经济的发展需要能源作为其动力，目前，世界上的主要能源为化石能源，化石能源将在长时间内占据较大能源比例。天然化石能源有三种：煤炭，石油和天然气，世界上已知的化石能源主要是煤炭，占化石能源中的比例高达 64%。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，世界上天然化石能源的地理分布，以及世界政治经济格局导致我国的化石能源不能以石油和天然气为主，只能是煤炭。在我国一次能源结构中，煤炭占有最高的比例，且这种以煤炭为主的能源结构在短期内不会有太大的变化。

上世纪九十年代以来，煤炭工业开始向高效化、集约化迅速发展，我国煤炭工业在这段时期迅猛发展，矿井的建设也取得了长足进步。我国煤炭的开采主要包括两类: 露天开采和矿井开采，其中以矿井开采为主。在矿井开采中，错误的勘探和操作很可能导致危险的发生，井下工作环境恶劣，在保护措施不齐全的情况下，发生危险的可能性很高，为此国家制定了一系列的煤矿建设和操作规定，以最大限度保证煤矿开采人员的安全。为了避免煤炭开采时发生事故，保证煤炭生产的安全高效，国家还耗费大量人力财力，研制了各类煤矿安全系统并推广到矿井生产中，对保障煤矿安全生产发挥了积极作用，在很大程度上减少了煤矿安全事故的发生。

2001~2015 年我国煤矿共发生一般及较大事故 7624 次，死亡 14886 人；平均每年发生一般及较大事故 508 次，死亡 992 人，随着时间的推移和安全技术的提高，煤矿安全事故明显减少，伤亡也有所降低，我国煤矿开采的安全形势有了明显好转，同时煤炭生产效率也有所提高。但煤矿安全事故仍然偶有发生，重大事故伤亡率依然居高不下，煤矿事故的发生不仅给国家经济建设带来直接损失，也给开采人员的生命安全带来威胁，同时引发了一系列的社会问题。

安全管理不足是发生煤矿安全事故的一条重要原因，安全管理中一个重要的安全隐患是人员管理困难:井下环境复杂，通信不便，导致井下工作人员管理困难。在事故发生时，井上管理人员不能实时得知井下工作人员的位置信息，导致不能对井下工作人员进行合适的调度，由于调度不及时，加之矿井地形复杂，使井下工作人员无法及时回避危险，撤离难以有序高效。井下事故发生后，不能及时得知井下人员的分布情况和位置，给事故发生后的抢救工作带来了巨大困难。

虽然我国大多数大中型煤矿都已经装备有一些非实时性的定位系统，但矿难的发生显露了这一定位系统的弊端。多数非实时性定位系统的基本原理大同小异，即在工人经过阅读器覆盖范围时进行一次记录，当阅读器覆盖范围不够广时就可能丢失工人的位置，覆盖范围过广则会导致定位的意义不大。以美国 RF Code公司的 Sipder 定位系统为例，不改动天线的情况下采用有源标签则阅读器大约有43 米的覆盖范围，在这个范围内寻找一个工人过大，增加阅读器用以提升定位效果则会成倍增加成本，且难以做到较高精度的定位。实时获取井下人员的位置信息，对工作人员进行高效准确的调度，是实现煤矿安全高效生产与科学管理的重要任务，2016 新版《煤炭安全规程》中对井下人员定位提出了明确的规定和要求。

开发和使用井下人员实时定位系统，可以使井上管理人员及时得知井下工作人员的位置信息，不仅为矿井的管理提供了便利，还可以在事故发生时迅速指挥人员撤离，以及在事故发生后为寻找被困人员发挥重要作用。国内现有的大中型煤矿都有各自的定位系统，部分非实时的定位系统通过一定的改造，也可以改造为实时定位系统，从而减少煤矿支出，因此，开发一个应用广泛、定位精度高、使用方便的定位算法也是本文的主要研究目标之一。

——国内外研究现状和发展趋势

随着近些年井下定位方法被大量研究和改进，各种新型的定位系统被开发出来，井下人员定位系统随着新方法的应用也更加优秀。目前，井下人员定位系统主要分为两类: 利用无线网络的定位系统和不使用无线网络的定位系统。目前基于无线网络的定位系统是主流，一方面，基于无线网络的定位系统更易实现，通用性强，大部分基于无线网络的定位系统开发难度相对较低，硬件要求较低，价格便宜、性价比高；另一方面无线网络定位技术比较成熟，除了单独为井下环境开发的一些定位技术外，还可以借鉴各种不同环境下的无线网络定位技术。本文以无线网络定位系统为主，对非无线网络定位系统不做过多介绍。

国外的安全监测系统研究开始于 20 世纪 60 年代，以综合性监测系统为主，且监测的重点都是环境的安全性。最早的定位系统是 1991 年南非一家公司的井下矿铲运机自动监控系统。20 世纪九十年代中期澳大利亚的一家矿业公司研发出了一套井下人员监控系统，基于射频识别(RFID)技术，可以监控是否有矿工闯入禁区，但是系统的定位误差比较大，并且在较多人员集中通过监控区域时，人员漏检的情况比较严重。

新型的定位系统中，基于超低频技术的 PED 井下短距离的救援无线通讯系统比较有名。无线电信号随着频率的降低，在物质中传播时受到的吸收就越少，当系统频率低至一定程度，便可以穿透岩石等不透明的固体，超低频技术的无线通信系统就是基于这个原理。这套系统由美国安菲斯公司和澳大利亚矿山技术公司(MST)共同研发，但是，频率过低限制了该系统的通信能力，使得该系统多数情况下只能用于辅助通信，未能获得大范围推广。

