一種基于UWB技術的煤礦人員定位系統(tǒng)解決方案

鄭小磊 王金滿

摘 ?要：文章針對煤礦人員定位系統(tǒng)，進行了多種定位技術的調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超寬帶技術更適合煤礦人員定位，進而對超寬帶技術進行了研究，并對超寬帶定位的算法進行分析。結合煤礦井下實際情況，研究制定一套基于超寬帶技術的煤礦人員定位系統(tǒng)的解決方案，包括系統(tǒng)的總體架構、軟件方案和硬件方案。對整套解決方案進行了實測，實驗結果表明所設計系統(tǒng)能夠滿足煤礦人員定位場景的需求和設計指標要求，達到了良好的性能。

關鍵詞：煤礦;安全生產(chǎn);人員定位系統(tǒng);超寬帶;解決方案

中圖分類號：TN92 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0031-05

A Solution of Coal Mine Personnel Positioning System Based on UWB Technology

ZHENG Xiaolei1，WANG Jinman2

（1.China Coal Research Institute Changzhou Automatization Research Institute Co.，Ltd.，Changzhou ?213015，China;

2.Shandong Branch of Beidou Tiandi Co.，Ltd.，Jining ?273500，China）

Abstract：Aiming at the coal mine personnel positioning system，this paper carries out a variety of positioning technology investigation. The investigation found that the UWB technology is more suitable for coal mine personnel positioning，and then conducted research on UWB technology，and analyzed the algorithm of UWB positioning. Combining with the actual conditions of coal mines，research and formulate a set of solutions for coal mine personnel positioning system based on UWB technology，including the overall architecture of the system，software solutions and hardware solutions. The actual measurement of the whole set of solutions shows that the designed system can meet the needs of coal mine personnel positioning scene and design index requirements，and achieve good performance.

Keywords：coal mine;safe production;personnel positioning system;UWB;solution

0 ?引 ?言

煤礦井下人員定位系統(tǒng)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一[1]，對于煤礦安全生產(chǎn)至關重要。中煤科工集團常州研究院有限公司是煤炭行業(yè)專業(yè)從事煤礦通信和監(jiān)控類產(chǎn)品研發(fā)和檢驗的高新技術企業(yè)，其下設的檢測中心是煤礦行業(yè)專用從事礦用通信和監(jiān)控設備安全準入分析驗證的國家級檢驗中心。常州研究院在國內(nèi)率先采用RFID技術開發(fā)成功并推廣應用井下人員安全監(jiān)測系統(tǒng)，在煤礦人員定位系 統(tǒng)的研發(fā)方面處于國內(nèi)領先地位。人員定位系統(tǒng)在實現(xiàn)安全，同時可提供包括礦井人員和車輛實時位置和完善信息，從而實現(xiàn)對礦井人員實時的、全面的、智能的管理，在發(fā)生緊急事故的時候，可迅速、準確地對井下人員定位，減小搜救難度，提高人員生還概率。

本文針對超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術進行詳細的介紹，并給出了基于UWB技術的煤礦人員定位系統(tǒng)的整套解決方案，包括軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和布站方式，并在現(xiàn)場進行實測，根據(jù)實測效果得出結論。

1 ?概述

1.1 ?研究背景

根據(jù)國家煤礦安監(jiān)局《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術條件（征求意見稿）》、山東煤礦安全監(jiān)察局關于印發(fā)《山東煤礦人員精確定位系統(tǒng)技術要求（試行）》（魯煤監(jiān)技裝〔2019〕55號）、山東煤礦安全監(jiān)察局和山東省能源局聯(lián)合制定了《山東煤礦安全監(jiān)察局 山東省能源局關于進一步加快全省煤礦人員精確定位系統(tǒng)建設工作方案》（魯煤監(jiān)技裝〔2019〕65號）的文件精神，行業(yè)標準和文件要求定位標簽卡的靜態(tài)測距誤差不大于0.3 m，覆蓋范圍不小于400 m，這就要求人員定位系統(tǒng)必須采用定位準確的UWB技術。

1.2 ?現(xiàn)狀

近年來，針對人員定位的應用場景發(fā)展了多種定位技術[2]，包括Wi-Fi[3]，藍牙[4]，ZigBee[5]，UWB等[6]，表1給出了幾種典型的無線定位技術在煤礦場景下對比。

由于井下的空間相對封閉[7]，巷道曲折狹小[8]，信號衰落快，多徑效應明顯[9]，定位系統(tǒng)接收信號中往往無法分辨直達信號和多徑信號，影響時間信息的獲取，對定位精度造成影響;而UWB信號具有脈寬窄，距離分辨率高的特點，相對于其他無線定位技術，具有精度較高、覆蓋距離遠，成本適中等優(yōu)點，非常適合礦井定位的要求，成為煤礦人員定位技術的首選。

