矿井人员精确定位系统(包建军)
KJ139矿井人员考勤定位系统简介
KJ139矿井人员考勤定位系统简介矿井巷道纵横绵延万米，造成井下人员作业流动性大，通讯不便，具体人数、具体位置时刻发生变化，地面调度很难知道井下人员的具体分布情况，特别是安检人员、瓦检人员、维护人员和管理人员位置和作业情况，不利于安全监督和动态调度。
对他们的下井时间、行踪也很难考核。
一旦井下发生火灾、水灾、瓦斯、煤尘爆炸等事故，短时间内很难知道事故前人员的位置、事故地点的确切数据，并且制定出切实有效的救灾救援方案，常常因此延误救援的最佳时间而造成无法弥补的损失。
《KJ139矿井人员考勤定位系统》该系统可实现地面对井下人员情况的实时调度和信息沟通，是RFID识别技术在井下应用的重大实现。
一、系统原理：系统原理图RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写。
是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。
射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
KJ139矿井人员考勤定位系统由KGE36本安型识别卡、KJF78隔爆兼本安型考勤定位分站（内含读卡器、通讯接口、本安电源）、KCT13型调制解调器、工控计算机及系统软件组成。
识别卡内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别人或车辆的标识性信息。
应用中将识别卡附着在待识别人员矿灯或车体上，作为待识别人员或车辆的电子标记。
读卡器与识别卡可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由读卡器向卡发送命令，卡根据收到的读卡器的命令，将内存的标识性数据回传给读卡器。
这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
若干个定位分站将各处采集来的人员流动信息通过通讯电缆回传到地面调制解调器，进入计算机网络，由系统管理软件进行数据处理。
三、系统用途：●下井人员的考勤●井下人员定位●瓦检员巡查工作考核●事故人员救援●矿车运行定位与矿车运量统计四、系统指标：系统容量：6万个识别卡传输容量：64个分站传输距离：20公里传输速率：4800bps读卡距离：20--100米可调读卡周期：16秒（5000个卡）分站电源：交流660V、220V、127V任选分站储量：每台最多存10000条记录分站后备电源供电：4小时系统环境：Windows 2000 / SQL Server 2000软件结构：B/S 或C/S五、系统功能：1、系统软件部分●服务器连接设置：主要完成与数据库连接的设置，并保存到ini文件里。
矿井人员精确定位系统(包建军)讲解
SDS-TW-TOA无线测距方法
采用最新IEEE 802.15.4a技术规范定义的高精度无线定位方法：SDS-TW-
TOA(Symmetric-Double-Sides Two-Way Time-Of-Arrival) 对称双边双向到达时间。
上式中，为距离发射点d米处的接受信号强度表达式db.m，为接受功率的参考点；为 该节点的发射功率；为实际的路径损耗指数；为自由空间路径损耗指数，；为0均值 的高斯分布随机变量，标准偏差为，越大，表示模型的不确定性越大。 无线信号的传输损耗模型受环境影响大，尤其在传播模型复杂的煤矿井下，点到点 的传输损耗无法统一建模，往往必须依靠增加锚节点的密度通过全局优化算法来控制 定位误差。
推广应用情况
重庆能投集团松藻矿务局打通一矿正在安装精确人员定位系统。 煤矿井下机车调度的关键技术就是要确定机车的位置、速度和方向，目前主流技术 是用轨道计轴传感器来对采集和判断机车的位置和速度，比如KJ293系统。但计轴传 感器施工困难，故障率高，维护麻烦已经成为机车调度系统的发展难题。如果采用无 线精确定位技术，实现对机车位置、方向和速度的识别和判断，将有望使这一系统的 性能有本质的提高。
