陷阱在地下矿井中是一个巨大的风险。当矿工(或任何其他进入地下的人)在最初的事故事件中幸存下来，在疏散后被困或迷失在未知和危及生命的位置，并且仍然下落不明时，就会发生这种情况。在这一点上，每一秒都很重要，为了有机会拯救幸存者，紧急反应是非常重要的。失踪者的生存机会取决于他们能多快被找到。救援队经常被派往地下搜寻失踪人员。然而，救援队被迫在随机和假定的矿井区域进行搜索。这是由于没有关于失踪人员下落的资料。除了提供准确的位置外，还提供各种其他类型的信息，例如事故后的双向通信，可以提高失踪人员的生存机会。这一信息可以由一个适合用途的失踪人员定位系统提供。各种各样的失踪人员定位系统已经商业化，一些处于测试阶段，另一些处于原型和开发阶段。这包括跟踪、追踪、定位探测器和事故后双向通信系统。这些系统具有独特的功能、能力和局限性;使矿山难以选择最有效、最适用、最适合自己矿山的系统。在本研究中，开发了适合用途的失踪人员定位系统的用户需求。用户需求的目的是提供一个指导方针，以促进系统选择过程。用户需求也可以作为一种工具来衡量和评估所选的失踪人员定位系统的性能。用户需求也被用来预测所选系统在不同失踪人员事件场景下的成功。用户需求的发展显示了失踪人员定位系统的许多其他好处的潜力。
与矿工在地下失踪有关的事故和死亡事件不断发生，加速了对适合用途和可靠的失踪人员定位系统的需求。这些事故是指矿工从最初的事故中幸存下来，但仍然被困或迷失在地下。这可能是由于被困在地面瀑布后面，被埋在地面瀑布中，地下爆炸和火灾，迷失方向，能见度低，泥涌，洪水淹没或失去新手和游客等原因造成的。在本研究中，“失踪人员”是指进入地下，因任何原因被困或失踪，在疏散和清理竖井后仍下落不明的任何人(包括矿山人员、访客、检查员)。在发生失踪人员紧急情况时，经常部署搜救队寻找失踪人员。然而，事实证明，搜救行动效率低下、速度缓慢且危险[1,2]。这可以归因于缺乏定位信息，而这些信息可以从适合用途和可靠的失踪人员定位系统中及时获得。世界各地已经开发了各种类型的失踪人员定位系统。“失踪人员定位系统”是指追踪、追踪、定位或探测被困矿工，并使救援队伍与失踪人员以语音、文字或数据的形式双向沟通的系统。失踪者定位系统并不一定能解救失踪者，而是能以最快的速度提供失踪者的位置，帮助和指导救援队伍找到失踪者。这有助于避免搜救队在错误的地点寻找失踪人员而浪费时间。在没有失踪人员定位系统的情况下，由于有关失踪人员位置的信息有限或有时完全无法获得，救援队被迫在随机地区或假定地点进行搜索。这通常会导致搜索和救援行动失败和/或延长。由于未能尽快找到失踪人员，往往导致失踪人员因缺乏新鲜空气、食物和水等维持生命的必需品而被杀害。如果不尽快提供紧急护理，被困人员也可能死于在事故最初发生时所受的伤害。
在美利坚合众国，人员跟踪和事故后通信系统是由2006年《矿山改进和新应急响应法》(MINER)规定的[3]。该法案的目的是提高矿工和游客在事故发生后被困在地下的生存机会。《矿工法》于2006年颁布8年后;Damiano、Homce和Jacksha[4]提供了在美利坚合众国矿山执行通讯和跟踪系统方面取得进展的最新情况。他们的更新显示，到2014年，美国安装了多达306个人员跟踪系统和306个事故后通信系统。尽管当时取得了进展，但一些作者认为，采矿业仍然需要一个适合用途的失踪人员定位系统[5,6,7,8]。根据Menold等人[9]的研究，大多数现有的通信系统在地下环境中缺乏灵活性、鲁棒性和适应性。这导致进行广泛的研究，以改进现有系统和发明新技术。
