0.   引言

煤矿井下人员位置监测系统是国家要求装备的矿山安全避险“六大系统”之一^[1]，在煤矿安全生产、事故应急救援和事故调查中发挥着重要作用。《煤矿安全规程》^[2-5]（2016年版）第四百八十七条规定，所有煤矿必须装备人员位置监测系统。2007年3月30日，国家安全生产监督管理总局发布了AQ 6210−2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》^[6]和AQ 1048−2007《煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》^[7]，全国井工煤矿装备了煤矿井下作业人员管理系统。2023年2月21日，中华人民共和国应急管理部发布了AQ 1119−2023《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》^[8]。2023年4月10日，国家矿山安全监察局发布了MT/T 1198−2023《煤矿井下人员位置监测系统使用与管理规范》^[9]，要求所有煤矿应装备煤矿井下人员位置监测系统，新建和改扩建矿井、中型及以上矿井、智能化建设矿井、高瓦斯矿井、煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出矿井、水文地质类型复杂极复杂矿井、冲击地压矿井应装备煤矿井下人员定位系统。

1.   煤矿井下人员位置监测系统

煤矿井下人员位置监测系统主要用于监测煤矿井下人员位置，具有井下人员位置监测及异常报警功能^[10-12]。煤矿井下人员位置监测系统包括煤矿井下作业人员管理系统、矿井人员定位系统和矿井人员精确定位系统。

1.1   煤矿井下作业人员管理系统

煤矿井下作业人员管理系统是最早的煤矿井下人员位置监测系统，主要采用RFID技术，可以测得识别卡所处的位置监测分站无线覆盖区域，但不能测定识别卡距位置监测分站的距离。因此，煤矿井下作业人员管理系统不能对携卡人员定位，但可以测得携卡人员所处位置监测分站无线覆盖区域，即区域定位。煤矿井下作业人员管理系统具有下列功能：① 携卡人员出/入井时刻、工作时间、井下人员数量等监测，超定员和超时报警等；② 携卡人员出/入采煤工作面、掘进工作面等重点区域时刻、工作时间、人员数量等监测，超定员和超时报警等；③ 携卡人员出/入盲巷、采空区等限制区域时刻、滞留时间、人员数量等监测和报警等；④ 井下人员活动路线等监测和报警等；⑤ 特种作业人员管理、干部下井管理、入井考勤、持证上岗管理等。

1.2   矿井人员定位系统和矿井人员精确定位系统

矿井人员定位系统和矿井人员精确定位系统能够测定定位卡距定位分站的距离，根据定位分站位置和定位卡距定位分站的距离，测算出携卡人员在煤矿井下的位置。矿井人员定位系统一般采用ZigBee技术，定位误差不大于3 m。矿井人员精确定位系统采用UWB技术，定位误差不大于0.3 m。矿井人员定位系统和矿井人员精确定位系统具有下列功能：① 携卡人员出/入井时刻、工作时间、井下人员数量等监测，超定员和超时报警等；② 携卡人员出/入采煤工作面、掘进工作面等重点区域时刻、工作时间、人员数量等监测，超定员和超时报警等；③ 携卡人员出/入盲巷、采空区等限制区域时刻、滞留时间、人员数量等监测和报警等；④ 携卡人员出/入井下爆破物品库、变电所、水泵房等需持证或批准后方可进入的准入区域时刻、工作时间、人员数量等监测，未经许可进入和超时报警等；⑤ 携卡人员临近采空区、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域等起/止时刻、滞留时间、人员数量等监测和报警；⑥ 超层越界盗采起/止时刻、滞留时间、人员数量等监测和报警；⑦ 遇险遇难人员定位；⑧ 放炮闭锁；⑨ 井下人员活动路线等监测和报警等；⑩ 特种作业人员管理、干部下井管理、入井考勤、持证上岗管理等；⑪ 按需照明，人在灯亮、人走灯灭等；⑫ 人车闭锁，防止车辆伤人等。

