矿井人员精确定位系统(包建军)
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煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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 。
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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
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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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节点A
节点B
R1 Tt
Tab Tdb
R2
Tt
Tba
R3 Tda
d SDSTW TOA AB
1 4
c
•
(Tab
Tba
Tdb
Tda )
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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。
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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。
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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-TW-
TOA(Symmetric-Double-Sides Two-Way Time-Of-Arrival) 对称双边双向到达时间。
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小区定位方法
➢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。
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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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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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。
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谢谢！
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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 2010-12-11
区域定位与精确定位
➢ 目前煤矿投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 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。
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。
数据管理子系统 考勤管理子系统 定位跟踪子系统 安全报警子系统 救灾辅助子系统
通
SQL SERVER
讯
ODBC
2000
ODBC
子
系
统
TCP/IP
分站1 分站2
…
分站n
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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 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/ 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。
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。
百度文库
KJF91精确定位接受器
➢ 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。
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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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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 。
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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
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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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节点A
节点B
R1 Tt
Tab Tdb
R2
Tt
Tba
R3 Tda
d SDSTW TOA AB
1 4
c
•
(Tab
Tba
Tdb
Tda )
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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。
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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。
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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-TW-
TOA(Symmetric-Double-Sides Two-Way Time-Of-Arrival) 对称双边双向到达时间。
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
小区定位方法
➢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。
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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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。
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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。
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谢谢！
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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 2010-12-11
区域定位与精确定位
➢ 目前煤矿投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 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。
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。
数据管理子系统 考勤管理子系统 定位跟踪子系统 安全报警子系统 救灾辅助子系统
通
SQL SERVER
讯
ODBC
2000
ODBC
子
系
统
TCP/IP
分站1 分站2
…
分站n
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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 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 。
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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/ 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。
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。
百度文库
KJF91精确定位接受器
➢ 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。
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司
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。
煤炭科学研究总院常州自动化研究院 天地(常州)自动化股份有限公司