【摘要】：我國是一個富煤、貧油、少氣的國家,煤炭是我國的主要能源,在未來相當長的時期內(nèi)我國能源仍將以煤炭為主。煤炭行業(yè)是高危行業(yè),瓦斯、水災、火災、頂板、運輸、機電、爆破等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)。為遏制煤礦井下超定員生產(chǎn),避免或減少煤礦重特大事故發(fā)生,國家要求煤礦必須裝備礦井人員定位系統(tǒng)。礦井人員定位系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)、事故應急救援和事故調(diào)查等方面發(fā)揮著重要作用。但由于現(xiàn)有礦井人員定位系統(tǒng)定位精度低,不能二維定位,無法滿足煤礦事故應急救援、運輸和機電事故防治等需求。因此,有必要針對煤礦井下特殊環(huán)境和煤礦安全生產(chǎn)需求,研究礦井人員精確定位和二維精確定位方法,這對促進煤礦安全生產(chǎn)和礦井定位技術發(fā)展具有重要的理論意義和實用價值。分析總結了煤礦井下人員定位特點:覆蓋范圍遠大于地面室內(nèi);定位信號應能非視距傳輸;無線電信號傳輸衰減嚴重,GPS等衛(wèi)星定位信號無法穿透煤層和巖層到達煤礦井下;無線傳輸衰減受巷道分支、彎曲、傾斜、斷面面積和形狀、圍巖介質(zhì)、巷道表面粗糙度、支護、縱向?qū)w(電纜、鐵軌、水管等)、橫向?qū)w(工字鋼支護等)、設備等影響大,無線電傳輸衰減模型復雜多變;必須電氣防爆;環(huán)境惡劣,粉塵大、潮濕、淋水等。研究了煤礦井下超聲波、紅外、激光、無線電波等測距技術。超聲波、紅外、激光技術可用于直線無障礙測距,測距范圍內(nèi)不能有膠輪車、電機車、帶式輸送機、移動變電站等設備和作業(yè)人員等任何阻擋物,巷道彎曲、分支和傾斜等會影響測量精度。因此,超聲波、紅外和激光測距技術,不適用于煤礦井下人員定位。無線電波具有傳輸距離遠、可非視距傳輸、設備成本低等優(yōu)點。采用時間測距等方法,無線電波可以解決或減少煤礦井下巷道分支、彎曲和傾斜,膠輪車、電機車、帶式輸送機、移動變電站等設備和作業(yè)人員等對定位精度的影響,適用于煤礦井下人員定位。研究了煤礦井下RSSI基于無線信號強度測距和AOA基于角度測量的定位方法。RSSI測距定位方法的定位精度受信號發(fā)射功率和接收靈敏度,巷道及其支護,巷道中導體和設備等影響,測距和定位誤差大,不適用于礦井人員精確定位。AOA定位方法只能用于直線無障礙測距,定位精度受巷道彎曲、分支和傾斜,膠輪車、電機車、帶式輸送機、移動變電站和作業(yè)人員等阻擋體影響,特別是定位天線和定位精度受機械振動等影響,不適用于煤礦井下人員定位。研究了煤礦井下TOA基于傳輸時間測距、TWR雙程測距、SDS-TWR雙邊雙程測距、TDOA基于時間差測距等基于信號傳輸時間的測距定位方法,并研究了這些方法的測距定位誤差。TOA、TWR、SDS-TWR和TDOA等基于信號傳輸時間的測距定位方法受巷道環(huán)境等影響小,可用于煤礦井下人員精度定位。TOA測距定位方法要求定位分站和定位卡時鐘同步,并計時精確,定位卡和定位分站成本高,定位分站和定位卡時鐘同步難。TDOA測距定位方法要求定位分站之間時鐘同步,并計時精確,定位分站成本高,定位分站之間時鐘同步難。TWR和SDS-TWR測距定位方法既不需要定位分站與定位卡同步,也不需要定位分站之間同步,更不需要定位卡之間同步,降低了系統(tǒng)復雜度和成本,但測距定位精度受定位分站和定位卡的時鐘計時誤差影響,定位卡和定位分站成本較高,適用于煤礦井下人員精確定位。為提高定位精確,降低定位卡和系統(tǒng)成本,本文提出了異步測時礦井人員精確定位方法:在井下巷道中間隔一定距離安裝定位分站,保證相鄰分站可相互無線通信,定位卡可與兩個鄰近分站同時進行通信。任一定位發(fā)起分站向通信范圍內(nèi)的定位卡和相鄰分站發(fā)送測距信號,相鄰分站收到測距信號后也向定位卡發(fā)送測距信號,定位卡分別向定位發(fā)起分站和相鄰分站回復應答信號。定位發(fā)起分站收到定位卡回復的應答信號后,計算收發(fā)測距信號時間。相鄰分站收到定位卡回復的應答信號后,計算收發(fā)測距信號時間,并將其發(fā)送給定位發(fā)起分站。定位發(fā)起分站根據(jù)本分站和相鄰分站收發(fā)測距信號時間和信號傳輸速度、本分站與相鄰分站之間距離,計算出定位卡距本分站和相鄰分站距離。