基于超寬帶技術的礦用人員精準定位系統

趙林 ，孫增榮，王紀強，劉統玉

(1.齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250104；2.山東盛隆安全技術有限公司，山東 濟南 250032)

我國是一個礦產資源大國，全國礦井開采數量達10萬余座。由于礦產開采業的特殊性，礦產開發成為一個高危行業[1]。因此，為保障礦產開采人員安全，除了采取正常的安全保障措施外，引入有效的人員定位系統，能在災難發生時為營救被困人員提供更加有效的位置信息。目前的人員定位系統一般采用射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)、WiFi、ZigBee等無線通信技術實現井下定位，由于測量距離短、穩定性差、易受環境干擾、定位精度低等原因，無法滿足礦井的高精度定位要求[2-6]。而隨著應急救援認識的不斷提升和超寬帶(ultra wide band，UWB)脈沖技術的普及應用，井下作業人員精準定位逐漸變成了現實[7]。夏萍萍[8]采用NLOS誤差抑制方法，實現了40 m測距范圍內的平均定位誤差為0.9 m；劉世森[9]采用時分復用技術有效解決了無線信號碰撞問題，在保證定位成功率的同時，實現了定位精度0.3 m，但未對移動目標的定位情況做進一步闡述。從實際應用情況來看，如何進一步提高定位精度(特別針對移動目標)并更好地與礦井地理信息相結合，實現對目標的動態跟蹤管理，是目前人員定位系統的研究重點。

針對當前礦井人員定位系統存在的缺陷，本文設計了一種基于超寬帶技術的礦井人員定位系統，將UWB技術與礦井CAD圖紙進行有效結合，可實現在CAD二維平面內對井下作業人員位置的精準定位及井上井下實時、動態、同步跟蹤監測，具有較強的穩定性，可為礦井工作人員的應急救援提供有效的技術支撐。

1 超寬帶技術

超寬帶技術(ultra wide band,UWB)是一種無線載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據[10]。由于UWB技術傳輸速率高，能夠抵抗多徑環境，并可與現有其他無線通信系統共享頻譜，具有功耗低、穿透力強、保密性好、抗干擾能力強等優點，能提供精準的定位精度，所以其在軍事、能源、航空航天及商業領域獲得廣泛的應用。UWB測距方式有很多種，由于SDS-TWR算法可以很好地消除設置時延導致的誤差[11-12]，成為目前普遍采用的測距方法之一。SDS-TWR算法基本原理如圖1所示。

圖1 SDS-TWR基本原理Fig.1 Basic principle of SDS-TWR

t為定位基站和定位標簽之間的信號傳播時間，treplyA為定位標簽接收到定位基站信號后的等待時間，treplyB為定位基站接收到定位標簽信號后等待時間。

(1)

則兩節點之間的距離為：

(2)

2 系統設計

基站裝置內安裝有UWB主控模塊，標識卡佩戴在井下人員身上，當人員處于信號覆蓋區域內時，標識卡發送信號，UWB主控模塊實時接收標識卡UWB信號，并把其接收到的員工數據傳送至中心站主機數據庫。通過計算機模型，對數據庫中的數據進行判別、分析、處理，實現作業人員井下位置與井上地面計算機CAD圖紙同步變化，達到精準定位。詳見圖2。

定位基站內安裝有一個無線AP主板和一個百兆兩光三電網絡交換機，實現井下無線信號的全覆蓋，作業人員攜帶智能手機，通過PC端、APP軟件在系統中實現井上、井下音頻視頻聯系，地面值班人員可單呼或群呼井下作業人員，作業人員可互相單呼。發現險情方便指揮井下人員撤離和井下救援。

圖2 系統設計圖Fig. 2 Diagram of the system design

3 定位基站裝置設計

基站主要由UWB定位模塊、AP主板、光交換機和微控制板組成。其裝配圖及樣機見圖3～4，具體組件如下：

(1)UWB模塊是一種基于脈沖通信技術設計研發的模塊，這種模塊配合定位標簽，獲取人員坐標位置，通過光纜把人員信息發送至數據庫，通過計算機模型實現對井下人員坐標跟蹤精確定位。

(2)AP主板是基于WiFi的移動通信技術和工業以太網平臺，具備無線通訊和視頻傳輸功能，實現應急聯絡、緊急撤離群呼等。

(3)光交換機將電信號轉變為光信號，通過光路把信號傳遞到數據庫。

(4)微控制板通過ModBus通信協議與工控機進行通信，通過對基站遠程斷電重啟、基站狀態指示燈顯示、WiFi遠程重啟和重置，實現對基站的遠程控制。

圖3 定位基站裝配圖Fig. 3 Structure of the positioning base station

圖4 定位基站樣機Fig. 4 Prototype of the positioning base station

4 微控制板設計

控制板包括繼電器輸出接口、網絡模塊接口、光電隔離輸入接口、模擬量接口4大部分。其原理及實物圖見圖5～6，具體組件如下：

(1)繼電器輸出模塊，實現系統電源開關控制功能。控制板MCU檢測到系統故障時，通過驅動繼電器關閉系統電源，起到保護作用；故障解除時，打開電源，系統上電重啟。

(2)網絡接口模塊實現控制板與遠程主機間數據通信，通過ModBus協議實現遠程主機對系統的檢測與控制。

(3)光電隔離輸入信號包括光交換機進口檢測信號、光交換機出口檢測信號、UWB定位錨點模塊工作狀態信號、無線AP主板工作狀態信號以及系統供電電源信號。系統供電電源分為市電和電池；UWB定位錨點模塊工作狀態分為休眠和運行，交換機進口出口檢測信號狀態、無線AP主板工作狀態分為故障和正常。

(4)模擬量輸入信號為電源電壓檢測信號。

圖5 微控制板原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the microcontrol board

圖6 微控制板Fig.6 Microcontrol board

5 現場測試

系統以萊蕪礦業有限公司馬莊鐵礦-180 m中段為試驗段，對系統中的各項功能(如坐標定位同步性、準確性)及數據完整性(如呼救信號數據上傳時間、是否丟包、系統并發數量)進行現場測試，系統定位軟件界面如圖7所示，測試結果如表1～2所示。

圖7 人員定位系統軟件界面Fig. 7 Software interface of the personnel positioning system

表1 人員定位現場測試結果

表2 系統并發數量

現場實驗結果顯示，在200 m范圍內，系統平均靜態定位誤差小于30 cm；對移動目標，當人員移動速度100步/min時，平均定位誤差小于1.0 m；車輛運行平均速度為25 km/h時，平均定位誤差小于1.65 m。同時系統在設定休眠時間為2 s的工況下，在14 s時間內，系統并發量達到102個。

6 結語

本文設計了一套礦用無線通信人員精準定位系統，主要研究結果如下：

(1)將礦山企業提供的dwg格式圖紙，嵌入到定位系統軟件中，進而在CAD圖紙二維平面上實時、動態、同步顯示人員(X，Y)坐標位置，繪制人員歷史軌跡等信息，實現了對井下作業人員的精準定位。

(2)安裝PLC微控制板，可以通過系統查看某一基站工作是否正常及故障基站的狀態指示信息，實現了基站遠程斷電重啟。

(3)礦用無線通信人員精準定位系統的研究與應用，不僅實現了井下作業人員實時、動態、同步的精準定位，而且利用一套基站，系統還實現了人員定位、無線通信、視頻監控三合一，可為應急救援提供準確的人員位置信息，節省救援時間，將人員傷害降到最低，該技術在礦山安全領域具有重要的應用前景及推廣價值。