多源信息融合的煤矿人员动态定位方法研究

引言

煤矿安全生产一直是社会关注焦点，人员定位系统作为保障煤矿人员安全的关键技术，其准确性与可靠性意义重大。传统单一定位技术存在精度不足、受环境影响大等问题，难以满足复杂煤矿环境需求。多源信息融合技术为解决这些问题提供新思路。将不同定位技术信息有机结合，可充分发挥各技术优势，实现优势互补。因此，开展多源信息融合的煤矿人员动态定位方法研究具有重要现实意义和应用价值。

1.多源信息融合定位技术基础

1.1 常用定位技术原理

现代定位技术体系涵盖多种实现方式，各自基于不同的物理机制和技术逻辑。卫星导航系统利用时空基准信号实现全球覆盖，通过三角测量原理计算接收机位置；惯性导航依靠加速度计与陀螺仪感知运动状态变化，经积分运算推导位移轨迹；超宽带技术采用纳秒级脉冲信号进行飞行时间测距，依托宽频带特性突破多径干扰限制；蓝牙低功耗方案则侧重于短距离场景下的数字密钥交换。这些技术在精度、更新频率和适用环境方面呈现互补特征，为多源融合提供多样化的数据源基础。每种技术的误差分布具有特定统计规律，如卫星定位受电离层扰动影响产生随机偏差，惯性器件存在累积漂移效应，理解这些特性是实现有效融合的前提。

1.2 多源信息融合理论

信息融合本质是通过数学工具整合异构数据优势的过程。贝叶斯估计框架建立概率模型描述各传感器置信度，卡尔曼滤波家族运用状态预测修正机制实现动态加权平均。D-S 证据理论引入信任度参数处理不确定信息，模糊逻辑系统模拟人类思维进行近似推理。神经网络方法通过训练自动提取特征关联关系，支持向量机则寻找最优分类超平面区分有效信号与干扰成分。融合架构可分为集中式、分布式和混合式三种拓扑结构，分别对应不同计算负载分配策略。时空配准作为关键环节，需要解决坐标系转换与时间戳对齐问题，确保多源数据的可比性。自适应融合算法根据环境变化动态调整权重系数，提升系统鲁棒性。

2.多源信息融合策略与算法

2.1 数据预处理方法

原始观测值需经历质量改善流程方可进入融合中心。野点剔除算法识别并排除突变异常值，移动平均滤波平滑随机波动毛刺。形态学处理消除脉冲噪声干扰，小波变换分离确定性趋势与高频噪声分量。归一化操作将不同量纲的数据映射至统一尺度空间，便于后续加权处理。缺失值插补采用历史均值替代或邻域相似性补偿策略。时标校准通过交叉相关峰值检测实现亚样本级对齐精度。空间基准统一采用坐标变换矩阵完成不同参考系的转换。特征提取环节运用主成分分析降维技术保留主要能量方向的信息分量，为后续融合计算降低复杂度。

2.2 融合算法选择与优化

算法选型需综合考虑计算复杂度与性能增益比值。线性加权平均方案实现简单但抑制非线性误差能力较弱，粒子滤波器能更好处理非高斯分布噪声却面临退化问题。改进型无迹卡尔曼滤波结合确定性采样与蒙特卡洛思想，在保持代数闭合性的同时捕捉高阶矩信息。神经网络集成学习通过多个弱分类器组合提升泛化能力，极限学习机免除迭代过程适合实时应用。遗传算法优化融合系数摆脱局部极小困局，模拟退火策略引入随机扰动避免早熟收敛。自适应神经模糊推理系统动态调整隶属函数参数，实现规则库在线更新。优化目标函数设定需权衡精度提升与资源消耗的矛盾关系。

2.3 融合策略设计与评估

分层融合架构按抽象层级逐步提炼特征信息，顶层决策模块综合底层原始测量与中层特征向量。并行级联结构保持各子系统独立运行，通过仲裁机制协调冲突判决结果。反馈校正回路将输出误差反向注入前端处理单元，形成闭环控制提升稳态精度。置信度加权机制根据环境适应性指标动态调配各源贡献比例。冗余校验采用奇偶校验码检测传输错误，多数表决逻辑排除偶然故障节点影响。评估指标体系包含静态定位误差圆概率、动态跟踪滞后时间、系统可用性百分比等维度。仿真平台构建典型场景验证算法鲁棒性，半实物测试考核实际部署效果。长期运行统计揭示性能退化趋势，指导维护周期设定。

3.动态定位系统实现与验证

3.1 系统架构设计

整体采用模块化设计理念构建层次化服务体系。感知层部署异构传感器网络采集原始观测数据，包括 UWB 基站、惯导模块、视觉标记等多元感知终端。边缘计算节点执行初步数据清洗与本地化处理，减轻核心网传输压力。云计算中心运行高级融合算法完成全局优化解算，分布式数据库存储历史轨迹供事后分析。通信链路采用工业以太网环网保障可靠性，无线桥接段支持移动终端漫游切换。电源管理系统配备双路冗余供电与超级电容备用方案。人机交互界面提供三维可视化监控与报警功能，支持多粒度权限管理。开放式接口协议允许第三方系统接入扩展功能。

3.2 系统功能模块开发

数据采集模块驱动各类硬件接口实现协议解析与格式转换，建立统一的数据池标准。预处理引擎加载可配置滤波参数集，支持在线调参无需重启服务。核心融合算法库封装多种实现方案供动态调用，插件式架构方便新增算法组件。坐标转换工具链处理不同投影方式间的相互转换需求。状态监测看板实时显示各节点健康状态与性能指标。日志审计系统记录完整操作流水用于故障追溯。安全加密模块实施端到端数据保护，防止非法篡改定位结果。固件更新机制支持远程批量升级维护，减少现场作业强度。

3.3 系统性能测试与分析

实验室环境搭建多径模拟器复现典型矿井传播条件，测试不同运动模式下的定位连续性。现场试验选取代表性作业区域验证复杂电磁环境下的稳定性能，重点考察遮挡条件下的信号保持能力。压力测试逐步增加并发用户数量直至系统极限承载点，观察响应延迟变化曲线。破坏性试验模拟设备故障场景检验冗余切换速度与容错能力。对比实验切换不同融合策略组合，量化分析各方案优劣排序。长期稳定性考核连续运行千小时记录性能波动范围，验证 MTBF 指标达标情况。用户体验调研收集操作人员反馈意见，优化交互流程设计。最终形成全面的性能评估报告指导实际应用部署。

结束语

多源信息融合的煤矿人员动态定位方法研究取得一定成果。通过对多源信息融合技术的深入探索，有效解决传统定位技术的不足。该方法提高煤矿人员定位精度与可靠性，为煤矿安全管理提供更精准信息。但研究仍有提升空间，未来需进一步优化融合算法，增强系统适应性与稳定性。持续推动多源信息融合技术在煤矿领域的应用，为煤矿安全生产提供更坚实保障。

参考文献

[1]李增学,刘海燕.矿山物联网技术与应用[M].北京:科学出版社,2019.

[2]段丹妮.基于多源信息融合的拓扑网络故障定位方法研究[D].昆明理工大学,2020.

[3]丁恩杰,周焕平.矿井人员定位系统技术发展现状与趋势[J].工矿自动化,2020.