2.   矿井测距和定位技术

煤矿井下环境特殊：有甲烷、一氧化碳等易燃易爆气体；有矿尘；有淋水、环境潮湿；空间狭小；电磁波传输衰减严重；卫星定位信号无法穿透数百米煤岩到达井下；电网电压波动范围大等^[13-17]。因此，需要针对煤矿井下特点，研究矿井测距和定位技术。

超声波测距和定位具有不受光照、围岩介质、纵向和横向导体影响，受粉尘、巷道断面形状和尺寸影响小，系统简单、成本低等优点；但存在定位距离近，定位误差大，受巷道分支、弯曲、起伏影响大，受遮挡物影响大，身份识别难等缺点。因此，超声波测距和定位不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

激光测距和定位具有定位距离远，定位误差小，不受纵向和横向导体、围岩介质影响，受光照影响小等优点；但存在受粉尘影响大，系统成本高，受巷道分支、弯曲、起伏影响大，受遮挡物影响大，身份识别难等缺点。因此，激光测距和定位不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

视频测距和定位具有不受纵向和横向导体、围岩介质影响，矿用摄像机除可用于定位外还可用于矿井安全生产监视，系统成本较低等优点，但存在受光照和粉尘影响大，定位距离较近，定位误差较大，受巷道分支、弯曲、起伏影响大，受遮挡物影响大，不便于身份识别等缺点。因此，视频测距和定位不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

惯导测距和定位具有不受光照、粉尘、巷道断面形状和尺寸、围岩介质、纵向和横向导体、巷道分支、弯曲、遮挡物等影响，受巷道起伏影响小，系统简单，成本较低等优点；但存在长时间定位累计误差大、身份识别难等缺点。因此，惯导测距和定位不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

计步器测距和定位具有不受光照、粉尘、巷道断面形状和尺寸、围岩介质、纵向和横向导体、巷道分支、弯曲、遮挡物等影响，受巷道起伏影响小，系统简单，成本低等优点；但存在长时间定位累计误差大、身份识别难等缺点。因此，计步器测距和定位不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

无线电测距和定位具有定位距离远、定位误差较小、不受光照影响、受粉尘影响小、便于身份识别、系统成本较低等优点；但存在受纵向和横向导体、围岩介质、巷道分支、弯曲、起伏影响大，受遮挡物影响大等缺点。因此，无线电测距和定位宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

在现有矿井测距和定位技术中，矿井无线电测距和定位技术宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。矿井无线电测距和定位技术主要有UWB，ZigBee，RFID，5G，WiFi6等^[18-20]。矿用UWB定位距离≥400 m，定位误差≤0.3 m，系统成本低于5G，具有定位距离较远、定位误差最小、成本较低等优点，因此，UWB宜用于矿井人员精确定位系统。矿用ZigBee定位距离≥400 m，定位误差≤3 m，系统成本低于5G和UWB，具有定位距离远、定位误差较小、成本较低等优点，因此，ZigBee宜用于矿井人员定位系统、无线传感器等。矿用RFID不能测定识别卡与位置监测分站的距离，但具有系统成本最低等优点，因此，RFID宜用于煤矿井下作业人员管理系统、设备和材料管理等。矿井5G定位误差≤3 m，系统复杂、成本最高，因此，5G不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位系统，可用于地面远程控制井下采煤工作面和掘进工作面、矿井车辆无人驾驶、移动通信、无线视频、无线传感器等。矿井WiFi6定位误差≤3 m，系统成本较高，高于RFID、ZigBee，因此，WiFi6不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位系统，可用于矿井无线视频、移动通信、无线传感器等。

3.   矿井人员定位算法

矿井人员定位算法主要有RSSI（Received Signal Strength Indication，接收的信号强度指示）定位法、TOA（Time of Arrival，到达时间）定位法、TDOA（Time Differences of Arrival，到达时间差）定位法、TWR（Two-Way Ranging，双程测距）定位法、SDS−TWR（Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging，对称双边双程测距）定位法、AOA（Angle-of-Arrival，到达角度）定位法等^[21]。

