煤矿井下定位系统是一种基于先进的无线通信技术和定位算法，用于实时监控和精确定位矿井下人员、车辆和设备的系统。该系统在保障煤矿安全生产中起着至关重要的作用。
一、 煤矿井下定位系统简介
1. 系统构成
煤矿井下定位系统一般由定位标签、定位基站及解算软件构成。具体设备包括主机、传输接口、传输分站、读卡器、识别卡、电源箱、电缆、接线盒、避雷器等。中心控制计算机系统则由数据采集服务器、数据库服务器、数据通信接口和打印机等设备组成。
2. 技术原理
目前，煤矿井下定位系统主要采用UWB(超宽带)技术，这种技术能够实现厘米级的高精度定位(10~30厘米)。UWB技术通过在矿井内部署一定数量的定位基站，并让矿工佩戴定位标签，基站不间断地采集标签回传的时空坐标数据，从而实现室内空间的实时精确定位和监控。
3. 功能特点
- 人员定位及管理：系统可以实时监测矿井人员的位置，进行定位管理、考勤管理、限员管理、命令调度及灾后搜救等功能。
- 车辆定位及调度：井下车辆的精确定位、实时监控、红绿灯智能感应控制、自动闭锁、区间测速等功能。
- 轨迹回放：结合GIS地图，生动形象地呈现井下人员的实时位置与轨迹回放。
- 电子围栏与报警：系统可以设置电子围栏，对异常状态进行告警，并及时上传下发相关告警信息。
- 大数据处理：通过高精度定位技术和大数据处理，实现对煤矿人员、设备的全面监控和管理。
4. 应用场景
煤矿井下定位系统不仅适用于煤矿，还可以应用于非煤矿山、隧道等区域，用于实时监控人员、车辆、生产设备的数量、所在位置、时间、移动路线等相关信息。
5. 发展趋势
随着技术的进步，煤矿井下定位系统也在不断发展。例如，结合5G和惯导技术的新型定位系统，可以在设备算力与存储资源不足的情况下，仍保持高精度的定位和即时传输响应性能。
煤矿井下定位系统通过高精度的定位技术和智能化的管理功能，极大地提高了煤矿的安全管理水平，保障了矿工的生命安全。
二、 煤矿井下定位系统的最新技术进展是什么?
煤矿井下定位系统的最新技术进展主要集中在以下几个方面：
- 超宽带(UWB)技术：最新的煤矿井下人员精确定位系统采用了UWB技术，结合TDOA算法，实现了静态定位精度不大于0.3米，并可以对井下定位目标进行动态跟踪。这种技术在无遮挡的情况下能够提供高精度的定位服务。
- 融合定位技术：一些系统采用了UWB和Zigbee的融合定位技术，通过在巷道、固定场所等位置部署定位基站和人员佩戴标签的方式，实现对人员的实时高精度定位。这种融合技术结合了两种技术的优势，提高了定位的准确性和可靠性。
- 无线通信技术的应用：基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决了井下人员定位考勤的问题，实现了精确定位和考勤功能。此外，WiFi6无线网络综合基站也被广泛应用于矿井中，进一步提升了定位系统的覆盖范围和稳定性。
- GIS地图集成：最新的煤矿井下定位系统逐渐朝着GIS信息显示趋势发展，结合GIS地图可以更直观地展示定位目标的位置，提升系统的实用性和操作性。
- 系统升级与改进：一些煤矿已经完成了人员定位系统的升级改造，改善了原有系统存在的范围偏大、定位精度偏低、信号抗干扰能力较弱等问题，提升了系统的稳定性和可靠性。
三、 UWB技术在煤矿井下定位系统中的应用案例有哪些?
UWB技术在煤矿井下定位系统中的应用案例主要包括以下几个方面：
- 人员定位：通过UWB技术，煤矿井下定位系统能够实时、精确地掌握入井人员的动态分布及安全管理需求。该系统可以实现考勤管理，并在矿井突发性事故时快速进行救护工作。
- 无人驾驶及辅助运输：基于5G网络与UWB精确定位技术，上湾煤矿实现了5G+UWB信号全覆盖，为井下无人驾驶、高清视频传输、综采工作面透明监测、工业控制、机器人智能巡检等应用提供了坚实的技术基础。
- 精确人员定位系统：例如，在姚桥煤矿，基于UWB技术的精确人员定位系统能够实时、精确地把井下工作人员的时空分布信息传递给调度中心，从而提高煤矿安全生产调度效率及安全管理信息化水平。
- 联合定位方法：基于UWB的PDOA(到达角)与TOF(飞行时间)联合定位方法，解决了仅采用TOF定位方法时存在的天线间距大、不便于安装维护、定位误差大等问题，提高了矿井人员和车辆的精确定位能力。
- 高精度定位：EHIGH恒高井下定位系统采用UWB定位技术，最高精度可达到10cm。通过在矿井内部署多个基站进行信号覆盖，当佩戴着定位标签的人员或车辆进入该区域时，定位标签可与定位基站通信，通过TOF定位算法确认标签的位置信息。
四、 如何解决煤矿井下定位系统中数据采集和处理的挑战?