在几位作者探索了电磁波穿过地壳传播的理论之后，地下失踪人员定位系统的想法自20世纪初就存在了[10,11,12,13]。经过多次尝试，第一个成功的被困矿工定位系统最终在20世纪50年代由Wadley[14]报道。这个系统可以在300千赫的频率下，通过地球达到600米的范围。这一领域的研究继续发展，目的是提高初始系统的能力。尽管这些系统存在已久，但在21世纪初，它们在地下仍面临挑战[15]。这需要进一步的研究和改进。
目前可用的失踪人员定位系统主要分为Through-the-Wire (TTW)、Through-the-Air (TTA)和Through-the-Earth (TTE)三种，如表1和图1所示。这与寻找失踪矿工过程中建立通信的机制一致[16,17,18,19,20,21,22]。TTW通信系统是在使用铃声和哨子之后，首先在地下矿井中实施和使用的。这包括在船员站和避难舱等关键区域使用磁电机、声动力、拨号和传呼机[20]。地下电话是从地面/室外工业中采用的，并引入地下以实现地面和地下之间的有线双向通信，但后来主要用作骨干。有线系统从半双工发展到后来的全双工。在TTW通信中，信号沿着同轴电缆、电小车、漏电馈线、双绞线和光纤等电缆的长度从一点传输到另一点[20]。最近对TTW通信系统的研究主要集中在地下通信的信道建模和优化[23]。这些系统的一个主要缺点是，它们非常容易受到事故的损害，如地面坠落和气体爆炸。这就产生了探索无线通信技术的需要。TTA双向语音，文本或数据通信，标记和跟踪以及TTE电磁波和地震波通信成为解决TTW系统的一些局限性的方法。TTA通信系统已成功应用于井下矿井提供实时定位系统。TTA通信系统的各种定位算法、技术和协议不断得到改进，特别是在定位精度、精度和带宽方面[24,25,26,27,28,29]。为了最大限度地减少基础设施对损坏的敏感性，已经开发了一种网状网络配置，其中节点读取器由电池供电以进行无线连接，并进行了信道建模和优化[30,31,32,33,34]。TTE通信系统是基于电磁波和地震波在地面上的传播。TTE电磁波系统又分为磁感应传输和电极传输。对于这两种技术，已经进行了各种研究，以优化诸如渗透深度，频率选择，发射和接收功率，天线设计等因素[35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]。TTE地震波系统尚未得到广泛的普及，但在主要通信系统失效的环境中显示出巨大的潜力[45,46,47,48,49,50]。最后，对TTR信号搜索定位系统进行了研究和试验。TTR系统要求救援队亲自搜索被困人员。可以探测和定位被困在坚实或塌陷地面后20 - 60米之间的人员[51,52,53]。TTW和TTA通信系统通过网络或骨干基础设施运行。骨干基础设施已成为地下矿山的重要组成部分，具有多种用途[54,55]。
表1可用的失踪人员定位系统的功能和限制
图1
各种类型/组的地下矿山失踪人员定位系统分类
鉴于表1和图1中描述的各种不同类型的失踪人员定位系统，选择最合适的系统可能成为一项严峻的挑战。因此有必要制定用户要求，以指导和促进选择最合适系统的过程。用户需求可以用作确定特定系统在特定条件下是否适合使用的工具。目前，在选择适合用途的地下地雷失踪人员定位系统的过程中，没有可采用的方法或准则。Schafrik、Dietrich和Harwood[56]认为，目前还没有统一的方法来评估地下跟踪和通信系统的适用性和有效性。Harwood等人[57]指出，与户外行业相比，地下采矿对跟踪和通信系统的建模和测试一直滞后。由于缺乏这些指导方针，地雷往往难以从广泛的备选方案中选择最适合其情况的系统。
