胡青松， 錢建生， 李世銀， 孫彥景， 張朕

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 地下空間智能控制教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 徐州市智能安全與應(yīng)急協(xié)同工程研究中心，江蘇 徐州 221116；4.青島松靈電力環(huán)保設(shè)備有限公司，山東 青島 266300)

0 引言

礦山動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)能夠確定人員、機(jī)車、災(zāi)害源等感興趣目標(biāo)的坐標(biāo)位置，進(jìn)而為煤礦智能化建設(shè)提供豐富的基于位置的服務(wù)[1]。當(dāng)前，礦井定位系統(tǒng)一般采用單一定位技術(shù)[2]，如WiFi定位、UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)定位等。單一礦井定位系統(tǒng)完全依賴于定位系統(tǒng)本身，拓?fù)淝逦?，建設(shè)容易，但是難以做到全覆蓋，且精度提高困難。為此，不少學(xué)者提出了組合定位方法，將多種定位技術(shù)組合起來，如將慣性導(dǎo)航與WiFi組合，在沒有WiFi覆蓋的區(qū)域使用慣性導(dǎo)航繼續(xù)提供定位服務(wù)，在有WiFi覆蓋的區(qū)域利用WiFi系統(tǒng)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供校準(zhǔn)服務(wù)，降低慣性導(dǎo)航的累計(jì)誤差。

然而，組合礦井定位系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多困難。被組合對(duì)象是固定的，無法根據(jù)場(chǎng)景和需求變化自適應(yīng)地進(jìn)行最優(yōu)組合。以慣性導(dǎo)航與WiFi組合定位為例，其組合對(duì)象一直是慣性導(dǎo)航和WiFi這2種定位系統(tǒng)，即使應(yīng)用場(chǎng)景中有蜂窩通信系統(tǒng)、ZigBee系統(tǒng)，也無法成為被組合的對(duì)象。另外，仍沒有解決全覆蓋難題，如慣性導(dǎo)航與WiFi組合定位，在沒有這2種設(shè)備的定位場(chǎng)景中無法完成定位工作。

事實(shí)上，礦井中很多資源可被用來進(jìn)行定位或者為定位系統(tǒng)提供輔助，如監(jiān)控?cái)z像機(jī)、超聲波系統(tǒng)，甚至振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、風(fēng)速監(jiān)測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的傳感設(shè)備皆對(duì)提高定位性能大有裨益。此外，隨著無人機(jī)和機(jī)器人在井下普遍應(yīng)用，必然為目標(biāo)定位帶來更多機(jī)會(huì)[3]。將這些可能的手段通過人工智能方法按需組合，有望大幅提升定位系統(tǒng)的覆蓋范圍，為用戶提供精度更高、服務(wù)更優(yōu)的全源定位。本文闡述全源礦井定位的理論構(gòu)想，分析全源礦井定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑，為智能礦山的研究和實(shí)踐提供借鑒和助力。

1 全源礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本節(jié)通過分析單一礦井定位系統(tǒng)的劣勢(shì)，引出全源礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并闡述全源礦井定位的可用傳感設(shè)備、定位屬性值、全源定位服務(wù)器等核心組成部分。

1.1 單一礦井定位系統(tǒng)

目前，幾乎所有礦井定位系統(tǒng)均采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)[2]，主要包括定位標(biāo)簽、定位信標(biāo)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、定位服務(wù)器4個(gè)部分。

圖1 單一礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

定位標(biāo)簽由被定位人員攜帶或安裝在待定位設(shè)備上，其坐標(biāo)未知，是需要定位的目標(biāo)對(duì)象，簡(jiǎn)稱目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。定位信標(biāo)是位置已知的節(jié)點(diǎn)，也稱為定位基站，為定位系統(tǒng)提供參考位置，簡(jiǎn)稱信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或錨節(jié)點(diǎn)。