異步測時法測距僅與分站收發(fā)測距信號時間有關,與信號強度無關,測距定位精度不受信號發(fā)送功率、接收靈敏度和信號傳輸衰減影響。異步測時法與定位卡時鐘無關,大大降低了定位卡復雜度和成本,定位卡成本低;異步測時法既不需要定位分站與定位卡同步,也不需要定位分站之間同步,更不需要定位卡之間同步,降低了定位分站復雜度和成本,分站成本較高。分析和實驗表明,異步測時法主要性能指標優(yōu)于SDS-TWR等其他礦井測距定位方法。為滿足煤礦事故應急救援和機電運輸事故防治對煤礦井下人員二維精確定位的需求,本文提出了煤礦井下人員幾何二維精確定位方法:在井下巷道中,間隔一定距離安裝定位分站,定位分站沿巷道一側布置,并保證定位卡可與兩個鄰近分站同時進行通信。任意定位卡的相鄰兩定位分站采用TWR或SDS-TWR測距定位方法,分別測得兩定位分站與定位卡之間的距離。因兩定位分站之間距離在定位分站安裝時已知,則根據(jù)定位卡與兩定位分站之間的距離和兩定位分站之間的距離,計算出定位卡距定位分站巷道水平徑向距離、定位卡距兩定位分站巷道軸向距離,再根據(jù)兩定位分站位置,計算出定位卡在巷道中水平二維位置。分析和實驗表明,煤礦井下人員幾何二維精確定位方法具有計算量小,定位速度快、定位分站用量少、定位卡和定位分站成本低等優(yōu)點。為抑制時鐘計時誤差、多徑效應、非視距傳播時延等對定位精度影響,提高煤礦井下人員二維定位精度,將卡爾曼濾波用于煤礦井下人員二維精確定位:以定位分站測量到的定位卡到定位分站之間的距離作為卡爾曼濾波中的測量結果,根據(jù)建立的礦工在井下移動數(shù)學模型推算出礦工的位置,并作為卡爾曼濾波中的預測結構,通過對測量結果和預測結果進行合理加權,根據(jù)上一步卡爾曼濾波后的最佳估計值得出當前時刻的最佳估計值,實現(xiàn)煤礦井下人員二位精確定位。分析和實驗表明,卡爾曼濾波用于煤礦井下人員二維精確定位,減小了時鐘計時誤差、多徑效應、非視距傳播時延對定位精度的影響。為進一步抑制時鐘計時誤差、多徑效應、非視距傳播時延等對定位精度影響,實現(xiàn)煤礦井下人員二維精確定位,本文提出了基于曲線成分分析的煤礦井下人員二維精確定位方法:利用曲線成分分析將三維空間簡化為二維平面,在降維的過程中,目標是盡量保持定位卡與定位分站間的距離不變,并通過反復更新最小化代價函數(shù),找到二維平面中的定位卡的坐標。分析和實驗表明,基于曲線成分分析的煤礦井下人員二維精確定位方法可有效抑制定位誤差,提高定位精度,實現(xiàn)二維精確定位。針對煤礦安全生產(chǎn)和事故應急救援對煤礦井下人員精確定位的需求,進行了煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)設計,這包括系統(tǒng)功能需求分析、系統(tǒng)總體設計、定位分站設計、定位卡設計等。煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)主要包括定位分站、定位卡、礦用以太網(wǎng)、定位存儲服務器、地理信息服務器、監(jiān)控終端、遠程監(jiān)控終端等。本文主要創(chuàng)新性工作如下:(1)提出了異步測時礦井人員精確定位方法,不需定位卡與定位分站時鐘同步、定位分站之間時鐘同步和定位卡之間時鐘同步,定位卡時鐘計時誤差對定位精度無影響,分析和實驗表明,其主要性能指標均優(yōu)于SDS-TWR等其他礦井定位方法。(2)提出了煤礦井下人員幾何二維精確定位方法,分析和實驗表明,煤礦井下人員幾何二維精確定位方法具有計算量小,定位速度快、定位分站用量少、定位卡和定位分站成本低等優(yōu)點。(3)提出了基于CCA曲線成分分析的礦井人員二維精確定位方法,分析和實驗表明,基于曲線成分分析的煤礦井下人員二維精確定位方法可有效抑制定位誤差,提高定位精度,實現(xiàn)二維精確定位。(4)將卡爾曼濾波用于煤礦井下人員二維精確定位,分析和實驗表明,卡爾曼濾波用于煤礦井下人員二維精確定位,減小了時鐘計時誤差、多徑效應、非視距傳播時延對定位精度的影響。(5)分析總結了煤礦井下人員定位特點。提出超聲波、紅外和激光測距技術不適用于煤礦井下人員定位,無線電測距方法適用于煤礦井下人員定位。提出RSSI測距定位方法不適用于礦井人員精確定位,AOA定位方法不適用于煤礦井下人員定位,TOA和TDOA測距定位方法可用于礦井人員精確定位,TWR和SDS-TWR定位方法適用于煤礦井下人員精確定位。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD76
【圖文】：

