UWB技術在精準人員管理系統中的應用

常 琳

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京100013）

隨著礦山物聯網技術的不斷發展，對于煤礦井下各工段人員、各工種人員資助、動態設備、靜態設備、有軌/無軌運輸設備等目標的全周期狀態監測、信息匯集、聯動控制、數據處理等各種信息的采集、跟蹤、管理、預警、監控對人員定位技術的精準度應用需求將會越來越多，同時根據《煤礦安全監控系統升級改造驗收規范》中的要求：GIS界面中的安全監控系統、人員管理系統、應急廣播系統在應急聯動期間各設備狀態轉換正常，且軟件和硬件的聯動機制相同，方可認為具備多網多系統融合功能。規范中明確要求安全監控系統設置分級報警，當達到規定報警級別時系統發出撤人告警，GIS圖聯動人員管理系統、應急廣播系統，人員管理系統、應急廣播系統中均應具有相應的狀態提醒，同時發出語音播報。按照國家安監總局“十三·五”煤礦安全技術升級改造要求：建設煤礦安全生產科技化、信息化、數字化，人員、設備必須實時位置監測（精準定位），井下人員、設備在系統顯示必須是三維電子地圖（GIS）化，數據信號傳輸必須采用數字化及無線通信、應急廣播等，在此基礎上最大程度的保障煤礦安全建設，堅決遏制重大、特大事故的發生[1]。

而目前大部分的人員管理系統均為區域定位的方式，多采用RFID、Zigbee等技術，同時現有煤礦井下巷道生產、運輸區域多、人員工作區域分散，并且還存在著員工工作狀態不規范行為，特別是當煤礦發生安全事故時，對于員工的實時位置無法精確掌握、逃生路線無法精準指引，很大程度上會延誤救援逃生的時間，無法第一時間實施安全救援工作。

為此，對超寬帶無線載波通信技術（UWB）進行研究，采用TOF時間差進行定位的方法，結合定位及定向的方式來測量信號源到各監測點的距離（時間差×電磁波傳輸速度）來判定信號源發生的位置，通過UWB技術重點解決煤礦井下受各種工況環境影響所造成的定位誤差大、定位不精確、實時性差等問題，為煤礦井下人員定位精準監測提供一種切實可行的技術方案。

1 UWB技術應用理論的研究及闡述

目前采用UWB技術進行測距的常用方法有2種：Time of Flight（TOF）、Time Difference of Arrival（TDOA）[2]。

TOF測量技術通過測量UWB標簽信號飛行到讀卡器（或者定位基站）所需要的時間來實現UWB標簽到讀卡器的距離計算，TOF測距方法一般包括:單邊雙向測距（SS-TWR）和雙邊雙向測距（DSTWR）。

單邊雙向測距采用1號設備主動向2號設備發送數據，2號設備接收到1號設備后返回數據響應1號設備進行單個往返數據時間上的測量，具體測量方式為1號設備主動發送數據并記錄發送時間戳，2號設備接收到后記錄接收時間戳；經過T延時后，2號設備發送數據并記錄發送時間戳，1號設備接收到后記錄接收時間戳，經過計算可以統計出1號設備的時間差T1和2號設備的時間差T2，換算出信號飛行時間[3]。

雙邊雙向測距屬于單邊雙向測距的擴展升級方式，采取雙往返時間戳記錄的方式，推算出信號飛行時間，整個過程通過平均計算可以降低測距誤差，但是同時會增加響應時間。

TDOA測量技術為通過測量UWB標簽信號到達各個讀卡器（或者定位基站）的時間差來進行定位的雙曲線定位法。UWB標簽對外發送UWB信號1次后，在讀卡器（或者定位基站）可覆蓋的標簽定位距離的所有無線信號，都將會被讀卡器（或者定位基站）接收到，對于2個已知坐標點的讀卡器（或者定位基站）收到的信號，標簽和讀卡器（或者定位基站）的距離間隔不同，固收到的信號的時間節點不同，根據數學邏輯推理關系，到已知2點為常數的點，將處于以這2點為焦點的雙曲線上，同理4個已知坐標點的讀卡器（或者定位基站）就會形成4條雙曲線，4條雙曲線交于一點的位置就是標簽的位置[4]。