定位信標(biāo)與定位標(biāo)簽之間采用超寬帶、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、可見光等無線通信方式交互消息，通過測(cè)量RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示)、AOA(Angle of Arrival，到達(dá)角度)、TOA(Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間)、TDOA(Time Difference of Arrival，差分到達(dá)時(shí)間)、PDOA(Phase Difference of Arrival，差分到達(dá)相位)等獲得信標(biāo)與標(biāo)簽之間的距離。

傳輸網(wǎng)絡(luò)將測(cè)得的距離信息傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器，由定位服務(wù)器通過定位算法解出目標(biāo)位置，并將定位結(jié)果傳輸給感興趣的對(duì)象(包括被定位目標(biāo))。傳輸網(wǎng)絡(luò)一般采用礦井原有的工業(yè)以太網(wǎng)。

單一礦井定位系統(tǒng)具有以下劣勢(shì)。

(1)定位信標(biāo)與定位標(biāo)簽之間大多采用單一(如UWB)或組合(如WiFi+捷聯(lián)慣導(dǎo))通信技術(shù)，結(jié)構(gòu)不靈活，覆蓋范圍受限，魯棒性不高，定位精度有限。

(2)通常使用單一(如RSSI)或組合(如TOA+AOA)測(cè)距技術(shù)，無法根據(jù)使用場(chǎng)景的不同自適應(yīng)選擇最優(yōu)測(cè)距技術(shù)。

(3)位置求解算法是固定的，無法根據(jù)使用場(chǎng)景和信號(hào)變化自適應(yīng)選擇最優(yōu)求解算法。

1.2 全源礦井定位系統(tǒng)

全源礦井定位系統(tǒng)利用目標(biāo)場(chǎng)景中所有可用的定位設(shè)備和環(huán)境條件進(jìn)行定位。它綜合了多種定位設(shè)備、多種信號(hào)類型和使用場(chǎng)景特征，能夠自適應(yīng)地從可用的測(cè)距算法、位置解算算法、結(jié)果優(yōu)化算法中選擇最優(yōu)的算法組合，為用戶提供該時(shí)刻、該場(chǎng)景的最優(yōu)定位解決方案，有望從根本上解決單一礦井定位系統(tǒng)的弊端。

全源定位根據(jù)定位環(huán)境、目標(biāo)承載平臺(tái)的變化，智能、自動(dòng)地添加新節(jié)點(diǎn)或移除舊節(jié)點(diǎn)[4]，動(dòng)態(tài)計(jì)算當(dāng)前場(chǎng)景下最優(yōu)的目標(biāo)位置，其結(jié)構(gòu)(圖2)與單一礦井定位系統(tǒng)相比，主要差別有：① 將單一礦井定位系統(tǒng)中的定位信標(biāo)擴(kuò)展為全源定位中的可用定位源。② 定位服務(wù)器的功能從單一礦井定位系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的位置解算與優(yōu)化，擴(kuò)展為全源礦井定位系統(tǒng)中的環(huán)境識(shí)別與最優(yōu)設(shè)備組合、自適應(yīng)融合與最優(yōu)定位、智能煤礦目標(biāo)位置服務(wù)。

圖2 全源礦井定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接下來針對(duì)單一礦井定位系統(tǒng)與全源礦井定位系統(tǒng)的兩大差別分別予以論述，先討論可用定位源。礦井中可用于定位信號(hào)測(cè)量的傳感設(shè)備主要有信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量模塊、角度測(cè)量模塊、時(shí)間測(cè)量模塊、相位測(cè)量模塊、IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量裝置，包含3個(gè)單軸加速度計(jì)和3個(gè)單軸陀螺儀)、加速度計(jì)、陀螺儀、計(jì)步器、計(jì)時(shí)器、氣壓計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、風(fēng)速計(jì)、溫度計(jì)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、聲學(xué)傳感器、紅外傳感器、可見光LED、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、光流計(jì)、視覺里程計(jì)等。這些傳感設(shè)備可固定安裝在巷道中，或以機(jī)車、機(jī)器人、無人機(jī)為承載平臺(tái)，亦可由人員攜帶。