1 引言1 引言題研究意義是我國的主要能源，依據(jù)《煤炭及相關數(shù)據(jù) 2015》，2014 年我國145 × 108 ，占我國化石能源儲量的 93.72%（我國化石能源4 × 108 ），同年，我國的天然氣儲量僅占我國化石能源儲量的 3.6占 2.68%[1]，如圖 1.1 所示。石油天然氣

圖 2.1 超聲波測距原理圖Fig.2.1 Ultrasonic ranging principle12l vt：波測距設備與被測目標的距離（m），波發(fā)射到接收的時間（s），中超聲波的傳播速度（m/s）。超聲波測距是通過測量發(fā)射的超聲波和反射的超聲波之間的相位差，設發(fā)射的超聲方波表達式為1 1 1 0I A sin( t )，其中1I

圖 2.2 超聲波束分布圖Fig.2.2Ultrasonic beam distribution距的光源通常為砷化稼(GaAs)半導體發(fā)范圍的近紅外光，所發(fā)的紅外光受其它只用于設備近距離避障探測。也有采用理的對目標進行監(jiān)測測距，采用紅外成像障礙測距，不適于礦井人員定位。為激光發(fā)射管，所發(fā)的光半徑小、方向光源干擾小。由于很多激光測距設備也采為測量媒介，所以很多文獻也將紅外激

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4 王紅堯;華鋼;田R

本文編號：2775129