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KJ69J兼容方法-发射器
精确定位发射器KGE37D，同时具备区域定位与精确定位功能 。 在区域定位系统的无线覆盖范围内，KGE37D 相当于KGE37B一样，可作为区域定 位发射器使用 。 KGE37D移动到KJF91精确定位无线覆盖范围内，就可以实现精确定位功能 。
煤矿井下人员定位系统性能比较成品(1)
移动通信课业设计学校：西安科技大学学院：通信与信息工程学院专业：通信技术组长：成苗苗煤矿井下人员定位系统性能比较安全生产是煤炭行业永恒的主题，研制新型的煤矿井下人员定位系统是保证井下工作人员安全、实现快速救援的重要手段之一。
现有的煤矿井下人员定位系统属于区间定位的范畴，只能对井下人员的位置进行粗略判断，无法及时获取煤矿井下员工的具体位置和分布情况，这是矿难事故频发而营救效率十分低下的主要原因之一。
因此，建立一套完善的煤矿井下人员安全精确定位系统具有重大的现实意义煤矿安全生产事关人民群众的生命和财产安全，各级政府一贯高度重视煤矿安全生产问题，并采取一系列措施不断加强安全生产工作。
通过不断的努力，近一时期煤矿安全生产状况总体上趋于稳定好转，但由于基础薄弱等种种原因，煤矿安全生产状况仍然不容乐观。
如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题，因此建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行。
随着国家对煤矿安全生产工作的重视程度日益提高，现有煤矿安全生产监控、监测设备技术上的不足和缺陷也逐渐显现出来，已经影响到煤矿安全生产工作的正常开展。
针对这些情况，陆续推出了针对不同用户和安全监管部门的煤矿安全解决方案，同时跟相关设备生产厂家开展深层次的合作，共同开发与之配套的监控软件平台，为煤矿以及其他行业的安全生产保驾护航。
煤矿井下人员定位系统就是其中之一。
煤矿井下人员定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。
当事故发生时，救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。
鉴于这些原因我们在老师的指导下通过各种途径查资料做出了现在最盛行的两种煤矿井下人员定位系统的性能比较。
矿井人员定位系统
❖ 技术原理
直接序列扩频（DSSS）是直接利用具有
高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发
端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的
扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号
还原成原始的信息 。
扩1
11000100110 解11000100110
1
频0
00110010110 扩00110010110
0
在发射信号前引入相应的伪随机扩频码 的过程称为扩频处理；在接收时从信号中移 去扩频码，恢复原始数据的过程称为解扩。
❖ 组成：射频识别系统主要由Tag(标签)、读写 器、天线等组成。
(1) 电子标签( T ag ) : 又称智能标签或称射 频卡;
(2) 读写器( Reader ) : 有时也被称为阅读 器、通讯器或称为读出装置, 用以产生发射无 线电射频信号并通过天线接收由电子标签反 射回的无线电射频信号, 经处理后获取标签数 据信息, 有时还可以写入标签信息的设备, 可
识别的信息，并发送至地面传输接口。