測(cè)量的屬性值包括RSSI、DOA、TOA、TDOA、PDOA、速度、加速度、步數(shù)、氣壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、視覺信號(hào)等。還可利用數(shù)據(jù)庫匹配增強(qiáng)定位能力，數(shù)據(jù)庫信息可包含巷道地圖、設(shè)備安裝位置、標(biāo)定影像、掘進(jìn)進(jìn)尺、割煤刀數(shù)等。

比如文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了一個(gè)用于無人機(jī)的全源定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)集，用到的傳感器包括基本傳感器(IMU模塊、氣壓計(jì)、GPS模塊)、全源探測(cè)傳感器(光流計(jì)、雙目相機(jī)、超聲波傳感器、深度相機(jī)、激光雷達(dá))，以及室內(nèi)真值提供裝置Vicon和室外真值提供裝置RTK(Real-time Kinematic)。數(shù)據(jù)集可用在SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同時(shí)定位與地圖構(gòu)建)、三維模型重建、障礙物躲避和無人機(jī)狀態(tài)估計(jì)4種場(chǎng)景中。

接下來探討單一礦井定位系統(tǒng)和全源礦井定位系統(tǒng)在定位服務(wù)器方面的功能差異。由于全源定位必須具有環(huán)境適應(yīng)能力和按需組合定位源的能力，所以要求全源礦井定位系統(tǒng)具有環(huán)境識(shí)別能力，能夠根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境條件選擇最優(yōu)的定位傳感器組合進(jìn)行定位信息采集[6]，這被稱為環(huán)境識(shí)別與最優(yōu)設(shè)備組合能力。為此，要求全源礦井定位系統(tǒng)具有自適應(yīng)最優(yōu)配置與即插即用能力[7]，可通過設(shè)計(jì)基于多源異構(gòu)信息融合的自適應(yīng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)定位，這被稱為自適應(yīng)融合與最優(yōu)定位能力。為實(shí)現(xiàn)上述功能，需要攻克諸多關(guān)鍵技術(shù)，如定位傳感器在線誤差建模與評(píng)估、定位系統(tǒng)智能容錯(cuò)處理模型、統(tǒng)一的傳感器接口(軟硬件接口)、統(tǒng)一的時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)、定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合與濾波等。

例如，可通過基于因子圖的方法融合不同類型傳感器數(shù)據(jù)[8]，通過將每個(gè)傳感器測(cè)量值編碼為1個(gè)因子[9]，為定位系統(tǒng)提供自適應(yīng)的、可插拔式傳感器融合架構(gòu)。在求解時(shí)，采用基于滑動(dòng)窗口的增量平滑技術(shù)以降低計(jì)算量[10]，先通過短期平滑器估計(jì)滑動(dòng)窗口上的狀態(tài)，再通過長(zhǎng)期平滑器計(jì)算包括環(huán)閉合約束在內(nèi)的整個(gè)非線性問題的最優(yōu)解。

值得注意的是，在進(jìn)行最優(yōu)定位傳感器選擇、最優(yōu)定位信息融合與最優(yōu)位置求解時(shí)，均需從具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行考慮，并不是精度越高越好，因?yàn)楦叩木韧ǔＲ馕吨蟮拇鷥r(jià)。對(duì)于無人采煤、無人駕駛等需求，定位精度通常需要達(dá)到厘米級(jí)；而對(duì)于工作調(diào)度中的人員定位，通常米級(jí)精度即可滿足需求。

2 全源礦井定位關(guān)鍵技術(shù)

全源礦井定位是一種全新的定位模式，有大量關(guān)鍵技術(shù)亟需攻關(guān)，這里僅選擇其中最為關(guān)鍵的3項(xiàng)予以探討。首先，全源定位必須具有統(tǒng)一定位框架，用以整合不同廠家、不同技術(shù)、不同設(shè)備、不同地點(diǎn)的潛在定位設(shè)備，并能按需融入新技術(shù)和新方法，以解決環(huán)境自適應(yīng)的問題。然后，需要解決定位信息的融合處理問題，即如何收集、傳輸和處理位置特征信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合。最后，定位系統(tǒng)本身是與通信系統(tǒng)密切協(xié)同的，全源定位需要考慮通信定位一體化設(shè)計(jì)，借以提高定位性能和降低系統(tǒng)成本。