制定用户需求是设计和开发任何新系统的第一步。此过程应考虑拟议系统的业务和技术参数。可以使用调查、访谈、研讨会、文献回顾、小组任务分析、焦点小组和头脑风暴会议等方法收集和制定特定系统的用户需求，这些方法已用于收集和规范用户需求[58,59,60,61,62,63,64,65,66]。根据国际标准化组织(ISO)的报告[67]，指定用户需求是开发适合用途的系统的必要过程。术语“用户需求”指的是用户-系统-环境交互。这种相互作用是实现预期结果以及与用户相关的质量要求(如有效性、效率和满意度)所必需的。用户需求是根据最终用户的需要列出的，并为进一步的规格、设计、原型和验证提供框架的基础。“需求”是指系统必须满足的条件或能力，“用户”是指在已定义的环境中与系统交互的人。以用户为中心的设计方法已被广泛使用，主要关注用户及其需求。以用户为中心的方法考虑到用户、系统功能、环境、用户反馈、用户和系统之间的交互以及期望的设计[68,69]。ISO报告推荐了一个通用行业格式(CIF)框架来定义用户需求，并以用户需求为中心，基于使用背景、规格、解决方案和评估，如图2所示。
使用环境——理解和描述使用环境(描述用户需求、任务和使用环境)。
用户需求——指定用户需求(最终用户的积极参与)。
设计-设计和开发解决方案或原型，然后是最终产品。
设计方案的评估-验证和确认(设计、测试和修改)。
图2
开发用户需求和需求流程(国际标准化组织[67]采用CIF)
除采矿业外，其他各种行业也进行了研究，以发展用户需求。这包括蜂窝、水下、室外和室内环境，如表2所示。室内和室外定位系统在购物中心、军事、消防和儿童安全(跟踪儿童)等行业都有应用。同样，这些系统已在地下矿井中采用。在地下矿山中，定位系统在人员、资产和机器跟踪、机器人、自动化、监控、测量和绘图等方面都有应用。然而，与室外工业不同，地下矿山的环境更加恶劣、动态和不断变化。这就需要重新定义这些系统对地下矿井的用户要求。
表2系统规格不同行业的估值指标
摘要。
1 介绍
2 可用的失踪人员定位系统分类
3 确定失踪人员定位系统用户需求的必要性
4 用户需求制定方法
5 失踪人员定位系统用户需求公式
6 失踪人员定位系统的建议用户需求
7 e
对可用的失踪人口定位系统进行估价
8 用户需求在不同事件场景下的应用
9 结论
参考文献。
致谢。
作者信息
道德声明
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准确、快速地提供事故后被困或失踪人员的位置是任何潜在失踪人员定位系统最关键的要求之一。一个适合用途的失踪人员定位系统的用户需求是通过一系列步骤开发的，这些步骤增加了上下文的有效性，如图3所示。第一步是建立用户需求的上下文，并定义最终用户的需求。这是通过文献综述和初步调查来进行的。根据初始用户需求列表的上下文，进行了初步调查，以验证初始用户需求列表。该调查由来自不同矿山和不同角色或职位的行业专家组成。在进行初步调查后，对用户需求的初始列表进行了改进。这项调查还辅之以对不同矿山管理职位人员的采访。此后，与工会代表一起举办了一个讲习班，作为利益攸关方参与的一部分。
图3
用于定义用户需求规范的方法
此外，还进行了假设分析。这是基于在矿工被困或在地下失踪的紧急情况下可能出现的一系列持续和关键问题。这种假设分析被用来生成在紧急情况下可能出现的一系列问题。图4显示了在假设分析期间所问问题的顺序。
图4
失踪人口事故中的关键问题