1.3 ?研究目的

定位管理系統(tǒng)結合煤礦井下實際情況，在滿足國家相關行業(yè)標準的基礎上，采用先進精確定位技術，實現(xiàn)礦井內(nèi)目標精確定位。本文基于精確定位UWB技術設計定位解決方案，并測試該方案下UWB技術的有效覆蓋距離即最大傳輸距離，以及有效傳輸距離范圍內(nèi)的測距精度。

2 ?基于UWB的人員定位技術

與傳統(tǒng)的窄帶信號不同，從頻域上看，UWB信號帶寬很大，而時域脈沖寬度窄，同時在每個頻點上功率很低。UWB信號具有時域分辨率高，帶寬大，不易被截獲等特點，被廣泛應用于雷達，定位與通信的場景中[10]。在煤礦定位場景下，使用UWB信號相對于窄帶信號的主要優(yōu)勢在于：UWB信號能準確分離無線傳輸中的直達信號和多徑反射信號，而窄帶信號不具備該能力。

人員定位系統(tǒng)中常用的定位與測距算法，有基于到達時間（Time of Arrival，TOA）、到達時間差（Difference of Time-Of-Arrival，TDOA），以及基于到達角度（Angle of Arrival，AOA）、到達信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）的定位與測距算法等。本系統(tǒng)場景下，針對UWB信號時間分辨率高的特點，更適用于采用基于時延的TOA和TDOA算法，圖1（a）給出了TOA定位算法的示意圖，圖1（b）給出了TDOA定位算法的示意圖。

本系統(tǒng)中，被定位區(qū)域布設UWB定位基站，由被定位對象攜帶UWB定位標簽。通過測量定位標簽與定位基站距離（或偽距）的關系，從而獲得定位對象的位置。具體分為單基站TOA定位和雙基站TDOA/TOA定位兩種方式：

（1）單基站TOA定位方式。UWB單基站一維定位時，定位標簽在基站覆蓋半徑范圍內(nèi)與定位基站測距，同時定位基站通過接收到的UWB信號特征判斷定位標簽處于基站的哪個方向（在巷道的左邊還是右邊），通過已知的基站坐標，解算出定位標簽的坐標位置。如圖2所示。

UWB單站定位方式的優(yōu)點是，覆蓋距離遠、成本低，站間的距離是基站覆蓋半徑的疊加;缺點是標簽只有一個基站覆蓋，系統(tǒng)的冗余度低，且定位標簽與基站來回測距，標簽續(xù)航時間相對較短。

（2）雙基站TDOA/TOA定位方式。UWB雙基站一維定位，定位標簽同時在兩個基站覆蓋半徑范圍內(nèi)與定位基站測量時間差，通過時間差的關系，解算出定位標簽的方向和離基站距離進而解算出定位標簽的坐標。如圖3所示。

UWB雙基站定位方式的優(yōu)點是，在TOA模式下，標簽單程測距，續(xù)航長;而TDOA模式下標簽與兩個基站都會測距，系統(tǒng)冗余度高;缺點是站間需要相互覆蓋，轉彎的位置不易部署，覆蓋距離相對于單站縮減一半，成本較高。

3 ?系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)是基于UWB超寬帶測距技術的煤礦人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由應用層、服務層、傳輸層和設備層（包括本安型定位基站和本安型定位標簽）構成，傳輸層主干網(wǎng)通信方式采用有線或無線的通信方式。各層主要功能如圖4所示。

下面對人員定位系統(tǒng)各層進行詳細描述：

（1）應用層通過調(diào)用服務層提供的SDK接口二次開發(fā)形成，對終端煤礦用戶提供人員定位系統(tǒng)軟件，主要功能包括位置監(jiān)測顯示、人員信息管理、越界報警、存儲和查詢、人機交互功能等功能。

（2）服務層對底層UWB時間信號數(shù)據(jù)處理后，解算出定位數(shù)據(jù)，同時為應用層提供SDK前端和SDK后臺接口，此外，服務層還提供了系統(tǒng)設備管理軟件，對設備設施進行管理、故障診斷、調(diào)試等服務。

（3）傳輸層采用Wi-Fi和光纖方式進行數(shù)據(jù)傳輸，向下將應用層相關指令傳輸給定位基站，向上將定位原始數(shù)據(jù)傳輸給服務層，是定位基站與服務層、感知層之間數(shù)據(jù)傳輸通道。

（4）設備層主要包括本安型定位基站和本安型定位標簽，本安型定位標簽按時隙廣播攜帶自身ID號的無線信號，本安型定位基站接收到本安型定位標簽發(fā)送的信號后，將接收到信號的時間戳和本安型定位標簽ID卡號通過傳輸層輸給服務層解算，完成對本安型定位標簽卡的定位，同時本安型定位基站也可以通過傳輸層接收到應用層下發(fā)的指令，完成相關的設置。

