基于通訊網絡及智能照明系統的選煤廠人員的定位系統

侯強 王俊峰 南朝云

摘要：為了解決智能化選煤廠建設帶來的人員減少、崗位工巡檢區域擴大、作業范圍廣，日常管理困難問題。本文對常用的基于ZigBee定位及WiFi定位系統的優缺點進行比較，基于上灣選煤廠現有的智能照明人員定位系統，提出了一種基于通訊網絡及智能照明系統相結合的人員定位系統，結果表明該系統可以有效提高人員定位準確度，能實現選煤廠人員定位全域覆蓋，實現照明的動態調節、自動控制，攝像頭聯動及錄制等一系列功能。

關鍵字：人員定位;通信網絡;智能照明;寬帶集群

引言

近年來各煤炭企業智能化選煤廠建設不斷深入，設備自動化、智能化控制水平不斷提升，選煤廠崗位工巡視區域逐漸變大，一個人需要巡視多個作業點，人員在廠區流動性大，給選煤廠人員安全管理，帶來很大困難。上灣選煤廠由于近幾年智能化改造，崗位巡檢人員不斷減少，在突發狀況時無法決定人員具體位置，無法查看崗位巡視軌跡，對崗位人員的安全定位及無人巡檢區域的管理顯得尤其重要。為解決上述問題上灣選煤廠在選煤廠智能化建設過程中將原有照明系統更換為帶有人員定位功能的智能LED照明系統，該系統可以通過人員隨身攜帶的定位卡進行照明控制，實現人走燈滅且能對人員進行定位，達到最大程度降低能耗及員工管理的目的。本文在現有的智能照明系統基礎上，分析幾種定位系統優缺點，提出了一種適用于選煤廠的人員定位系統。

1選煤廠人員定位系統

1.1選煤廠人員定位特點

人員定位技術已經在煤礦及其他行業應用多年，但選煤廠人員定位具有以下特點：

1） 廠區區域大，上灣選煤廠廠區覆蓋面積約1平方公里，且裝車車間涉及鐵路周邊區域。

2）生產車間多，各種結構的建筑物多，如廠房、筒倉、棧橋、工業廣場、濃縮池等，定位應僅能覆蓋生產區域及廠區其他區域。

3）倉下、濃縮池泵坑等位置GPS等信號收不到。

4）生產車間內飛塵、瓦斯等有害氣體及水汽、振動等因素，要求可靠性高的定位設備[1]。

針對選煤廠環境特點，需要研究適用于選煤廠的人員定位系統。

1.2 ZigBee人員定位系統

人們比較熟知的定位系統一般是GPS定位，目前藍牙定位、RFID定位、WiFi定位、基站定位、ZigBee定位等無線技術定位系統已經應用到各行業。而RFID射頻定位、ZigBee定位常用于工礦廠區人員定位。ZigBee定位具有成本低、能耗低、短距離、低速率、安全系數高等性能，廣泛應用于工業自動化、家庭自動化等領域。但由于數據速率比較低，不適合做視頻傳輸。容易受到電磁干擾和多徑效應的影響，使所測得距離產生較大誤差[2-4]，且存在信號易受到遮擋消失、無法精確定位問題，全覆蓋的成本高、多套網絡的不兼容問題。由于ZigBee隨機接入MAC層，時分復用的信道接入方式無法實現，故針對一些實時的業務不能很好的支持。

1.3 WiFi人員定位

WiFi是一種寬帶無線網絡技術，相對ZigBee，傳輸距離遠、傳輸速率高、傳輸帶寬寬，最高能夠達到300m，且能夠接入網絡，滿足生產現場的數據傳輸、視頻監控傳輸。WiFi傳輸信號時，會根據周圍環境的情況調整傳輸速率[5]，網絡的可靠性和穩定性有一定保障，具有以下特點：

1）覆蓋范圍廣。在廠區開闊區域，覆蓋范圍可達300m;在封閉的環境下，覆蓋范圍能夠達到100m左右.