用户需求的制定还考虑了以下因素:地下事故的性质、在任何给定时间点矿井中可能的人数(即预计在换班期间人数最多)、竖井与工作区域之间的距离、事故后条件、采矿深度、层数以及矿工可能失踪的情况。其他研究发现，系统的选择可能受到诸如岩石类型、挖掘规模、大气条件和采矿深度等因素的影响。这些用户需求的制定也考虑到诸如现有的失踪人员定位系统在矿山布局方面的技术参数、功能和能力等因素。同时也考虑了相关行业的文献综述结果。这一过程应不断重复，以最终提高提出的用户需求的置信度[73]。
然后将初步调查、讲习班、文献审查和假设分析的结果综合起来，制定适合用途的失踪人员定位系统的用户要求。建议用户需求的描述载于表5。还规定了每个用户需求的目的和缺点。应当注意的是，并非所有类型的失踪人员定位系统都能够提供拟议用户需求中的需求信息。这些用户需求代表了一个理想的失踪人员定位系统，将适用于任何给定的情况。目前市面上的任何一个失踪人员定位系统都不能满足所有的用户需求，但数量越多越好。需要进行一项研究，根据拟议的用户需求评估和衡量现有的失踪人员定位系统。此后，从评估中获得的经验可以用于改进现有的原型和其他可用的失踪人员定位系统。在这项研究中，用户需求是从文献综述、小样本初步调查、非正式访谈和与工会代表的讲习班中发展出来的。接下来，应该进行广泛的行业范围的调查，以验证和修改用户需求。还将开展更多的利益攸关方参与，以容纳采矿业所有利益攸关方和角色参与者的观点。图6演示了在矿工被困或失踪的典型紧急情况下用户需求的系统应用。这是基于提高营救失踪矿工的有效性所需采取的行动或步骤。这回答了图5中提出的紧急情况的关键问题。
图5
在事故发生后，矿工被困或在地下失踪和疏散的情况下，提出的用户要求的应用
评估任何系统的有效性和质量是预测其成功的重要方面。评估过程应该能够确定所选择的失踪人员定位系统是否能够满足用户需求，以及在多大程度上满足用户需求(表3)。进行评估有许多好处。首先，评估的结果可以帮助制造商根据现有系统的缺点设计和开发新的系统和技术。其次，制造商可以根据用户的要求对其现有的技术限制进行修改和改进，并提出新的技术。根据Mautz[74]的观点，用户需求可以驱动未来的研发方向;并随后产生新的发明，新的设计甚至整合不同的系统。Rantakokko等人[75]认为，跟踪或定位系统的用户需求应关注系统组件的定位精度、鲁棒性、可访问性和权重。在采矿业中，Shyu、Rossetti和Pratt[76]认为用户需求可以用来衡量地下通信系统的性能。这项研究的重点是功能和技术要求，以及它们在规划和实施这些系统期间的影响。Lehnen[77]进行了一项研究，以开发地下矿山定位系统的技术考虑因素。用户需求定义了系统的质量和它必须做什么，但不一定是它应该如何做。这包括在系统开发和实施之前的设计和验证[78]。重新评估已开发的用户需求的过程如图6所示。
表3建议用户对适合用途和可靠的失踪人员定位系统的要求
图6
改善用户需求，开发适合用途的失踪人员定位系统
一个适合用途的失踪人员定位系统的性能可以被描述为一个衡量系统在紧急情况下提供所有失踪人员位置的速度，以帮助指导救援队。在表4中，评估了现有的失踪人员定位系统在地下条件下的有效性、可靠性和设计考虑。评估提供了一个或多个系统可以满足所列出的每个需求的指示。在评估中，一些需求被回答为“是”或“否”，而另一些需求则是衡量每个系统的性能。从所进行的评估来看，很明显，没有一个可用的系统能够完全或完美地满足所有的用户需求。这表明不同的系统是为特定的目的和条件而设计的。例如，可以看出，TTE通信系统是为事故后的情况而设计的，但目前受到深度限制。虽然TTE磁感应通信系统使用更大的天线，其直径可小至1.2 m，也可大至90 m[44]，但由于不需要在整个矿山中安装任何重大基础设施，因此它们对故障的敏感性较低。基于TTE电极的系统由于其更小的电极而具有更低的故障易感性。另一方面，运输部的标签和追踪系统可以高精度和实时地提供失踪人员的位置，但由于需要广泛的基础设施，因此更容易出现故障。另一个有趣的发现是，没有一个系统提供生命体征跟踪功能。生命体征追踪需要更精密的设备，比如可以监测生命体征的腕表。该装置已被开发用于地下矿井突发事件[79,80]。另一个有趣的发现是，所有这些系统的操作成本相对较低，但购买和安装成本各不相同。