解决煤矿井下定位系统中数据采集和处理的挑战可以从以下几个方面入手：
- 数据采集模型：采用先进的数据采集模型，如基于UWB(超宽带)技术的人员定位系统，可以实现厘米级精度的定位。此外，多传感器融合定位系统也可以通过小型工控机进行数据采集和融合，能够处理车辆位置、速度、姿态角等运动状态数据。
- 通信协议：使用高效的通信协议来确保数据的实时传输和准确性。例如，CAN总线上的智能节点可以将接收到的信息进行传输。
- 数据处理模块：在数据处理层，可以采用多种算法来处理和分类数据。例如，何永平采用二次粒子滤波方法处理原始数据，而罗豪龙则针对基于TDOA(到达时间差)的方法进行研究。此外，还可以使用GNSS导航算法来估计位置和速度。
- 数据存储与显示：中央控制台或监控室接收并处理来自各个定位设备的位置数据，并在监控屏幕上显示出来。这有助于井上人员及时准确地掌握井下人员的分布及其活动轨迹。
- 大数据处理技术：建立数据采集系统，通过自动化工具和算法来处理多样化的数据源。这些工具和算法可以帮助企业从各种渠道中收集数据，并将其转化为可用的格式。
- 图像采集与处理：对于需要目标识别和精确定位的应用，可以通过井下工作人员或移动设备携带的摄像机主动式采集前方环境的图像信息，并进行图像预处理。
五、 煤矿井下定位系统与5G技术的结合使用有哪些实际效果和优势?
煤矿井下定位系统与5G技术的结合使用带来了显著的实际效果和优势，具体如下：
- 高精度实时定位：基于5G技术的室内高精准定位技术，能够实现米级甚至更高精度的定位。这种高精度定位技术解决了传统煤矿井下定位系统精度低的问题，提高了智能应用系统的专业性。
- 数据传输和视频监控：5G技术可以有效解决煤矿生产现场海量数据及视频传输业务的瓶颈问题，确保水、火、瓦斯、顶板信息的精准预测预报，以及煤岩精准预测和探测。此外，5G技术还支持高清视频和传感器数据的实时回传，满足了煤矿智能便捷通信的需求。
- 远程管理和控制：5G技术的应用使得煤矿能够实现远程实时控制、远程协同运维及井下巡检和安防等智能化管理。例如，老石旦煤矿通过5G系统实现了地面和井下5G信号全覆盖，并开发了智能矿灯、全景工作面、AI智能分析系统等多种智能化应用场景。
- 无人值守和自动化：5G技术支持固定岗位无人值守、无人巡检等技术，进一步提升了煤矿的智能化水平。例如，新元煤矿利用5G技术进行了井下智能化改造，融合了4G、光纤环网等已有网络建设，实现了移动基站的引入。
- 设备监测与报警：5G技术还可以用于设备监测与报警系统，及时发现并处理潜在的安全隐患，提高煤矿的安全管理水平。
六、 在非煤矿山或隧道等非煤炭行业煤矿井下定位系统的应用情况如何?
在非煤矿山或隧道等非煤炭行业中，煤矿井下定位系统的应用情况如下：
- 高精度定位技术的应用：四相科技基于厘米级高精度UWB(超宽带)定位技术，打造了金属非金属地下矿山人员定位系统解决方案。该系统通过对接井下各大业务系统，提升矿山安全保障水平，助力矿山安全生产信息化建设。
- 实时定位与监控：非煤矿山的UWB人员定位系统能够实现2D/3D实时显示井上、井下人员位置以及各种报警信息动态，轨迹查找便捷。此外，该系统集成了精确定位、监测监控、安全预警、人员考勤、应急救援等功能，可以对井下作业人员及设备进行实时位置监测，便于日常科学调度和安全管理。
- 法规要求：根据GB 16423-2020《金属非金属矿山安全规程》的要求，中大型地下矿山应建设监控系统，最大班下井超过30人的矿山应建设非煤矿UWB人员定位系统。此外，今年12月底前，单班下井人数50人以上的非煤矿山必须建成井下人员的定位系统和检测监控系统，纳入信息平台。
- 功能多样性：非煤矿山精确人员定位管理系统不仅具有实时定位、轨迹跟踪、电子围栏、人员考勤等功能，还能及时警告闯入、超远超时等情况，充分应对正常生产需求，并在突发事故发生时提高应急响应能力。
非煤矿山或隧道等非煤炭行业中，煤矿井下定位系统的应用已经非常广泛且成熟，主要体现在高精度定位技术的应用、实时定位与监控、法规要求的落实以及功能多样性等方面。