2）組網方便。網絡的構建無需鋪設電纜，且與現有的有線以太網能整合到一起，實現方式簡單、易行，普及性較強。

3）工作效率高。對數據交換和分組采用TCP/IP協議，網絡工作效率高。

鑒于WIFI的人員定位系統具有強大的功能性與實用性，在選煤廠廠區安裝WIFI基站，實現WIFI覆蓋全廠形成一個無線局域網，現場崗位人員每人手持專用設備通過WIFI網絡傳輸到人員定位系統，車間管理人員可以通過人員定位系統查詢現場作業人員的實時位置信息、系統報警以及在某段時間內改崗位工的位移信息。數據接入互聯網后調度指揮中心、廠領導等可以通過互聯網查詢相關信息。因WiFi定位精度有限，且選煤廠廠區范圍大，部分區域WiFi信號弱或無法接收信號，按上灣廠區面積需要布置基站較多，且需要聯網情況下才能進行定位，成本過高。

2 上灣選煤廠智能照明人員定位系統

2.1智能照明系統原理

上灣廠自動化程度高，崗位人員少，廠區大，要求巡視人員離開巡視區域時燈具能自動調低亮度或關閉以到達節能。巡檢人員隨身攜帶的定位終端會發送人來消息給燈具，燈具接收到定位消息后，根據設定決定是否開燈，巡視人員離開后，燈具一定時間內檢測不到終端，則燈具關閉或調暗。

上灣選煤廠智能照明系統通過給每臺燈內內置無線通訊天線，各燈具之間基于ZigBee技術組網。巡檢人員隨身佩帶有源定位卡，通過對各個區域預先人為定義，系統會統計各區域人數、軌跡回放，在實現智能照明的，實現人員定位。

定位終端實時測算其與燈具的距離信息，并將距離數據傳輸給燈具，燈具通過無線網絡將收到的數據上傳至集中控制器。集中控制器將收集到的所有燈具定位數據通過光纖網絡傳輸至服務器，服務器軟件結合參考點的坐標與收到的定位數據，計算出人員位置。燈具在定位系統每一個都有固定坐標，定位終端實時掃描燈具，在最優的點集合進行距離測試。終端通過分析與處理測試結果選定最優的參考點，并將相關信息數據最終傳送至服務器，軟件系統根據終端與燈具的位置信息，結合廠區地圖得出人員坐標。

兩個zigbee節點運行機制為Ttof，即本地節點發送一個Ttof報文給遠端節點，針對這個Ttof報文，遠端節點會回復一個應答。從發送Ttof信息到接收到應答信息的時間為TTOT，減去回復ACK耗費時間TTAT，即為信號在兩節點間總的來回時間TRTT。假設信號在兩節點間來回的時間相等，則計算公式如下：

Ttof——飛行時間

TRTT——信號在兩節點間來回總的時間

TTOT——發送信息到接收應答時間

TTAT——遠端節點回復數據確認所耗費的時間

2.2上灣智能照明系統組成

該廠智能照明人員定位系統分為：由控制中心、節能LED燈控制管理終端（LCM）、智能控制終端（RTU）、路燈單燈節能控制器（LCU）、通訊系統等組成。通過在各個生產區域廠房、棧橋內部署定位分站，實現生產區域定位信號覆蓋，能判別人員在生產區域內部還是外部。通過每層設立的分站能夠判別具體樓層。因為覆蓋范圍有5-10m的距離，當某個或幾個子站故障，不影響其他子站定位。但由于其需要布置設備較多，存在施工難，維護難，具有一定局限性，故只能在照明燈具用量大的廠房內布置，而廠區室外等位置無法實現人員定位，故該系統只能完成生產區域人員定位，一些未部署燈具的位置及廠區生活區域則無法定位。

2.3上灣智能照明系統功能

該單位智能照明人員定位系統可以實時查看位置信息、歷史軌跡、燈具亮度實時調節等功能。

1）人員實時位置查看。根據人員定位卡，實現對各區域人員定位，統計該區域人員數量。廠領導、車間帶班人員、調度室可以實時看到全廠生產系統總人數及各區域人數，可以查看某個區域人員實時動態信息，實現根據人員位置信息完成考勤。

