露天煤矿采用UWB定位技术实现露天煤矿人员定位系统智能化应用

为解决目前露天煤矿普遍安装的人员定位系统只能进行区域人员定位的问题，同时解决现有的精确人员定位系统建设成本投入太高的问题，提出了采掘面和关键区域精确定位和其他地方区域定位相结合的方案，甚至可以融合现有的区域人员定位系统。

系统采用UWB超宽带技术为定位测量技术，理论精度达到0.1米。有专门的人员定位监测平台软件，进行定位信息的处理，功能涵盖现有人员定位系统的功能，并能融合现有区域定位数据，系统同时还提供调度通讯的功能。

系统由人员调度通讯定位终端（人携带）、精确定位锚点、区域定位锚点、采集器、传输分站、光纤、电源、矿用本安电源箱、调度采集服务器、人员定位系统分析平台软件等几部分组成。


精确定位采用UWB(UltraWideband)**宽带，频带为3.1-10.6GHz，带宽大于500MHz，时域上表现为时间较短(＜2nS)的脉冲。


模块A相当于安装在人员调度定位终端里，模块B相当于安装在精确定位锚点里，精确定位锚点按照固定坐标值，按一定间隔安装。


UWB定位技术采用的是TOF（飞行时差）测距，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的a1发射请求性质的脉冲信号，模块B在b2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳a2时刻接收。


人员调度定位终端不断在获取UWB定位锚点ID和距离信息，从报文信息中判断本次测距通信的UWB锚点数量为1还是大于1，若是1，则存储一条精确定位信息，若是2，则拆分成两个精确定位信息存储。



人员调度定位终端将在**次进入某个区域定位锚点区域、离开某个区域定位锚点区域、切换到新的区域定位锚点三个时间节点的时间形成区域定位信息，并将区域定位信息存储后在LoRa网络覆盖时将区域定位信息上传给分站和采集器。

人员调度定位终端在**次搜到区域定位锚点之后，记录当前时间和区域定位锚点ID信息。

若后面较长10S时间内能够持续搜到同一个ID的区域定位锚点，则不做处理，若10S时间后没有搜到同一个ID的区域定位锚点，则记录当前时间-10S和区域定位锚点ID信息。若在10S时间内搜到另一个区域定位锚点，则立即记录当前时间和较新的区域定位锚点ID信息，并按较新区域定位锚点为标准进行10S间隔判断。

区域定位锚点信息的获取功能由人员调度定位终端上的2.4GRFID模块实现，2.4GRFID模块会将状态变化情况（经过的锚点信息、游离状态、更换锚点）通过串口发送给主控制，主控制缓冲后，通过LoRa将区域定位信息进行上报给采集器。

 

项目实施工作流程

1、定目标

考虑项目资金受限情况及现有人员定位系统状况，确定是全矿精确定位还是局部精确定位。

2、划范围

确定哪些采掘工作面及围栏区域需要精确定位，从什么地方开始到什么位置结束，区域定位能接受的较大精度。

3、做试验

在所有涉及的精确定位区域，分别做UWB信号和LORA信号正常工作覆盖的范围，即传输距离，作为设备布置的基础参数。

4、拟规划

在做试验的基础上，做出所有区域和位置的的锚点安装规则、规划。

5、找位置

根据规划，在电子采掘工程平面图上，标注出每个锚点具体的安装位置。

6、去安装

在需要安装的位置，实际悬挂安装锚点，同时使用矿用巡检记录仪将锚点编号与位置进行现场对应。

7、培训试运行

组织相关培训，试运行，系统调整，准备验收材料。


1. 人员定位，功能包括：

采煤面、掘进头精确定位；大巷、上下山区域定位；特定区域的电子围栏警告；危险报警、求救；人员管理统计与分析；行为轨迹追踪。

2．调度通讯，功能包括：

语音调度；语音广播，预设的调度室信息联络。

3. 可扩展功能，功能包括：

获取设备信息；进尺自动测量；设备定置管理。


五、创新点或系统亮点

（一）项目创新点

1、利用UWB的TOF（飞行时差）测距方法，将人员定位的理论误差提高到0.1m，解决了露天矿山主要工作场所人员精确定位问题。

当前所有煤矿都装有人员定位系统，至少90%以上是安装的区域人员定位系统，主要目的是监控人员分布情况和考勤，能知道在哪个工作面，但是具体在工作面上的什么位置，就不清楚了。

2、利用Lora的无线通讯特性，搭建了适合露天矿山的物联网，通过与矿山工业以太网的融合，形成矿山私有物联网，解决了露天矿山信息网络建设较后一公里的难题。

不排除有的矿山将工业以太网WiFi或者3G/4G网络布置到了采煤面和掘进头，但至少目前98%的矿山没有这么做，不单是资金的问题，主要的还是环境变化太快，网络维护工作量太大。该研究为复杂生产环境的物联网建设提供方案。

3、利用搭建的矿山私有物联网、语音识别技术和TTS语音合成技术，借助人员调度通讯定位终端，将人员精确定位和语音调度**地结合起来，是行业内**。

煤矿作业人员管理系统通用技术条件 ，目前没有实现要求宜具有寻呼功能、宜具有呼救、告急功能、宜具有广播通信功能、宜具有双向语音通信功能，宜具有就地报警和地面远程控制报警功能、宜具有生命探测功能。

4、利用合理的UWB锚点部署规划和线性空间定位算法，方便地实现了危险区域虚拟电子围栏的定义，通过人员调度通讯定位终端给予声光提醒，实现人员行为监控和相关安全隐患的自动辨识。

5、利用项目提供的精确定位和区域定位相融合的方法，既解决了关键生产位置的精确定位需求，又能通过区域地位降低资金投入，解决了实际客观需求与有限资金投入的矛盾。

UWB定位是目前室内精确定位（在GPS不起作用的环境下）的主要技术，锚点和标识卡硬件设备价格高，但是在矿山下一般识别距离在70m~150m（与巷道宽度和煤体环境有关），若全部每隔100m设一个锚点，投入太高。

项目亮点

1、预期整体信息化投入降低

构建物联网，多系统共享网络资源。提供广播功能，可减少其部署资源可回收，循环使用。

2、高效管理，精准调度

一个系统实现人员跟踪与语音调度管理。知道准确位置，指挥精准到位。点对点沟通，方便快捷

3、人员定位精度提高

定位理论精度可达0.1m，露天矿山人员定位可达国内良好水平， 性价比远**现推行的同类先进适用技术。

4、人员行为管理智能化

实现虚拟的电子围栏，根据警告和不安全行为记录；可分析人员在岗情况和脱岗记录；巡检人员位置精确化，可实现履职监管自动化。