0 引言
随着煤矿“六大系统”的实施，人员定位系统在各大矿井已得到深度普及。目前煤矿人员定位系统正在从区域定位向高精度定位方向发展，所采用的定位技术也从最初的RFID(Radio Frequency Idenfication，无线射频识别)、ZigBee等向高精度测距定位的方向发展[1]，如TOF(Time of Flight，飞行时间)、UWB(Ultra Wideband，超宽带)等。由于测试条件的限制，定位精度指标的测试一直是采用静态测试方法进行。所谓静态测试方法是指将待测定位标签静止放置于测试平台，测试基站分别在距离平台100，80，60 m等处测出定位距离，然后和卷尺测出来的准确距离进行比对。这种自动化程度较低的静态测试方法无法真正满足煤矿人员、机车运动中定位精度检测的需求，且时间成本和人力成本较高。
作为非接触式测距方式，霍尔传感测距具有精度高、抗干扰能力强及成本低等优点[2]。因此，本文提出基于霍尔传感的煤矿人员定位精度验证系统，该系统以霍尔测距结果作为基准数据，与定位基站采集的节点定位距离信息进行实时对比，从而验证定位系统的精度。
1 系统主体框架
基于霍尔传感的煤矿人员定位精度验证系统主要由霍尔传感设备、UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)接口、测控中心、定位基站等组成，如图1所示。
图1 基于霍尔传感的煤矿人员定位精度验证系统主体框架
Fig.1 Main frame of mine personnel positioning accuracy verification system based on Hall sensing
定位基站产生定位原始数据，包括定位卡和基站的距离信息及定位时间戳。霍尔传感设备产生霍尔测距原始数据，包括测得的距离信息及测距时间戳。定位数据和测距信息通过无线局域网传输到测控中心。
UDP接口分为2种：一种是公共UDP接口，该接口具有开放性，能够对接不同厂家不同型号的定位基站；另一种是私有UDP接口，该接口用于传输霍尔传感设备的相关测距报文。
测控中心是整个系统的核心处理平台，承担着测距数据采集、相关协议和命令的收发和解析、高并发多线程数据处理[3-4]和误差分析、GIS仿真展示[5]等功能。
2 系统关键技术实现
2.1 霍尔传感设备
霍尔传感设备利用霍尔效应实现测距。当霍尔传感设备通过磁块所形成的磁场时会引起相应的电势变化，通过测量电势即可得到被测量对象的行进距离。霍尔传感设备的主要组成部分是传感头和齿圈，齿圈由电动机定子、磁钢体和电子电路等组成[6]，主体是一个直径为240 mm的不锈钢圆盘，圆盘外围等距离嵌入24个磁钢体,如图2所示。相邻2个磁钢体的霍尔信号相位差约为15°，因此轮盘转动的每个周期会形成24个信号脉冲，每个信号脉冲产生的距离约为23.6 mm。
图2 霍尔传感设备结构
Fig.2 Structure of Hall sensing device
2.2 UDP接口
为了适应不同厂家不同定位基站的通信协议(TCP/RS485/CAN)，提出了一套公共UDP接口，不同厂家按照约定的协议格式打包各自的定位数据报文并采用UDP广播包形式发送。UDP是OSI七层网络模型中一种无连接的传输层协议，它的主要优点是传输效率高、延迟小、可靠性高[7-8]。
基于霍尔传感的定位精度验证系统具备高并发特性，霍尔传感数据报文发送频率为100 Hz，定位数据的接收更是需要满足100张定位卡同时发送(每张卡每秒发送10次)要求，所以UDP通信模式最为适合。所有的应检系统按照这一开放协议对定位数据进行打包处理并发送到服务端，公共UDP格式见表1。
表1 公共UDP格式
Table 1 Format of public UDP
2.3 数据处理模型
生产-消费模型是比较经典的线程之间的同步机制[9-10]，本文采用生产-消费模型进行通信数据的采集、解析和入库。在该模型中，生产者生产产品提供给若干个消费者去消费，为了使生产者和消费者能并发执行，在两者之间设置一个或者多个缓冲区(Queue)，生产者将其生产的产品放入缓冲区中，消费者可以从缓冲区中取走产品进行消费，多个线程共享一个公共的固定大小的缓冲区，如图3所示。