❖ 识别卡 identification card ❖ 由下井人员携带，保存有约定格式的电
子数据，当进入位置监测分站的识别范围时，
系统采用的无线通信技术：
1、射频识别技术 2、2.4G无线通讯技术 3、2.4G直序扩频通讯技术
射频识别技术：
❖ 定义：RFID (射频识别)是20世纪90年代兴 起的一种非接触式的新型自动识别技术, 它利用无线传输方式进行双向数据通信, 进而达到自动识别并交换信息。
❖ RFID 有以下特点: (1)操作简单方便, 可以实现高速移动目标的识别。 (2)无硬件接触, 避免了因机械接触而产生的各种故障, 使 用寿命长。 (3)射频识别卡完全密封, 具有良好的防水、防尘、防污损、 防磁、防静电性能, 适合在井下恶劣环境中工作。 (4)对无线传输的数据都经过随机序列的加密, 并有完善、 保密的通信协议。 (5)通信协议具有防碰撞机制, 可实现同时对多个移动目标 进行识别。 (6)信号的穿透能力强(可穿透墙壁、路面、衣物、人等), 数据传输量小, 抗干扰能力强, 感应灵敏, 易于维护和操作。
矿井人员精确定位系统(包建军)讲解
KJ69J兼容方法-分站与接收器
在需要精确定位的场合，必须安装KJF90分站 KJF90分站可选RS485/CAN/ETHERNET三种通讯方式，兼容KJF80分站 。 在需要精确定位的场合，必须安装KJF91无线接收器。 KJF91上可插两块无线接收板，分别作区域定位覆盖(KGE37B),和精确定位覆盖 (KGE37D)。 KJF90分站可以接KJF80.2和KJF91两种接受头。
推广应用情况
重庆能投集团松藻矿务局打通一矿正在安装精确人员定位系统。 煤矿井下机车调度的关键技术就是要确定机车的位置、速度和方向，目前主流技术 是用轨道计轴传感器来对采集和判断机车的位置和速度，比如KJ293系统。但计轴传 感器施工困难，故障率高，维护麻烦已经成为机车调度系统的发展难题。如果采用无 线精确定位技术，实现对机车位置、方向和速度的识别和判断，将有望使这一系统的 性能有本质的提高。
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KJ69J兼容方法-系统改造
在需要精确定位的地方安装KJF90分站和KJF91接受头 。 增加KGE37D精确定位发射器。 将系统软件从KJ69N版本升级到KJ69J版本 。
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存在问题与改进设想
无线定位技术是一个新的技术领域，SDS-TW-TOA无线测距标准同样是一个前沿 的技术方法，从目前全球范围的发展情况来看，相关技术还没有到达大规模产业化的 阶段。因此存在核心芯片成本较高，对于产品批量生产存在不确定的风险。 SDS-TW-TOA方法从本质上是一种将电磁波传输时间换算为距离的技术。电磁波 每秒的传输速度是300,000KM/S,一个纳秒的误差就是0.3米，因此该产品的设计生产 器件、工艺要求非常高，电子元器件、印制板的微小偏差都将导致产品的实际误差达 不到设计要求。 精确定位系统必须提供实时的位置信息，因此，定位器需要较高的频率不断向定位 服务器发送自身位置的变化，功耗控制是一个技术难题，后续的工作将主要集中于利 用智能电源管理方法，进一步降级功耗，提高实用性能。
基于测距技术的井下动目标精确定位方法
基于测距技术的井下动目标精确定位方法
李正东;张科帆;包建军
【期刊名称】《工矿自动化》
【年(卷),期】2015(041)005
【摘要】针对现有煤矿井下人员定位系统定位精度不高、不能满足精确定位场合需求的问题,提出了一种基于测距技术的井下动目标精确定位方法.该方法利用RSSI 和TOF测距技术计算动目标的精确位置,在因通信障碍导致测距失败时,利用历史数据估计目标的当前位置.实验结果表明,该方法可以有效获取动目标位置,且运算复杂度低,实时性好,可用于井下精确定位等场合.