表4 e根据建议的用户需求评估可用系统
从评价来看，系统的有效性和系统的质量是用户需求的最关键参数。有效性可以被描述为系统充分执行其预期功能以实现其所需目标或目的的度量[81,82,83,84]。因此，在本研究中，失踪人员定位系统的有效性可以描述为系统准确、及时地定位所有地下失踪人员的度量。系统质量被定义为系统的可靠性、可用性和生存能力的组合[85]。其他研究也显示了可靠性、可用性和生存能力之间的紧密联系[86,87]。可靠性与系统随时间发生故障的风险有关[88]。因此，一个失踪人员定位系统的可靠性可以被描述为系统持续执行预期功能而没有故障或中断的度量。这就要求系统能够承受事故的影响，并在恶劣环境、不利条件或环境变化下保持运行。可用性方面是系统在需要或需要时执行其功能的概率的度量[89]。基于系统组件及其基础设施在事故发生期间和之后的脆弱性程度的系统的生存性方面[90]。生存能力也可以根据系统组件及其基础设施在事故期间和/或事故发生后对故障的易感性来衡量。因此，在容易发生各种事故的地下矿山环境中，失踪人员定位系统的质量至关重要，这些事故有可能损坏已安装的失踪人员定位系统的基础设施和部件。系统人员定位系统的任何损坏都可能导致系统的故障。因此，该系统的有效性和质量将确保失踪人员定位系统能够实现其目标，并有机会在事故发生后继续运作。可用的失踪人员定位系统在图7中绘制了系统的有效性与质量。一个适合用途的失踪人员定位系统必须在系统的有效性和质量上都名列前茅。
图7
对不同的失踪者定位系统的有效性和系统质量进行了排名
图7中不同系统的排名基于表4中评估的以下主要发现:
TTW通信系统(地下驻扎电话)在固定区域提供双向语音通信，例如机组人员站，但是不提供任何电子跟踪或探测功能。失踪人员在事故发生后必须还活着，没有受伤，以便能够联系到电话站，通报他们的位置和状况。这个系统被发现更适合那些设法逃到避难所的幸存者，只要系统没有损坏。由于其广泛的骨干基础设施需求，该系统极易受到损坏或故障的影响。因此，当被用作寻找失踪人员的手段时，这个系统的有效性和生存能力都很低。
TTA双向话音通信系统(手持式无线电)通过以太网或漏式馈线骨干基础设施运行，实现灵活的双向话音和文本通信。与TTW通信系统一样，该系统不提供任何电子位置检测或跟踪功能。由于其所需的基础设施，该系统在事故期间也容易受到损坏。该系统要求失踪人员活着并且没有受伤，以便能够沟通他们的位置。该系统可以在失踪人员没有受到伤害但受到非灾难性事件影响的情况下工作，例如能见度低或新手丢失。因此，该系统在有效性和生存能力上也排名较低。
TTA标记跟踪系统可以实时有效地提供可调整的失踪矿工位置。在基础设施受损的情况下，作为最后的手段，系统可以存储并提供最后检测到的位置。然而，该系统高度依赖于网络基础设施，如以太网或漏电馈线，在事故发生时很容易损坏。采用了无线网状网络基础设施配置来提高生存能力。因此，该系统在确定失踪人员位置方面的有效性排名较高，但在生存能力方面排名较低，因为在事故发生期间和之后，所需的骨干基础设施容易受到损坏。
TTE地震波系统通过无线方式通过地球覆盖层运行，不需要大型基础设施。被困矿工的位置可以用一组检波器从地面探测到。该系统具有增强的生存能力和相对较好的精度，但有深度限制。然而，它最大的缺点是需要失踪人员保持活着和身体上的能力，以便找到一个车站，并在良好的状态开始敲击。因此，该系统的生存能力很高，但效率很低。