2.1 統(tǒng)一定位框架技術(shù)

定位系統(tǒng)的位置解算一般有分布式和集中式2種方案。分布式方案依靠通信網(wǎng)絡(luò)，在上層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合處理和定位，圖1和圖2均采用這種方案。集中式方案則依靠定位終端本身進(jìn)行處理，要求定位終端能夠處理多種定位信息源[11]。礦井定位中分布式方案應(yīng)用更為廣泛。

全源定位不但需要考慮當(dāng)前的可用設(shè)備和技術(shù)，還要能夠接入將來可能出現(xiàn)的新設(shè)備和新技術(shù)，因此理想的全源定位框架應(yīng)具有模塊化、組合式、可擴(kuò)充的特征。具有模塊化特征意味著定位系統(tǒng)的組件在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)無需從零開始，而是可以如同搭積木一樣按需構(gòu)建；具有組合式特征意味著定位可以從模塊庫中按需選擇組件，構(gòu)建最適合當(dāng)前場(chǎng)景、當(dāng)前需求的定位系統(tǒng)；具有可擴(kuò)充特征意味著定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是開放的，可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展納入新組件和新功能。

基于模塊化、組合式、可擴(kuò)充的要求，筆者提出了如圖3所示的全源礦井定位框架[12]，其包括定位信號(hào)測(cè)量設(shè)備、距離求解算法庫、位置解算算法庫、融合定位引擎、定位結(jié)果優(yōu)化算法庫、定位數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)位置服務(wù)等可拆卸模塊。

圖3 全源礦井定位框架

定位信號(hào)測(cè)量設(shè)備測(cè)量可用于計(jì)算距離的屬性值。距離求解算法庫包含了主流的距離求解算法[13]，以測(cè)得的距離屬性值為輸入，根據(jù)屬性值類型和特征，選擇合適的1種或多種距離求解算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，將計(jì)算結(jié)果交付給位置解算算法庫。位置解算算法庫選擇合適的位置解算算法，計(jì)算出目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置。

在求解節(jié)點(diǎn)間距離和目標(biāo)位置時(shí)，均需融合定位引擎的支持，它是全源定位框架的關(guān)鍵。融合定位引擎具有工作環(huán)境識(shí)別能力，進(jìn)而從當(dāng)前可用的定位信號(hào)測(cè)量設(shè)備中選擇最優(yōu)設(shè)備組合，組成當(dāng)前的目標(biāo)定位系統(tǒng)。另外，融合定位引擎需要具有全源信息融合能力，既可對(duì)原始測(cè)量屬性值進(jìn)行融合，也可對(duì)基于不同測(cè)量屬性值計(jì)算出的多個(gè)距離信息進(jìn)行融合，或者對(duì)基于不同距離信息求解出的目標(biāo)位置進(jìn)行融合，用以求解出目標(biāo)位置的最優(yōu)解。

在進(jìn)行環(huán)境識(shí)別時(shí)，可借助巷道參數(shù)數(shù)據(jù)(如巷道分叉、拐彎等)、物聯(lián)網(wǎng)終端信息等進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確度。在進(jìn)行位置求解時(shí)，可借助定位數(shù)據(jù)庫(設(shè)備安裝位置、人員排班表、同類目標(biāo)的歷史運(yùn)動(dòng)規(guī)律等)[14]進(jìn)一步提高定位精度。求得目標(biāo)精確位置后，可為礦井無人駕駛、無人采煤、精準(zhǔn)救援等提供智能化的位置服務(wù)[1,15]。

2.2 全源定位信息融合技術(shù)