【总页数】4页(P9-12)
【作者】李正东;张科帆;包建军
【作者单位】天地(常州)自动化股份有限公司,江苏常州 213015;天地(常州)自动化股份有限公司,江苏常州 213015;天地(常州)自动化股份有限公司,江苏常州213015
【正文语种】中文
【中图分类】TD655
【相关文献】
1.基于飞行体间精确测距的动态相对定位方法 [J], 江涛;夏艳;陈卫东
2.多干扰源下煤矿井下移动目标精确定位仿真 [J], 张楠
3.基于UWB TDOA测距的井下动态定位方法 [J], 隋心;杨广松;郝雨时;王长强;徐
爱功
4.基于电磁波及超声波联合测距的井下定位方法 [J], 田子建;李宗伟;刘晓阳;王文清;方柯;石玉凌风
5.基于UWB技术的井下快速移动目标高精度定位系统的设计与实现 [J], 张日明;周欢;龙飞阳
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LoRa精确定位系统井下组网方案设计
- 24 -LoRa精确定位系统井下组网方案设计1.重庆工程职业技术学院，2.重庆城市管理职业学院 唐丽均1，吴畏2摘 要：文章设计了基于LoRa 的矿用精确定位系统井下组网方案。
该系统组网采用以太网+RS485结构进行组网。
实测表明，该组网结构可以准确地跟踪井下人员的移动。
关键词：精确定位；LoRa ；人员远距离电波（Long Range ，LoRa ）是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。
基于LoRa 的定位技术在能够满足矿用定位精度要求条件下，为了扩大系统的覆盖距离，降低系统部署成本，本文提出了基于LoRa 的精确定位系统在煤矿井下的组网方案。
1 精确定位系统井下组网1.1 无线定位方案LoRa 精确定位为无线定位技术，其通过基站与卡的无线通信进行定位，人员标签与基站的距离即为人员标签与基站的距离为以基站为圆心的圆周上，不能准确判断其位置（见图1）。
图1 人员标签与单个基站的定位因煤矿井下的巷道为狭长巷道，巷道宽只有5 m ，而长度多达几十公里，所以，人员可化简为在线上进行移动，其算法也可精简为一维算法[1-3]，及可通过两基站与人员标签的不同距离即可确定人员标签的精确位置和运动方向，如图2所示。
图2 人员标签与两个基站的定位为了准确对人员标签进行定位，人员标签应该与相邻两基站均能进行定位，即相邻两台基站的无线信号应相互重叠覆盖。
1.2 组网方案在进行系统组网时，应遵循安装方案和如下原则：应能融合原网络，如原井下工业以太网，避免重复投资；工作面和掘进面尽量用电缆进行通信，便于维护；传输网络应实时性强，无数据传输堵塞；数据传输延迟较小；兼容性强，需兼容区域定位；尽量多用多路电源，减少系统成本和维护量[4-6]。
系统组网采用以太网+RS485结构。
主干网络采用以太网传输，支干网络采用RS485结构。
有以下几种组网方案。
（1）主干网络：采用分站进行数据传输作用，分站之间可通过VDSL 、网线、光纤进行级联。
科技成果——矿井车辆人员精确定位与管理系统
科技成果——矿井车辆/人员精确定位与管理系统技术开发单位
北京永安信通科技股份有限公司
适用范围
适用于煤矿、非煤矿山、地铁、隧道等领域的人员安全管理及生产管理。
成果简介
（1）提出了基于UWB的矿井复杂环境精确定位整体解决方案，综合远程微分站技术、人车联合定位技术、惯导融合定位技术解决了井下复杂环境无盲区精确定位的问题；
（2）提出了高频时钟同步优化补偿算法，井下单分站最大覆盖半径800米，一/二维定位精度分别达到稳定20cm/30cm；
（3）提出了基于低功耗大容量加权调度QoS技术，开发了低功耗大容量定位分站系统。
可同时支持200个定位目标，人卡续航时间400小时。
应用情况
2016年11月，系统成功在潞安高河能源运行，实现了高河矿井全部巷道内的井下人员的实时定位、跟踪、考勤、运动状态、进入限制区域告警等；提供云端、移动端访问能力，可随时随地掌握井下实时信息，在整体提升井下透明度、生产环境安全度的同时，以精准定位管理为技术手段，进一步推进矿井“三精”管理，实现矿井安全生产精益化、管理流程精细化、效益提升精准化。
也为管理决策提供了
更精准的数据参考，进而提升管理效率。
2018年7月该系统在潞安王庄煤矿部署使用，总覆盖距离达100公里。
同时系统已在余吾、漳村、古城等煤矿部署。
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KGE37D
KGE37D精确定位发射器，定位精度小于3米。 具有中文短信接受功能，短信最大长度为25个汉字，可采用单呼、组呼和广播三种 方式发送，并采用存储转发机制提高收发可靠性。 具有紧急呼叫功能，当危险发生时，携带者可通过按钮向井上发送警报信息。 具备低电量自动报警功能。