TTE电磁波(磁感应或基于电极的)系统可以通过地球覆盖层进行双向语音、文本和数据传输，而不需要电子位置检测功能。该系统最大的优点是能够通过岩石无线传播信号。虽然它使用了大型天线，但由于不需要任何主要的骨干基础设施，该系统在事故中幸存下来并保持运行的可能性更高。然而，它最大的缺点是需要失踪者找到一个车站，并能够沟通他们的位置和状态。因此，该系统在生存性上排名较高，但缺乏有效性。
TTR信号搜索系统要求救援队离失踪者很近。通过搜寻矿工佩戴或携带的主动标签发出的信号，可以找到失踪人员。主动标签发出的信号由救援队携带的信号扫描仪检测。该系统可以很好地作为所提出系统的备份。因此，该系统只在事故发生后使用，在生存性方面排名较高，但在实效性方面排名较低，因为搜救队需要在事故现场寻找失踪者。
所选择的适合用途的失踪人员定位系统应适用于不同类型的与地下矿山有关的事故。众所周知，地下采矿环境与各种可能导致矿井人员被困的事故有关。在选择合适的失踪人员定位系统时，还应考虑与地雷相关的事故类型。现有的失踪人员定位系统在事故发生后容易受到不同程度的损坏和故障，这取决于事故的破坏性。表5显示了针对导致陷阱的不同事件场景，适合用途的失踪人员定位器系统必须满足的用户需求。这是基于事故可能产生的后遗症。例如，如果失踪人员受伤，他们将无法走到电话站并向地面传达他们的位置。因此，在这种情况下，不需要失踪者干预的自动失踪人员定位系统是必要的。
表5用户需求在不同事件中的应用
此外，有必要确定哪种失踪人员定位系统可以在不同的失踪人员事件场景中工作。这是在表6中进行的，表6表明了在不同的失踪人员事件场景中有机会工作的系统。交通运输署的通讯系统、电话和手提无线电，以及交通运输署的通讯系统，都需要失踪者的大力干预才能运作(即失踪者必须还活着，并且在事故后没有严重受伤，能够与电话站或无线电联络，并能够说话)。因此，当失踪者在地面坠落、瓦斯爆炸和地下火灾等事故后可能严重受伤，无法行走或说话时，这些系统就不适用了。另一方面，TTA的标记和追踪、地下GPS和惯性导航系统具有电子或自动定位功能(即不需要失踪者干预)。因此，如果失踪人员受伤、死亡或失去知觉，这些系统可以找到他们。最后，TTR信号扫描系统要求部署救援队，在离事故现场非常近的地方寻找失踪人员，并在失踪人员携带或佩戴的主动标签的可探测范围内寻找失踪人员。
表6不同系统在不同事故场景下的适用性
有不同类型的失踪人员定位系统，可用于跟踪和定位地下矿山的失踪人员。失踪者可能被困或失踪在地下由于各种原因与事故的初始事件。一个适用的失踪人员定位系统可以在指导救援队伍尽快找到失踪人员，最终挽救幸存者生命方面发挥关键作用。选择最合适和最适合用途的系统可能是一项挑战，因为现有的失踪人员定位系统种类繁多，具体适用于地雷。本研究开发了适合用途的失踪人员定位系统的用户需求。拟议的用户需求可以尽可能多地提供必要的信息，使救援队能够尽快找到失踪人员并最终挽救生命。这些用户要求可用于若干目的，例如在从若干备选方案中选择最合适和最适用的系统的过程中，评价某一失踪人员定位系统的有效性和质量，改进目前的系统，并为今后的系统提出建议。用户需求还可用于确定某个失踪人员定位系统是否适合使用。用户需求进一步用于评估现有失踪人员定位系统在各种事故场景中的适用性。所进行的评估表明，现有的失踪人员定位系统可以适用于特定情况。
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