2）人員歷史軌跡查看及回放。可以對選定人員的歷史軌跡進行回放，對某個時間段歷史軌跡數據進行播放。

3）燈具狀態實時調整。能實現照明遠程控制，對區域內照明燈具的狀態巡檢、查詢、調整，故障情況能及時發現，節約維護成本。燈具用電量數據統計，實現能耗的分析。

4）自動定時調光及關燈。通過判斷巡檢人員定位卡的位置，當定位終端檢測接近燈具時，來控制現場燈具的開關及亮度，實現“人來燈亮、人走燈滅”，降低電耗。

3 基于4G網絡及智能照明技術的選煤廠全域人員定位系統

采用Witen（Wideband Trunking Enterprise Network）無線寬帶集群，通過在搭建4G或5G通信網絡，可以有效解決WIFI人員定位無線通信網絡問題。無線寬帶集群解決了語音調度、數據傳輸等的綜合化應用問題，為了滿足行業專網用戶指揮調度需求開發的無線寬帶集群通信網絡，專用無線寬帶集群通信系統面向特定行業應用。需要無線寬帶集群網絡實現現場作業信息采集、處理，現場監控視頻長傳、視頻調度指揮、GIS位置定位、移動辦公等信息化。打造寬帶無線通信網絡，與有線網絡深度融合，實現集群通信、視頻監控、生產輔助監控監測等功能，提高生產效率、降低生產成本。

考慮以廠區工業以太環網為主、支持運營商4G、5G公用網、廠區專網和定位基站間自組網等數據傳輸支撐，共同構建的全方位、立體化、綜合數字化傳輸體系的高精度安全定位系統。可確保在某一傳輸系統故障時，可及時切換至其他傳輸系統，確保系統因意外造成的不穩定、不正常傳輸，保障信息的及時性，可靠性。通過在上灣洗煤廠搭建通信網絡專用數據、通訊傳輸網絡，選煤廠采用兩個射頻單元可以實現整個廠區無線信號全覆蓋，生產人員配備4G、5G終端產品，終端開啟GPS定位，啟用后人員位置的經緯度數據傳輸給人員定位系統。

基于智能照明人員定位系統無法實現廠區其他位置人員定位，通過4G、5G網絡及智能終端實現GPS定位，其適應性強，不受選煤廠特殊環境影響，可以滿足廠區開闊區域的人員精確定位，可以全覆蓋廠區辦公樓、廠房、鐵路沿線以及廠區其他區域定位，但其無法滿足廠房、辦公樓等室內區域精確定位，無法具體到樓層，而只能照明人員定位系統則很好解決此問題，通過將通信網絡及智能照明相結合的人員定位系統，完全滿足選煤廠人員定位要求，可以實現人員廠區具體區域的縱向定位以及生產現場具體地點的橫向定位。同時將該定位系統與廠區照明、攝像頭聯動，人員定位系統可以根據崗位人員巡視軌跡，實現照明、監控聯動，降低電耗。同時根據人員定位信息可以實現人員詳細軌跡紀錄，管理人員提前在智能終端中下達巡視任務，定位系統根據定位自動確認巡視任務，對選煤廠安全生產具有重大意義。

4結語

基于通信網絡及智能照明技術的選煤廠全域人員定位系統，可以實現照明的動態調節、自動控制，人員信息定位、電子圍欄報警、人員歷史軌跡紀錄、攝像頭聯動及錄制、崗位考勤、簽到，巡檢任務確認等功能，對選煤廠安全管理具有很大提升，通過人員定位系統平臺實現人員管理、保障安全生產、優化管理的目的。

參考文獻

[1]. 趙彥如，苗煒麗， 一種基于RFID技術的礦井人員定位系統[J]. 自動化與儀器儀表， 2018（01）： 第191-194頁.

[2]. Dan Liu，Hong Yu.Smart Control for Wireless Indoor Lighting System Based on ZigBee Technology[J]. Advanced Materials Research . 2014 （898）

[3]. 王敏等， 基于物聯網架構的智能照明系統的設計與實現[J]. 電工技術學報， 2015（S1）： 第110-114頁.

[5]. 侯強，上灣選煤廠智能化改造關鍵技術研究與應用[D].西安科技大學.2019

[6]. 焦尚彬等， 基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統[J].電子測量與儀器學報， 2013（05）： 第436-442頁.

作者簡介：侯強（1988—），男，籍貫：陜西咸陽， 學歷：本科，職稱：工程師，從事機電設備管理。