全源定位信息融合將不同來源的信息統(tǒng)一表達(dá)成便于定位系統(tǒng)使用的信息[16]，它對(duì)測(cè)量屬性值進(jìn)行有機(jī)組織，實(shí)現(xiàn)信息的融合共享，達(dá)到提高定位精度的目的。按照融合層級(jí)的不同，可分為數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合，常見的融合處理算法有加權(quán)平均、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、選舉決策、最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

從融合處理算法中的數(shù)據(jù)流動(dòng)過程看，可將全源定位信息融合分為靜態(tài)融合和動(dòng)態(tài)融合[11]。對(duì)于靜態(tài)融合方法，如果先驗(yàn)概率未知，可采用加權(quán)平均、最小方差等算法；如果先驗(yàn)概率已知，可采用最大似然估計(jì)法。常見的動(dòng)態(tài)融合方法有卡爾曼濾波、擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波、粒子濾波、基于因子圖的方法等。

從數(shù)據(jù)融合是否需要集中式處理看，可將全源定位信息融合分為集中式融合和分布式融合。集中式融合方法具有1個(gè)集中式信息融合中心，各傳感器測(cè)得的原始數(shù)據(jù)被傳輸?shù)饺诤现行倪M(jìn)行融合處理。在線性方差準(zhǔn)則下，集中式融合方法可以得到全局最優(yōu)估計(jì)，但是計(jì)算負(fù)擔(dān)會(huì)隨著傳感器數(shù)量的增多而快速增加，且子系統(tǒng)故障會(huì)對(duì)整個(gè)定位系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。分布式融合方法采用層次性融合策略，信息共享算法是分布式融合的關(guān)鍵，用于分配子系統(tǒng)的信息共享因素，確定各路本地融合結(jié)果在融合中心的置信度水平。分布式融合方法的典型代表是聯(lián)邦卡爾曼濾波[17]，如圖4所示。每個(gè)參與融合的定位信號(hào)測(cè)量設(shè)備均有對(duì)應(yīng)的子濾波器(采用卡爾曼濾波器)，這些子濾波器獨(dú)立完成相關(guān)信息的更新[18]。主濾波器融合各子濾波器的結(jié)果，得到最終的優(yōu)化定位結(jié)果。由于進(jìn)行了本地狀態(tài)估計(jì)，所以大幅降低了融合中心的計(jì)算量，并克服了子系統(tǒng)故障傳遞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

圖4 基于聯(lián)邦卡爾曼濾波的全源定位融合

2.3 通信定位一體化技術(shù)

通過同一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信和定位功能，稱為通信定位一體化。主流的礦井無線通信系統(tǒng)幾乎都具有目標(biāo)定位能力[19]，比如蜂窩通信系統(tǒng)、廣播通信系統(tǒng)、透地通信系統(tǒng)可進(jìn)行廣域定位，WiFi、藍(lán)牙、UWB可實(shí)現(xiàn)局域定位。然而，廣域通信系統(tǒng)并未針對(duì)定位進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，定位性能不高；局域通信系統(tǒng)雖然也未針對(duì)定位進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，但是得益于其信源密度高、信號(hào)作用距離短、部署靈活等優(yōu)勢(shì)，往往具有更優(yōu)的定位精度。隨著位置服務(wù)的作用越來越大，5G、藍(lán)牙5.0從設(shè)計(jì)之初就考慮了高精度定位問題，定位精度有了大幅提升。

通信定位一體化通常有2種實(shí)現(xiàn)方式：① 信號(hào)層面一體化，即在設(shè)計(jì)通信信號(hào)體制時(shí)就考慮了定位能力，實(shí)現(xiàn)了通信與定位的緊耦合，比如4G、5G、藍(lán)牙5.1等。② 算法層面一體化，即通信系統(tǒng)并未針對(duì)定位進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，只能通過上層算法提供定位能力，實(shí)現(xiàn)了通信與定位的松耦合，比如WiFi，2G，3G等。

