/綜采系統


          前三項應用都是以監管為目標,對網絡時延不敏感,對定位精度、巡檢周期、可靠性要求不高,定位系統的技術性能低一些也能接受,即使是用Zigbee技術也不容易發現。井下接近監測、遠程/無人車輛駕駛/掘進/綜采系統則以控制為目標,對網絡傳輸時延、定位精度、巡檢周期、可靠性都很敏感,井下工業環網已不能保證數據的可靠傳輸,重點設備的定位精度要達到10cm甚至更高,設備的定位巡檢周期要求在500ms甚至更短,還需滿足單區域并發量的要求,對精確定位系統有了更高的要求。


          KJ1786J精確定位系統面向井下智能控制的要求在定位精度、巡檢周期、單區域并發量、系統時延、可靠性方面做了針對性提升,已能滿足井下遠程控制的技術要求。


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