3.1   RSSI定位法

RSSI定位法原理：定位卡（或定位分站）发射无线电定位信号；定位分站（或定位卡）接收无线电定位信号，并根据接收到的无线电定位信号强度，计算无线电定位信号的传输衰减，进而计算无线电定位信号的传输距离，即定位卡与定位分站之间的距离；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。RSSI定位法的定位精度受无线电信号发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响大，定位误差大。其中，传输衰减受巷道分支、弯曲、倾斜、断面、围岩介质、表面粗糙度、支护、纵向导体、横向导体等影响。传输衰减还受胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等阻挡物影响。因此，RSSI定位法定位误差大，难以满足矿井人员定位和矿井人员精确定位的需求。

3.2   TOA定位法

TOA定位法原理如图1所示。定位卡（或定位分站）发射包含发送时刻t_a信息的无线电定位信号，定位分站（或定位卡）接收无线电定位信号，并记录接收时刻t_b，计算得到定位卡与定位分站之间无线电波传输时间（t_b−t_a），再乘以光速c，得到定位卡与定位分站之间的距离d；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。

图  1  TOA定位法原理

Figure  1.  Principle of TOA positioning method

下载: 全尺寸图片 幻灯片

TOA定位法的定位精度不受发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响，但受胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等阻挡物影响。TOA定位法要求定位卡和定位分站时钟计时精确并同步，定位卡和定位分站成本高。因此，TOA定位法不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

3.3   TDOA定位法

TDOA定位法原理如图2所示。定位卡M发送无线电定位信号，定位卡M左右邻近的定位分站A和定位分站B分别测定接收到无线电定位信号时刻t_a和t_b，计算得到定位卡M到定位分站A的距离d_am、定位卡M到定位分站B的距离d_bm；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。

图  2  TDOA定位法原理

Figure  2.  Principle of TDOA positioning method

下载: 全尺寸图片 幻灯片

已知定位分站A与定位分站B之间的距离d_ab=d_am+d_bm，且d_bm−d_am=c（t_b−t_a），整理得

TDOA定位法的定位精度不受发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响，但受胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等阻挡物影响。TDOA定位法不要求定位卡与定位分站时钟同步，对定位卡时钟精度要求低，定位卡成本低，但要求定位分站时钟计时精确，定位分站之间时钟同步，定位分站成本高。因此，TDOA定位法可用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

3.4   TWR定位法

TWR定位法原理如图3所示。定位分站（或定位卡）发射无线电定位信号，并开始计时；定位卡（或定位分站）收到无线电定位信号后，执行收即发（收到后立即发送）程序，发射包含收即发程序执行时间T_m的无线电定位应答信号；定位分站（或定位卡）收到包含收即发程序执行时间T_m的无线电定位应答信号后，停止计时，得到无线电定位时间T_am；计算得到定位卡与定位分站之间的距离d；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。

图  3  TWR定位法原理

Figure  3.  Principle of TWR positioning method

下载: 全尺寸图片 幻灯片

TWR定位法的定位精度不受发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响，但受胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等阻挡物影响。TWR定位法既不需要定位分站与定位卡时钟同步，也不需要定位分站之间时钟同步，更不需要定位卡之间时钟同步，降低了定位卡和定位分站复杂度和成本，但定位卡和定位分站的计时误差影响定位精度。因此，TWR定位法宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

3.5   SDS−TWR定位法

SDS−TWR定位法原理如图4所示。在1次定位过程中，2次应用TWR定位法，从定位卡和定位分站2个设备分别先后发起TWR定位。定位分站（或定位卡）发射无线电定位信号，并开始计时；定位卡（或定位分站）收到无线电定位信号后，执行收即发程序，发射包含收即发程序执行时间T_m的无线电定位应答信号；定位分站（或定位卡）收到包含收即发程序执行时间T_m的无线电定位应答信号后，停止计时，得到无线电定位时间T_am。定位卡（或定位分站）发射无线电定位信号，并开始计时；定位分站（或定位卡）收到无线电定位信号后，执行收即发程序，发射包含收即发程序执行时间T_a的无线电定位应答信号；定位卡（或定位分站）收到包含收即发程序执行时间T_a的无线电定位应答信号后，停止计时，得到无线电定位时间T_ma。根据测定的T_m，T_am，T_a和T_ma计算得到定位卡与定位分站之间的距离d；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。

