煤矿井下人员精确定位方法研究

发布时间：2020-07-30 05:56

【摘要】：我国是一个富煤、贫油、少气的国家,煤炭是我国的主要能源,在未来相当长的时期内我国能源仍将以煤炭为主。煤炭行业是高危行业,瓦斯、水灾、火灾、顶板、运输、机电、爆破等事故困扰着煤矿安全生产。为遏制煤矿井下超定员生产,避免或减少煤矿重特大事故发生,国家要求煤矿必须装备矿井人员定位系统。矿井人员定位系统在煤矿安全生产、事故应急救援和事故调查等方面发挥着重要作用。但由于现有矿井人员定位系统定位精度低,不能二维定位,无法满足煤矿事故应急救援、运输和机电事故防治等需求。因此,有必要针对煤矿井下特殊环境和煤矿安全生产需求,研究矿井人员精确定位和二维精确定位方法,这对促进煤矿安全生产和矿井定位技术发展具有重要的理论意义和实用价值。分析总结了煤矿井下人员定位特点:覆盖范围远大于地面室内;定位信号应能非视距传输;无线电信号传输衰减严重,GPS等卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达煤矿井下;无线传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面面积和形状、围岩介质、巷道表面粗糙度、支护、纵向导体(电缆、铁轨、水管等)、横向导体(工字钢支护等)、设备等影响大,无线电传输衰减模型复杂多变;必须电气防爆;环境恶劣,粉尘大、潮湿、淋水等。研究了煤矿井下超声波、红外、激光、无线电波等测距技术。超声波、红外、激光技术可用于直线无障碍测距,测距范围内不能有胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等任何阻挡物,巷道弯曲、分支和倾斜等会影响测量精度。因此,超声波、红外和激光测距技术,不适用于煤矿井下人员定位。无线电波具有传输距离远、可非视距传输、设备成本低等优点。采用时间测距等方法,无线电波可以解决或减少煤矿井下巷道分支、弯曲和倾斜,胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等对定位精度的影响,适用于煤矿井下人员定位。研究了煤矿井下RSSI基于无线信号强度测距和AOA基于角度测量的定位方法。RSSI测距定位方法的定位精度受信号发射功率和接收灵敏度,巷道及其支护,巷道中导体和设备等影响,测距和定位误差大,不适用于矿井人员精确定位。AOA定位方法只能用于直线无障碍测距,定位精度受巷道弯曲、分支和倾斜,胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站和作业人员等阻挡体影响,特别是定位天线和定位精度受机械振动等影响,不适用于煤矿井下人员定位。研究了煤矿井下TOA基于传输时间测距、TWR双程测距、SDS-TWR双边双程测距、TDOA基于时间差测距等基于信号传输时间的测距定位方法,并研究了这些方法的测距定位误差。TOA、TWR、SDS-TWR和TDOA等基于信号传输时间的测距定位方法受巷道环境等影响小,可用于煤矿井下人员精度定位。TOA测距定位方法要求定位分站和定位卡时钟同步,并计时精确,定位卡和定位分站成本高,定位分站和定位卡时钟同步难。TDOA测距定位方法要求定位分站之间时钟同步,并计时精确,定位分站成本高,定位分站之间时钟同步难。TWR和SDS-TWR测距定位方法既不需要定位分站与定位卡同步,也不需要定位分站之间同步,更不需要定位卡之间同步,降低了系统复杂度和成本,但测距定位精度受定位分站和定位卡的时钟计时误差影响,定位卡和定位分站成本较高,适用于煤矿井下人员精确定位。为提高定位精确,降低定位卡和系统成本,本文提出了异步测时矿井人员精确定位方法:在井下巷道中间隔一定距离安装定位分站,保证相邻分站可相互无线通信,定位卡可与两个邻近分站同时进行通信。任一定位发起分站向通信范围内的定位卡和相邻分站发送测距信号,相邻分站收到测距信号后也向定位卡发送测距信号,定位卡分别向定位发起分站和相邻分站回复应答信号。定位发起分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间。相邻分站收到定位卡回复的应答信号后,计算收发测距信号时间,并将其发送给定位发起分站。定位发起分站根据本分站和相邻分站收发测距信号时间和信号传输速度、本分站与相邻分站之间距离,计算出定位卡距本分站和相邻分站距离。异步测时法测距仅与分站收发测距信号时间有关,与信号强度无关,测距定位精度不受信号发送功率、接收灵敏度和信号传输衰减影响。异步测时法与定位卡时钟无关,大大降低了定位卡复杂度和成本,定位卡成本低;异步测时法既不需要定位分站与定位卡同步,也不需要定位分站之间同步,更不需要定位卡之间同步,降低了定位分站复杂度和成本,分站成本较高。