目前，5G已成為智能煤礦建設(shè)的首選無線通信系統(tǒng)，它是一種典型的緊耦合式通信定位一體化技術(shù)，其大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output，多輸入多輸出)、超高頻段、自適應(yīng)波束成型等技術(shù)都對(duì)提高定位精度大有裨益。與4G相比，5G在定位方面具有如下優(yōu)勢(shì)：① 定位參考信號(hào)進(jìn)一步改進(jìn)，信號(hào)測(cè)距能力大幅提升。② 定位參考信號(hào)在comb-6資源映射模式基礎(chǔ)上，增加了comb-2和comb-4，定位參考信號(hào)的配置靈活性進(jìn)一步提升。③ 增加了定位參考信號(hào)的周期配置，可采用連續(xù)播發(fā)的模式播發(fā)定位參考信號(hào)，從而提高定位性能。④ 定位參考信號(hào)具有MIMO下的波束管理功能，使得5G具備測(cè)角能力。

在2019年召開的3GPP RAN1 #94b會(huì)議中，明確了室內(nèi)外水平定位精度分別為3，10 m(80%)，垂直定位精度為3 m(80%)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與車聯(lián)網(wǎng)對(duì)5G的定位要求更為嚴(yán)格，分別為0.2,0.1 m。在4G的E-CID(Enhanced Cell-ID，增強(qiáng)小區(qū)識(shí)別)、OTDOA(Observed Time Difference of Arrival，觀察到達(dá)時(shí)間差)和UTDOA(Uplink Time Difference of Arrival，上行到達(dá)時(shí)間差)基礎(chǔ)上[20]，5G基站借助網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和多波束優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步支持Multi-RTT(Multi-Round-Trip Time，多站往返時(shí)間)、UL-AOA(Up Link-Angle of Arrival，上行-到達(dá)角度)和DL-AOD(Down Link-Time of Arrival，下行-到達(dá)時(shí)間)等定位技術(shù)。

考慮到礦井中的UWB、藍(lán)牙、WiFi等定位系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟，可將5G技術(shù)與它們?nèi)诤希赃M(jìn)一步提高定位性能。當(dāng)前各種定位系統(tǒng)與5G的融合方案及其優(yōu)缺點(diǎn)見表1[21]，其中5G NR(New Radio，新空口)是一種構(gòu)建在OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用)基礎(chǔ)上的全新空口方案。

3 智能煤礦全源定位實(shí)現(xiàn)途徑

智能煤礦建設(shè)是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的內(nèi)在需求，是保障國(guó)家能源安全穩(wěn)定的重要舉措。以國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[22]為標(biāo)志，“推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，提升煤礦智能化水平，促進(jìn)我國(guó)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”已成為全社會(huì)共識(shí)。由于智能煤礦建設(shè)目前普遍采用“端-邊-云”模式，本文提出基于“端-邊-云”的全源礦井定位系統(tǒng)實(shí)施架構(gòu)(圖5)，以便與煤礦智能化進(jìn)程相適應(yīng)。

圖5 基于“端-邊-云”的全源礦井定位系統(tǒng)實(shí)施架構(gòu)

“端”即定位信號(hào)測(cè)量設(shè)備，這里將5G網(wǎng)絡(luò)也作為定位系統(tǒng)“端”的一部分，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)在提供大容量、高帶寬、低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的同時(shí)，也能夠提供逼近UWB的定位精度，所以基于“網(wǎng)絡(luò)即設(shè)備”和“網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)”的思想，在有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的巷道區(qū)域，借用5G網(wǎng)絡(luò)測(cè)量定位信息是智能煤礦時(shí)代全源定位的應(yīng)有之義。比如，工作面已成為多數(shù)煤礦示范建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)和智能化應(yīng)用的首選場(chǎng)景，可在工作面實(shí)現(xiàn)以5G、捷聯(lián)慣導(dǎo)、視頻監(jiān)控等技術(shù)為基礎(chǔ)的全源定位，為少人/無人開采提供支撐。

“邊”是部署在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近、就近處理定位信息的邊緣服務(wù)器[23]。比如，可在每個(gè)綜采工作面和綜掘工作面分別部署1臺(tái)邊緣定位服務(wù)器，用以完成以下功能。