采用UWB技術進行人員精準定位其主要優勢主要體現在以下幾方面：

1）高精度時間戳。納秒級超寬帶脈沖信號，采用定時的方式計算位置通常誤差會小于幾厘米。

2）高定位精度。UWB的大帶寬特性決定了信號在多徑環境下具有極高的距離分辨能力，同時可以屏蔽大部分的多徑干擾信號的影響。

3）超強的抗電磁干擾能力。發射端與接收端采用同擴頻碼脈沖序列信號解調，發射功率低、信號寬帶大，避免其它通信設備對其的干擾。

4）高通信系統能效。UWB的1 GHz以上的射頻帶寬可以獲得極大的擴頻增益，在供電容量一定的情況下，延長了工作時間或者在一定的發射功率下，加大了覆蓋范圍。

2 基于UWB技術的人員定位設計方案

基于UWB技術的人員定位設計方案如圖1。

圖1基于UWB技術的人員定位設計方案Fig.1 Design of personnel positioning based on UWB technology

1）標簽單元。標簽單元與定位讀卡器單元之間采用TOF的方式進行數據交互通信，標簽單元主動向定位讀卡器單元發送數據信號，定位讀卡器單元在接收到標簽單元數據信號后返回響應數據信號同時記錄時間戳，經過交互后換算出信號飛行時間，用信號飛行時間×電磁波速度推算出當前距離，完成定位算法，定位讀卡器單元接收并處理標簽單元的數據，并將數據通過網絡傳輸至地面定位監控軟件單元，同時可將地面定位監控軟件單元下達的查詢、監控各種指令通過定位讀卡器單元轉發給標簽單元，標簽單元同時具備：語音廣播、緊急求救、缺電指示、充電指示等自診斷、自監測的功能[5]。

2）定位讀卡器單元。定位讀卡器單元做為定位數據采集分站單元與標簽單元之間的數據轉換和雙向通信通迅控制鏈路，定位讀卡器單元與標簽單元采用UWB通信方式，與定位數據采集分站單元采用RS485/CAN/光纖通信方式。定位讀卡器單元在接收到標簽單元數據信號后返回響應數據信號的同時記錄時間戳，經過交互后換算出信號飛行時間，用信號飛行時間×電磁波速度推算出當前標簽單位的具體位置，同時定位讀卡器單元會將標簽單元的位置信息上傳至定位數據采集分站單元，定位讀卡器單元具有雙向通信及工作指示功能、通訊信號中斷后的數據存儲和續傳的功能、時間標記功能、自診斷和故障指示功能、聲光報警功能等[6]。

3）定位數據采集分站單元。分站單元將采集到的定位數據進行解析，并重新組成TCP/IP協議數據包，通過光纖網絡發送到定位監控軟件單元。定位數據采集分站單元可接收地面定位監控軟件單元發出的控制命令，并轉發給各定位讀卡器單元和標簽單元。當通信網絡因故障中斷時，定位數據采集分站單元可暫時存儲數據，待網絡故障恢復后重新發送，以保證人員位置信息的完整性。定位數據采集分站單元具有雙向通信及工作指示功能、雙向通信及定位功能、通信中斷時數據存儲的功能、初始化參數設置功能、掉電保存功能、自診斷和故障指示功能、無線WIFI/4G手機雙向通話功能等[7]。

4）定位監控軟件單元。UWB人員定位系統的管理單元，采用數據庫與前端界面相結合的邏輯控制展示，標簽單元與入井人員“一一對應”，對入井人員總數、時刻、工作時間、超時進行統計、管理及預警；重點區域、限制區域等特種區域統計及管理；攜帶標簽單元的人員的基本信息包括：ID號、姓名、身份證號、出生年月、職務或工種、所在班組、工作地點、月下井次數、下井時間、天下井情況、下井活動路線等通過定位監控軟件單元需要進行全程的監測及管理[8]。

3 試驗測試

試驗測試距離400 m，每50 m選取1個點，然后對選取的8個點進行測距校準；選取2個標簽（1001、1002）共進行5次測量來對比誤差，驗證設計方案。

通過測量數據記錄及對比數據參，得出在定位讀卡器單元400 m范圍內最大平均誤差0.07 m，符合AQ6211《煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件》（征求意見稿）的技術參數要求。

4結語

從理論層面深入的探討了超寬帶無線載波通信技術（UWB），通過對TOF測量方式完成了對人員精準定位的分析，并對比闡述了UWB定位技術的優點，同時對其在煤礦井下人員精準定位管理過程中的應用方案進行了詳細的論述。UWB技術的高精度時間戳、高定位精度、超強的抗電磁干擾能力、高通信系統能效等優勢特點可以最大程度完成人員的精準定位，在此基礎上將對于煤礦人員的精準定位技術逐步的推廣到固定設備、移動設備、有軌運輸車、無軌膠輪車等的精準定位，從“全空間”對所有工況環境進行管控，為未來的精準定位提供一個有效的路徑及指導方向。