分析和实验表明,异步测时法主要性能指标优于SDS-TWR等其他矿井测距定位方法。为满足煤矿事故应急救援和机电运输事故防治对煤矿井下人员二维精确定位的需求,本文提出了煤矿井下人员几何二维精确定位方法:在井下巷道中,间隔一定距离安装定位分站,定位分站沿巷道一侧布置,并保证定位卡可与两个邻近分站同时进行通信。任意定位卡的相邻两定位分站采用TWR或SDS-TWR测距定位方法,分别测得两定位分站与定位卡之间的距离。因两定位分站之间距离在定位分站安装时已知,则根据定位卡与两定位分站之间的距离和两定位分站之间的距离,计算出定位卡距定位分站巷道水平径向距离、定位卡距两定位分站巷道轴向距离,再根据两定位分站位置,计算出定位卡在巷道中水平二维位置。分析和实验表明,煤矿井下人员几何二维精确定位方法具有计算量小,定位速度快、定位分站用量少、定位卡和定位分站成本低等优点。为抑制时钟计时误差、多径效应、非视距传播时延等对定位精度影响,提高煤矿井下人员二维定位精度,将卡尔曼滤波用于煤矿井下人员二维精确定位:以定位分站测量到的定位卡到定位分站之间的距离作为卡尔曼滤波中的测量结果,根据建立的矿工在井下移动数学模型推算出矿工的位置,并作为卡尔曼滤波中的预测结构,通过对测量结果和预测结果进行合理加权,根据上一步卡尔曼滤波后的最佳估计值得出当前时刻的最佳估计值,实现煤矿井下人员二位精确定位。分析和实验表明,卡尔曼滤波用于煤矿井下人员二维精确定位,减小了时钟计时误差、多径效应、非视距传播时延对定位精度的影响。为进一步抑制时钟计时误差、多径效应、非视距传播时延等对定位精度影响,实现煤矿井下人员二维精确定位,本文提出了基于曲线成分分析的煤矿井下人员二维精确定位方法:利用曲线成分分析将三维空间简化为二维平面,在降维的过程中,目标是尽量保持定位卡与定位分站间的距离不变,并通过反复更新最小化代价函数,找到二维平面中的定位卡的坐标。分析和实验表明,基于曲线成分分析的煤矿井下人员二维精确定位方法可有效抑制定位误差,提高定位精度,实现二维精确定位。针对煤矿安全生产和事故应急救援对煤矿井下人员精确定位的需求,进行了煤矿井下人员精确定位系统设计,这包括系统功能需求分析、系统总体设计、定位分站设计、定位卡设计等。煤矿井下人员精确定位系统主要包括定位分站、定位卡、矿用以太网、定位存储服务器、地理信息服务器、监控终端、远程监控终端等。本文主要创新性工作如下:(1)提出了异步测时矿井人员精确定位方法,不需定位卡与定位分站时钟同步、定位分站之间时钟同步和定位卡之间时钟同步,定位卡时钟计时误差对定位精度无影响,分析和实验表明,其主要性能指标均优于SDS-TWR等其他矿井定位方法。(2)提出了煤矿井下人员几何二维精确定位方法,分析和实验表明,煤矿井下人员几何二维精确定位方法具有计算量小,定位速度快、定位分站用量少、定位卡和定位分站成本低等优点。(3)提出了基于CCA曲线成分分析的矿井人员二维精确定位方法,分析和实验表明,基于曲线成分分析的煤矿井下人员二维精确定位方法可有效抑制定位误差,提高定位精度,实现二维精确定位。(4)将卡尔曼滤波用于煤矿井下人员二维精确定位,分析和实验表明,卡尔曼滤波用于煤矿井下人员二维精确定位,减小了时钟计时误差、多径效应、非视距传播时延对定位精度的影响。(5)分析总结了煤矿井下人员定位特点。提出超声波、红外和激光测距技术不适用于煤矿井下人员定位,无线电测距方法适用于煤矿井下人员定位。提出RSSI测距定位方法不适用于矿井人员精确定位,AOA定位方法不适用于煤矿井下人员定位,TOA和TDOA测距定位方法可用于矿井人员精确定位,TWR和SDS-TWR定位方法适用于煤矿井下人员精确定位。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD76
【图文】：

化石能源,储量,占比,引言

1 引言1 引言题研究意义是我国的主要能源，依据《煤炭及相关数据 2015》，2014 年我国145 × 108 ，占我国化石能源储量的 93.72%（我国化石能源4 × 108 ），同年，我国的天然气储量仅占我国化石能源储量的 3.6占 2.68%[1]，如图 1.1 所示。石油天然气

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图 2.1 超声波测距原理图Fig.2.1 Ultrasonic ranging principle12l vt：波测距设备与被测目标的距离（m），波发射到接收的时间（s），中超声波的传播速度（m/s）。超声波测距是通过测量发射的超声波和反射的超声波之间的相位差，设发射的超声方波表达式为1 1 1 0I A sin( t )，其中1I

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