与国外的一些发达国家相比，我国煤矿安全系统的开发相对较晚，但后来居上，近年来的先进系统层出不穷。最初我国监控系统主要是从一些发达国家引进，通过学习这些系统，并根据我国井下安全环境和条件的需要，开发出了 KJ2、KJ4等监控系统。九十年代以后，我国开始研发出了一些具有国际先进水平的监控系统，如北京瑞赛公司的 KJ2000、天地科技公司的 KJ69、煤炭科学研究总院的KJ90 和 KJF2000 等系统。

最初，我国通常采用在井下铺设电缆的方式实现通信，通过 CAN 总线或者 485总线将数据传送到控制中心，这种通信方式相对无线通信可靠性更高、信号传输速度也比较好，现在的井下通信系统设计中，也有很多系统采用电缆作为有线网络末端。电缆的劣势也很明显，易受破坏，且可能一小部分发生故障，就造成大范围通信瘫痪，随着井下开采，废弃的地方所搭建的电缆也很难回收，造成大量浪费。因此，近年来定位系统一般仅使用电缆作为有线通信网络的末端，便于电缆回收利用，增加有线网络稳定性。有线网络通信的稳定性较好，但灵活性较差，特别是难以解决与井下人员的实时通信问题。

为了应对有线通信的缺点，我国在无线通信技术的研究上花费了较多资金。无线通信系统可以利用组网优势避免一些网络故障问题，也不容易因为单个节点损坏而产生网络瘫痪，可随井下开采进行改动。多数的无线通信在井下受地形的限制，难以进行长距离的信号传输，这与硬件无线电发射功率无关，而是由无线电传播的一些固有缺陷造成的。除了类似 PED 井下短距离的救援无线通讯系统使用超低频无线电可以穿透岩石外，多数系统只能在空气中传播无线电，加之巷道环境复杂，长距离无线通信难以实现，因此短距离无线通信技术受到青睐。井下短距离无线通信技术主要有红外通信、漏泄通信、以及无线射频识别(RFID)等技术，其中，RFID 技术被较多的应用于定位系统中。

RFID 技术是非接触式的识别技术，可运用信号特征或编码进行物体识别。早期 RFID 技术不具备接收信号强度计算的功能，所以定位时只能完成区域定位。实际应用中人员携带识别卡，读卡器则布置在井口、岔道和其他重要区域，但不覆盖全部定位区域，人员经过这些读卡器就会被识别，从而判断出人员的大概位置，属于粗略定位。随着硬件生产技术的提高，RFID 标签价格有明显的下降，一些系统通过大量布置 RFID 参考节点覆盖全区域，从而实现实时定位，但没有使用特殊的无线定位技术，原理上与早期的系统没有区别。近些年，随着定位技术，特别是无线传感网络(WSN, Wireless Sensor Network)技术的兴起，具有定位算法，能实时定位的无线网络定位系统被开发出来。

利用无线定位技术实现实时定位的系统多以 WSN 技术为基础，WSN 技术具有低功耗、低成本、组网方便灵活等优点，在近些年受到了广泛关注。WSN 可利用的无线通信技术十分广泛，包括 Wi-Fi(Wireless Fidelity)技术、RFID 技术、ZigBee 技术以及蓝牙(Bluetooth)等技术，也可依托各类无线通信技术的软硬件系统实现 WSN 定位技术。WSN 技术具有较高灵活性，适合井下应用，我国多以 Zig Bee和 Wi-Fi 通信技术为依托，开发基于该技术的井下定位系统。

ZigBee 技术是较多用于井下定位系统的一种无线通信技术。ZigBee 联盟成立于 2002 年 8 月，由英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成。ZigBee 技术作为新兴的无线通信技术，有着组网方便、协议简单等优点，被广泛的应用于各类监控领域，不断的受到国内外的关注。各种改进的软硬件设计也在很大程度上提升着这种技术的通信能力，同时基于 ZigBee 技术的无线节点耗电量低，价格便宜，因此 ZigBee 技术适合应用于井下定位系统。

Wi-Fi 技术是另一种较多用于井下定位系统的无线通信技术。Wi-Fi 技术最大的优点是传输速度高，发射功率大，覆盖范围广，且信号质量好，使用 Wi-Fi技术的定位系统，其无线通信(AP)节点部署简单，能采用的定位算法也比较广泛，只需少数 AP 节点即可覆盖较大区域。可用多个 AP 节点实现较高精度定位，但实现价格相对昂贵，性价比不高；使用单个 AP 节点定位，则需要记录大量数据，当环境改变时，需要重新测量，且定位精度不高。 能够完成高精度的实时定位是目前井下人员定位系统的主要发展方向。目前我国煤矿所使用的井下人员定位系统中，尚有部分系统未具有实时定位的能力。

我国一些公司在旧系统的基础上进行了改进，开发了一些实时定位。较为典型的基于 ZigBee 技术的实时定位系统有山东新云鹏电气有限公司的 KJ938 井下精确定位系统、丹东东方测控技术股份有限公司的 KJ521 矿用人员管理系统等。其中KJ938 井下精确定位系统可达到 3 米左右的定位精度；KJ521 矿用人员管理系统可每隔 30 秒进行一次定位，实时提供人员井下位置。本文所设计的定位系统可提供更高的定位精度，同时给出定位误差的估计值，可在更短时间内完成定位循环，并具备了全面的系统自检功能，可根据系统状况报告出现了何种错误。

本文引自 河南理工大学 王仁杰 《基于 ZigBee 的井下人员定位系统研究》