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数据管理子系统 通 讯 子 系 统 分站1
考勤管理子系统
ODBC
SQL 2000
SERVER
ODBC
分站2
定位跟踪子系统
…
安全报警子系统
TCP/IP 分站n
救灾辅助子系统
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KJ69J精确定位系统软件
支持实时跟踪的二维矢量图形系统
为了支持精确定位系统必备的实时地理跟踪功能,实现矿井地图的显示、放大、缩小、 平移和导航等，系统在解析AUTODESK公司DWG格式文件的基础上，在非
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RSSI无线定位方法
RSSI是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它依据无线信号的传输损耗模 型计算移动节点与锚节点间的距离，大尺度对数距离传输损耗模型如下式表述：
Pr d A0 10 0 lgd0 10 lgd / d0 X
上式中，为距离发射点d米处的接受信号强度表达式db.m，为接受功率的参考点；为 该节点的发射功率；为实际的路径损耗指数；为自由空间路径损耗指数，；为0均值 的高斯分布随机变量，标准偏差为，越大，表示模型的不确定性越大。 无线信号的传输损耗模型受环境影响大，尤其在传播模型复杂的煤矿井下，点到点 的传输损耗无法统一建模，往往必须依靠增加锚节点的密度通过全局优化算法来控制 定位误差。
节点A 节点B
R1
Tt
Tab
Tdb R2
Tt R3
Tba
Tda
1 SDS TW TOA d AB c (Tab Tba Tdb Tda ) 4
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关键技术实现 – 无线定位
一维单点定位适用于巷道的尽头，人员单侧移动的场合。
法为抢险救援提供关键的信息支持。
精确定位系统能够支持对井下人员和设备的实时跟踪,对移动速度小于5米/秒的节点,
定位平均误差可控制在3米以内，精确定位系统可以记录某一时刻点，井下作业人员
所处的确定位置，为灾后救援提供关键数据。
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小区定位方法
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存在问题与改进设想
无线定位技术是一个新的技术领域，SDS-TW-TOA无线测距标准同样是一个前沿 的技术方法，从目前全球范围的发展情况来看，相关技术还没有到达大规模产业化的
阶段。因此存在核心芯片成本较高，对于产品批量生产存在不确定的风险。
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KJ69J兼容方法-系统改造
在需要精确定位的地方安装KJF90分站和KJF91接受头 。
增加KGE37D精确定位发射器。
将系统软件从KJ69N版本升级到KJ69J版本 。
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KJ69J兼容方法-分站与接收器
在需要精确定位的场合，必须安装KJF90分站
KJF90分站可选RS485/CAN/ETHERNET三种通讯方式，兼容KJF80分站 。
在需要精确定位的场合，必须安装KJF91无线接收器。 KJF91上可插两块无线接收板，分别作区域定位覆盖(KGE37B),和精确定位覆盖 (KGE37D)。 KJF90分站可以接KJF80.2和KJF91两种接受头。
矿井人员精确定位系统
•天 地 ( 常 州 ) 自 动 化 股 份 有 限 公 司 通信研究所: 包建军 2010-12入使用的人员位置监测系统基本只包括对井下人员所在区域范围的查 询与统计，跟据所用技术的不同，区域覆盖半径范围从30到300米。由于不能提供精 确、实时的位置信息，一旦矿井发生紧急事故或灾害，现有的区域人员定位系统将无
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关键技术实现 – 无线定位
双点一维定位适用于长距离双向巷道。
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关键技术实现 – 无线定位