图  4  SDS−TWR定位法原理

Figure  4.  Principle of SDS-TWR positioning method

下载: 全尺寸图片 幻灯片

SDS−TWR定位法的定位精度不受发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响，但受胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等阻挡物影响。SDS−TWR定位法既不需要定位分站与定位卡时钟同步，也不需要定位分站之间时钟同步，更不需要定位卡之间时钟同步，降低了定位卡和定位分站复杂度和成本。SDS−TWR定位法的定位精度受定位卡和定位分站的计时误差影响较小。因此，SDS−TWR定位法宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

3.6   AOA定位法

AOA定位法原理如图5所示。使用2个定位分站的2根天线，或同一分站的2根天线，分别测定定位分站A和定位分站B与定位卡M的角度α₁和α₂；计算得到定位卡M距定位分站A的距离d₁和距定位分站B的距离d₂；再根据定位分站位置，计算得到定位卡位置。

图  5  AOA定位法原理

Figure  5.  Principle of AOA positioning method

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据图5可得

将式（6）和式（7）整理得

AOA定位法的定位精度不受发射功率波动、接收灵敏度变化、传输衰减等影响，但测量范围内不能有胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等任何阻挡物，更不能有造成非视距传输的巷道弯曲、分支和倾斜等。AOA定位法系统复杂、成本高，远距离定位误差大，有定位死角，只能用于直线无障碍测距，定位天线和定位精度受机械振动等影响大。因此，AOA定位法不宜独立用于矿井人员定位和矿井人员精确定位，可与其他定位方法联合使用。

4.   结论

1） 矿井测距和定位技术主要有超声波、激光、视频、惯导、计步器、无线电等。其中，无线电测距和定位具有定位距离远、定位误差较小、不受光照影响、受粉尘影响小、便于身份识别、系统成本较低等优点，宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。

2） 矿井无线电测距和定位技术主要有UWB，ZigBee，RFID，5G，WiFi6等。矿用UWB具有定位距离较远、定位误差最小、成本较低等优点，因此，UWB宜用于矿井人员精确定位系统等。矿用ZigBee具有定位距离远、定位误差较小、成本较低等优点，因此，ZigBee宜用于矿井人员定位系统。矿用RFID具有系统成本最低等优点，因此，RFID宜用于煤矿井下作业人员管理系统等。矿井5G和WiFi6定位精度低于UWB，系统成本高于ZigBee，因此，不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位系统。

3） 矿井人员定位算法主要有RSSI，TOA，TDOA，TWR，SDS−TWR，AOA等定位法。RSSI定位法定位误差大，难以满足矿井人员定位和矿井人员精确定位的需求。TOA定位法要求定位卡和定位分站时钟计时精确并同步，定位卡和定位分站成本高，不宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。TDOA定位法不要求定位卡与定位分站时钟同步，对定位卡时钟精度要求低，定位卡成本低，但要求定位分站时钟计时精确，定位分站之间时钟同步，定位分站成本高，可用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。TWR定位法和SDS−TWR定位法既不需要定位分站与定位卡时钟同步，也不需要定位分站之间时钟同步，更不需要定位卡之间时钟同步，降低了定位卡和定位分站复杂度和成本，宜用于矿井人员定位和矿井人员精确定位。AOA定位法系统复杂、成本高，远距离定位误差大，有定位死角，只能用于直线无障碍测距，定位天线和定位精度受机械振动等影响大，不宜独立用于矿井人员定位和矿井人员精确定位，可与其他定位方法联合使用。