(1)識(shí)別待定位節(jié)點(diǎn)的工作場(chǎng)景。主要手段有基于監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻的場(chǎng)景識(shí)別、基于礦井巷道高精地圖的場(chǎng)景適配、基于屬性數(shù)據(jù)庫的輔助識(shí)別與適配。

(2)根據(jù)工作場(chǎng)景進(jìn)行定位設(shè)備的最優(yōu)組合。首先，確定當(dāng)前場(chǎng)景有哪些可用定位設(shè)備；然后，根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)景的性質(zhì)和用戶的需求，確定合適的精度等級(jí)；最后，從可用定位設(shè)備中選擇能夠滿足用戶精度需求的設(shè)備組合。

(3)進(jìn)行測(cè)量屬性預(yù)融合并得到初步定位結(jié)果。主要操作包括：① 利用卡爾曼濾波等工具濾除數(shù)據(jù)噪聲。② 利用去噪后的數(shù)據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間距離，這些距離絕大多數(shù)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，如果用到D2D(Device to Device，設(shè)備到設(shè)備)協(xié)同定位策略，還包括移動(dòng)終端與移動(dòng)終端之間的距離。③ 根據(jù)得到的距離計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置，作為初步定位結(jié)果。若該結(jié)果滿足應(yīng)用需求，直接使用該結(jié)果，否則將定位初值和濾波后數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器做進(jìn)一步增強(qiáng)處理。

“云”是用于對(duì)礦井目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)定位并提供基于位置的智能服務(wù)的中心平臺(tái)[24]。全源定位云服務(wù)系統(tǒng)至少需具有以下功能：

(1)在邊緣定位服務(wù)器的基礎(chǔ)上求解移動(dòng)目標(biāo)的精確位置。主要手段有基于定位數(shù)據(jù)的位置初值增強(qiáng)、基于高精地圖的位置初值增強(qiáng)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的位置初值增強(qiáng)。前2種手段主要依賴于場(chǎng)景匹配，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的手段利用人工智能領(lǐng)域的最新成果[25]，通過深度學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)等方法提高定位精度。

(2)為全源定位系統(tǒng)和智能煤礦集控平臺(tái)提供基礎(chǔ)位置支撐。主要包括：增量高精地圖繪制，即根據(jù)當(dāng)前的定位結(jié)果，不斷擴(kuò)充、修正礦井高精地圖；及時(shí)更新用于支持全源定位的屬性數(shù)據(jù)，確保邊緣服務(wù)器和云服務(wù)器的可靠工作；對(duì)全礦信息進(jìn)行時(shí)空校準(zhǔn)，保證時(shí)間同步和空間統(tǒng)一。

(3)提供基于精確位置和基礎(chǔ)服務(wù)的全礦智能位置服務(wù)，具體可參考文獻(xiàn)[1]。

4 結(jié)論

(1)單一礦井定位系統(tǒng)的定位信標(biāo)與定位標(biāo)簽之間采用單一通信技術(shù)和單一測(cè)距技術(shù)，其位置解算算法在系統(tǒng)建設(shè)好之后固定不變。組合礦井定位系統(tǒng)雖可采用2種或多種定位技術(shù)，但是被組合對(duì)象和位置求解算法依然固定不變。

(2)礦井中除了已建設(shè)好的專用定位系統(tǒng)之外，還有很多可用于定位的資源，如監(jiān)控?cái)z像機(jī)、超聲波系統(tǒng)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器、可見光LED等。全源礦井定位將這些可能手段按需組合，有望大幅提升礦井定位系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)充性、覆蓋范圍和定位精度。

(3)全源礦井定位亟需解決場(chǎng)景識(shí)別、組合式統(tǒng)一定位框架、全源定位信息融合和通信定位一體化等技術(shù)難題，采用與智能煤礦主流建設(shè)模式相適應(yīng)的“端-邊-云”建設(shè)方式，充分借助礦用5G等最新建設(shè)成果，推進(jìn)全源礦井定位落地實(shí)施，助力智能煤礦建設(shè)。