三点二维定位适用于较大的平面工作场合。
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基于ARM7的嵌入式多任务内核。 具有RS485通讯模式，具有多路开关量输入、输出接口。 具备短信发送缓冲、执行以及实时定位计算功能
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KJ69J精确定位系统软件
可伸缩的系统架构
为了实现系统的可伸缩性能，同时提供对二层次传统Client/Server模型以及三层次 Browser/Server模型的支持，系统将整个软件系统从逻辑上重新划分为通讯处理平 台、数据库中心、Web应用服务器、综合处理客户端四个基本构件。根据实际的 应用需求，这四个基本构件可以安装在同一台物理机器上，也可以分别安装在不 同的机器上或进行冗余配置。为了实现不同地域不同人员对系统的联网使用要求， 通过综合处理客户端或通用浏览器就能够实现对系统的多源并发访问。
KJF90精确定位分站
基于ARM7的嵌入式多任务内核。 具有10M/100M以太网络、CAN 2.0B、RS485三种可选通讯模式。 具有多路开关量输入、输出接口。 具备液晶显示与遥控接受功能。
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KJF91精确定位接受器
读卡分站及无线收发器上连接泄露电缆，以线性分布的射频信号实现巷道长距离信 号连续覆盖，在重点及关键区域密集设置定位器，实现准精确定位 。
天一众合KJ133人员定位系统，定位精度± 10米。 定位精度低，可靠性差，定位参照点多，数据量大，系统可维护性差。
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推广应用情况
重庆能投集团松藻矿务局打通一矿正在安装精确人员定位系统。 煤矿井下机车调度的关键技术就是要确定机车的位置、速度和方向，目前主流技术 是用轨道计轴传感器来对采集和判断机车的位置和速度，比如KJ293系统。但计轴传 感器施工困难，故障率高，维护麻烦已经成为机车调度系统的发展难题。如果采用无 线精确定位技术，实现对机车位置、方向和速度的识别和判断，将有望使这一系统的 性能有本质的提高。
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KJ69J兼容方法-发射器
精确定位发射器KGE37D，同时具备区域定位与精确定位功能 。
在区域定位系统的无线覆盖范围内，KGE37D 相当于KGE37B一样，可作为区域定 位发射器使用 。
KGE37D移动到KJF91精确定位无线覆盖范围内，就可以实现精确定位功能 。
SDS-TW-TOA方法从本质上是一种将电磁波传输时间换算为距离的技术。电磁波 每秒的传输速度是300,000KM/S,一个纳秒的误差就是0.3米，因此该产品的设计生产
器件、工艺要求非常高，电子元器件、印制板的微小偏差都将导致产品的实际误差达
不到设计要求。 精确定位系统必须提供实时的位置信息，因此，定位器需要较高的频率不断向定位 服务器发送自身位置的变化，功耗控制是一个技术难题，后续的工作将主要集中于利 用智能电源管理方法，进一步降级功耗，提高实用性能。
秒的动目标，定位精度可达到3米以内。 设计实现了基于DWG的二维矢量图形软件系统，可同时将100个以内井下动目标的
当前位置、状态反映在矿井地图上，实现精确的位置显示和全程跟踪。
通过高效算法、系统架构和数据库系统优化设计，可靠解决了精确定位系统数据量 巨大，实时性强，计算强度高等对系统支撑环境的严酷要求。 设计实现了精确定位系统与现有区域定位系统的兼容融合方案。使用兼容的精确定 位系统将可以降低系统的整体成本，并提高实际可用性。
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SDS-TW-TOA无线测距方法
采用最新IEEE 802.15.4a技术规范定义的高精度无线定位方法：SDS-TWTOA(Symmetric-Double-Sides Two-Way Time-Of-Arrival) 对称双边双向到达时间。
AUTOCAD环境下构建了一个轻量级的GIS平台，为人员与设备精确位置监测提
供地理信息和图形界面支撑 。
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KJ69J系统总结
率先提出了用SDS-TW-TOA无线测距和最小二乘法实现煤矿井下动目标精确定位 的技术方法和软件实现方案。
设计实现了具有精确定位功能的井下无线收发器和定位器，对于移动速度小于5米/