突破井下定位通信新技术

近日，八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》（以下简称《指导意见》），引发了煤炭行业相关科技人员广泛的关注和热烈讨论。作为一名长期从事煤矿定位通信系统研究与应用的科研工作者，我再次感受到所属专业领域技术创新的迫切需求。

智能化的煤矿应该是“少人或无人操作”、“自动化协同运行”和“重点岗位机器人作业”，这就对装备自主协同作业提出了明确的需求。实现装备自主作业的前提和基础是装备能够相互感知自身的位置和方向，并能够可靠通信。由于井下没有GPS信号，缺少统一的定位基础设施支撑，现有的井下定位系统无论是容量、精度和实时性都不能满足装备自主和协同作业的技术需求。因此，高精度、大容量、强实时的定位服务与高可靠通信系统成为煤矿智能化发展的首要关键技术支撑之一。

煤矿智能化发展对定位通信系统的技术突破提出的具体需求，可以从以下几个方面对照技术现状做具体分析。

首先是煤矿智能化发展对定位通信系统的分布式需求。现有的井下人员定位系统采用集中式监控架构，地面软件系统通过基站收集定位标签的定位信息，实现对全矿井目标的定位跟踪。智能化煤矿井下装备自主协同作业需要装备能够自主定位，因此不能完全依赖于地面集中监控系统，即使网络中断，局部作业现场的装备也应能够实现分布式自主运行而不受影响。

其次是煤矿智能化发展对定位通信系统的高精度需求。井下定位系统经过了三代发展，早期的区域定位精度一般在30米，后来2.4G无线定位基于接收信号强度测算距离，精度在10米左右，基于电磁波飞行时间测算距离，精度在3米左右，最新的第三代无线定位系统基于超宽带技术，无遮挡静态定位精度可以达到厘米级别。智能装备之间距离与方向的精确控制，需要融合超宽带、惯性测量单元等多源数据，融合图像传感、毫米波雷达等多种传感器，才能实现自主导航、协同作业等。

再其次是煤矿智能化发展对定位通信系统的强实时需求。安全监测系统对于井下作业人员定位的间隔周期是2秒左右。这样的定位间隔对于实时跟踪快速移动目标远远不够，以每小时30公里的速度计算，周期为1秒时，定位误差达8.3米。参照地面无人驾驶系统对于GPS系统定位周期的需求，井下智能装备实现自主导航定位的实时性技术指标应达到5赫兹，即定位周期为200毫秒。

最后是煤矿智能化发展对定位通信系统的高可靠需求。由于煤矿井下特殊的受限空间地理环境，机电设备电磁干扰大，无线信号在井下的传输受到大型装备金属车体和支架的反射屏蔽，导致信号丢失或延迟，高可靠通信技术尤其是无线通信是煤矿智能化发展需要突破的关键技术，目前5G/WiFi6作为主流发展技术，具备高速率、低延迟等特性，但在煤矿井下的适用过程中，无线通信的高可靠性仍然是需要重点突破和保障的技术关键。

煤矿智能化发展对井下定位通信系统提出了全新的需求，系统的应用场景已经远远超出了井下人员安全管理的范畴。当前的迫切需求是研制井下类GPS的高性能位置服务系统，以开放服务体系为基础架构，为井下动目标跟踪、人机作业安全、智能协同作业、无人化运输、井下机器人等应用需求提供高精度、大容量的实时位置服务。

中国煤科常州研究院为了推动煤炭行业智能化的发展，近年来一直深耕井下定位与通信前沿技术，2017年以来相关科研成果先后获得国家技术发明二等奖、中国煤炭工业协会一等奖。目前，该研究院承担的重点项目《矿井空间位置服务系统关键技术研究》，正是着眼于为煤矿智能化建设提供高性能定位与通信服务的基础平台。

在智能化发展的新阶段，除了定位通信技术的突破以外，还涉及物联网、云计算、大数据、人工智能等众多核心技术，因此，开放服务体系与架构显得尤为重要，尤其是制定和颁布智能化矿井基础支撑设施的相关技术和服务标准，引导和规范技术产品相互兼容、相互协同，有利于推动智能化技术的快速发展与应用。

（作者系中国煤炭科工集团常州研究院有限公司通信研究院院长包建军，2019年参与的“矿井人员与车辆精确定位关键技术与系统”项目获得国家技术发明二等奖）