系統(tǒng)各層提供的主要功能和接口如圖5所示。

4 ?系統(tǒng)硬件方案

圖6是基于UWB技術的煤礦人員定位系統(tǒng)的硬件架構，系統(tǒng)設備層由定位服務器、主干傳輸網(wǎng)絡、本安型定位基站和本安型定位標簽組成，同時具有井口唯一性檢測裝置可供選擇;主干傳輸網(wǎng)絡由地面網(wǎng)絡和井下環(huán)網(wǎng)組成，本安型定位基站和井下交換機之間可通過網(wǎng)線或光纖進行連接，本安型定位基站間可通光纖進行級聯(lián)接，本安型定位基站通過帶后備電源的隔爆兼本安電源或者澆封兼本安電源供電。

系統(tǒng)感知層的主要設備包括本安型定位基站、本安型定位標簽，其主要的技術參數(shù)為：

（1）本安型定位基站。圖7（a）是本安型定位基站外觀圖，圖7（b）是本安型定位基站內(nèi)部結構圖。

（a）本安型定位基站外觀

（b）本安型定位基站內(nèi)部結構

本安型定位基站的主要技術參數(shù)如表2所示：

（2）本安型定位標簽。圖8（a）是本安型定位標簽外觀圖，圖8（b）是本安型定位標簽電路板圖。本安型定位標簽主要參數(shù)如表3所示。

現(xiàn)場本安型定位基站的部署方案如圖9所示，對于長直巷道，最大每隔800 m布置一個本安型定位基站，對于轉彎巷道，在出彎兩端最大400 m的位置部署本安型定位基站。對于轉彎巷道和分支巷道，本安型定位基站部署如圖9所示。

5 ?現(xiàn)場應用與實測結果

測試場景選擇某煤礦井下巷道，巷道直線長度超過1 km。本安型定位基站和定向天線安裝在西翼巷道400 m處，所處位置標識為地圖零點坐標。測試所用主要設備如表4所示。

測試現(xiàn)場本安型定位基站如圖10所示。

測試時，由測試人員攜帶全部本安型定位標簽從本安型定個位基站零點位置開始向巷道400～1 000 m一側行走，同時測試測距誤差，觀察定位延遲、記錄本安型定位基站的最遠覆蓋距離，表5記錄了不同距離下測試系統(tǒng)的測距誤差。

測試結果顯示，系統(tǒng)本安型定位基站單向覆蓋距離能夠達到700 m左右，但是400 m之后測距精度可能達不到0.3 m的要求;400 m范圍內(nèi)定位成功率高;同時系統(tǒng)測試過程中未出現(xiàn)明顯的丟失定位標簽現(xiàn)象，系統(tǒng)通信成功率高。所設計的人員定位系統(tǒng)在煤礦井下的實際應用場景中表現(xiàn)出良好的性能。

6 ?結 ?論

本文詳細闡述了基于UWB技術的煤礦人員定位系統(tǒng)的解決方案，軟硬件架構和通信組網(wǎng)方案，并對該方案進行現(xiàn)場實際應用，結果表明：該方案下的UWB定位系統(tǒng)，單基站的最遠覆蓋半徑不小于400 m，在本安型定位基站單向400 m范圍內(nèi)，本安型定位標簽卡的測距誤差不大于0.3 m。現(xiàn)場的實際應用表明所設計的系統(tǒng)適用于煤礦人員定位場景，滿足設計指標和應用需求，達到了良好的性能。

參考文獻：

[1] 楊通祿，高艷芬，賈明濤，等.論礦山安全避險“六大系統(tǒng)”在安全生產(chǎn)中的作用 [J].采礦技術，2013，13（2）：35-38.

[2] 董健.物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術：第1版 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3] 孫弋.短距離無線通信及組網(wǎng)技術 [M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[4] HUANG X H，ZHU W，LU D X，et al. Underground miners localization system based on ZigBee and WebGIS [C]//2010 18th International Conference on Geoinformatics.IEEE，2010.

[5] 田豐，郭巍，王傳云，等.基于Zigbee技術的煤礦井下GIS輔助定位算法 [J].煤炭學報，2008，33（12）：1442-1446.

[6] 王一強，孫罡，侯祥博.UWB超寬帶技術研究及應用 [J].通信技術，2009，42（3）：70-72+75.

[7] 李晶.井下巷道超高頻無線電波傳播及定位算法的研究 [D].天津：天津大學，2006.

[8] 范迪，呂常智，裴亮.巷道傳播特性及電磁波定位方法的實用性分析 [J].煤礦安全，2007（5）：5-9.

[9] 孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術 [J].煤炭學報，2010，35（11）：1925-1929.

[10] RICHARDS M A. Fundamentals of radar signal processing：1st ed [M].New York：McGraw-Hill，2005.

作者簡介：鄭小磊（1986—），男，漢族，江蘇如東人，工程師，通信所所長助理，學士學位，研究方向：防爆通信監(jiān)控設備的技術審查和檢測檢驗。