图3 数据处理模型
Fig.3 Data processing model
图3中定位基站和霍尔传感设备充当生产者的角色，其产生的定位原始数据、霍尔测距数据分别进入各自的缓冲区。而线程n+2和线程n+3则扮演着生产-消费模型中的消费者角色，这2个线程按照先进先出的原则分别从2个数据队列中取出数据进行解析并写入数据库。
2.4 GIS仿真单元
由于监测节点多且位置密集，对GIS软件的实时跟踪速度和显示效果提出了很高要求。本文采用以DWG底图为支撑、以GDI+技术为核心的GIS仿真平台进行仿真。DWG底图主要提供一套二维坐标体系，以支撑系统中移动节点和霍尔传感设备的精确位置、速度等相关信息的展示。GDI+是GDI(Graphics Device Interface，图形设备接口)的优化版本。GDI是图形显示与实际物理设备之间的桥梁。本文中轮机小车、JCC轨道、移动节点、相关文字等对象都通过GDI技术进行渲染。
由于GIS平台所承载的图层复杂、对象较多，本文通过双缓冲技术[11]解决图层对象高速绘制过程中的卡顿、闪烁等问题。
3 系统测试及应用实例
3.1 系统自身精度测试
为了验证基于霍尔传感的定位精度验证系统的有效性和可靠性，设计了一套完整的定位精度验证装置，包括安装有霍尔轮毂的轮机小车(额定电压为AC220 V)、长度为110 m的JCC导轨、激光测距仪、综合控制软件平台、测控中心站。通过与静态激光测距结果对比来验证霍尔传感设备的测距精度。
用轮机小车载卡模拟携卡人员动态行进轨迹。在轮机小车行进过程中，从轨道起始端开始每隔5 m停顿一次，在静止状态下用激光测距仪测量霍尔传感设备与轨道起始端的精确距离，然后与霍尔测距结果作对比，结果见表2。
表2 定位精度验证系统误差分析
Table 2 Error analysis of positioning accuracy verification system
测试结果表明，霍尔传感设备自身最小测距误差率为0.80%，最大误差率为3.30%，平均误差率为1.38%，大大低于矿用定位精度验证系统所允许的误差率5%。
3.2 精度验证应用实例
通过高速UDP接口转发不同应检产品的基站数据，霍尔测距数据和待测定位卡的实时定位数据通过高速无线局域网最终汇集到测控中心，测控中心进行多线程处理、报文解析及相关误差计算后，将基准测距信息和定位卡测距信息存储到数据库，进而可形成相关数据报表。以定位卡4024为例，单卡误差分析结果见表3。多卡检测时的综合误差分析结果见表4。
表3 单卡误差分析
Table 3 Single card error analysis
表4 综合误差分析
Table 4 Comprehensive error analysis
由表3可知，单卡最小误差率为0.80%，最大误差率为3.80%，平均误差率为1.30%。由表4可知，多卡检测时，各张卡的平均误差率均在2.50%以下。
4 结论
(1) 提出了基于霍尔传感的定位精度验证系统，介绍了系统主体框架及霍尔传感测距、UDP接口协议、数据处理模型、GIS仿真单元等关键技术实现。该系统能够在目标动态移动的情况下对定位精度进行实时验证，符合当前煤矿人员定位系统精度验证的实际需求。
(2) 系统自身精度测试结果表明，其最小测距误差率为0.80%，最大误差率为3.30%，平均误差率为1.38%，大大低于矿用定位精度验证系统所允许的误差率5%；精度验证应用实例分析结果表明，该系统能够有效测量定位系统的精度。
(3) 随着矿用定位技术的不断进步，特别是基于UWB定位芯片的高速发展，个别厂家的理论定位精度已经能够达到厘米级别。后续研究可从以下方面提高定位精度验证系统的检测精度[13-15]：改进结构工艺，进一步增大霍尔传感设备外围磁钢的分布密度，同时相邻2个磁钢之间的相位角度差应严格一致；提高系统抗干扰能力，霍尔传感设备工作过程中的最大干扰是外部环境中的电磁干扰，因此有必要研究更加高效的抗干扰算法。
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