UWB技術在煤礦井下的應用

郭愛軍

(國能神東煤炭集團有限責任公司技術研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

超寬帶定位技術(UWB)相對于其他無線定位技術，具有低功耗、較高精度、覆蓋距離遠，成本適中等諸多優點，非常適合于工業環境下的定位要求。UWB技術首先在露天環境中廣泛應用于各種人員定位場景，隨著煤礦智能化技術的不斷升級，UWB技術逐漸在井下得到應用。成為當前煤礦井下作業時保護人身財產安全的首選高精度人員定位技術。

1 概述

井下安全問題頻發，冒頂、爆炸、透水、機電設備事故、有毒氣體中毒都是煤礦常見事故，一旦發生事故，帶來的人員傷亡和經濟損失都無法預估。

1.1 傳統的煤礦井下環境與定位技術

煤礦井下環境條件：溫度-20 ℃～40 ℃；月平均最大相對濕度不大于95%(該月平均最低溫度不低于25 ℃)；海拔高度不大于2 500 m；汽車行駛道路干線為礦山等級路，道路條件差；支線和臨時道路多為碎石泥土混和、表面凹凸不平、多塵或泥濘的非等級道路。在這樣惡劣的道路條件下要降低煤礦安全事故的發生概率，需要利用高精度的人員定位技術，實現規范化的高效巡檢預防。通過高精度的監測系統，監測設備故障、監測危險區域、監測危險源、監測危險行為的人員定位，對井下突發事件及時有效的預警，同時可以全方面掌控井下人員分布情況，加強事后處理問題的精準性和效率。追溯和分析事故原因，落實相關責任，為避免事故再度發生提供支持。

人員定位技術：傳統的人員定位技術采用的通信方式是連續波信號，即本地振蕩器產生連續的高頻載波。對于需要傳送的信息通過一定的調制方式(如調幅，調頻等方式)加載于載波之上，通過天線進行發送。現在的無線廣播，4G通信，WiFi等均采用該方式進行無線通信。

1.2 UWB無載波通信技術

UWB是一種無載波通信技術，與傳統通信技術不同，它不采用載波，而是利用ns至ps級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用ns級窄脈沖發射無線信號的技術，適用于高速、近距離的無線個人通信。UWB所使用的頻率范圍為3.1～10.6 GHz 之間的7.5 GHz的帶寬頻率。

從頻域來看，超寬帶有別于傳統的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指信號帶寬與中心頻率之比小于1%的頻譜帶，相對帶寬在1%～5%的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%，中心頻率大于500 MHz的被稱為超寬帶。從時域上講，超寬帶系統有別于傳統的通信系統。一般的通信系統是通過發送射頻載波進行信號調制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖(幾十ns)直接實現調制，超寬帶的傳輸把調制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程所持續的時間，決定帶寬所占據的頻率范圍。由于UWB發射功率受限，進而限制了其傳輸距離，據資料表明，UWB信號的有效傳輸距離在10 m以內，故而在民用方面，UWB普遍地定位于個人局域網范疇。

UWB技術在民用方面主要應用于3方面：地質勘探及穿透性障礙物的傳感器(imaging system)；汽車防沖撞傳感器等(vehicle radar system)；家電設備及可移動便攜設備的無線數據通信(communication and measurements system)。

2 UWB定位方法

UWB定位技術的原理是在被定位區域布設UWB定位基站，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的距離(或偽距)關系，從而獲得定位標簽的位置，如圖1所示。

圖1 最小定位單元示意Fig.1 Schematic diagram of minimum positioning unit

UWB目前應用效果較好的定位方法主要有3種：TOA方式、TDOA方式和TOF方式。本系統采用TOF方式。

TOF測距主要通過測量無線電信號在空氣中傳播時間Δt來實現，時間測量精度直接影響到測距精度，為方便描述本方案的測距實現原理，將無線電波在空氣中的傳播速度等視為真空中的傳播，則為3×108m/s，若UWB系統測量的傳播時間Δt的精度為1 ns，則測距誤差為

δ=v·Δt=0.3 m

(1)

文中研發的UWB無線同步技術，能夠實現最高0.3 ns的計時精度，即可實現的可視環境最高測距精度能達到0.1 m。

本系統的探測器與識別卡不具備統一的時間基準，要實現他們之間的傳播時間Δt測量，需要以探測器的發射及接收時刻核算無線電的雙向傳播時間(即2Δt)，原理如圖2所示。

圖2 測距原理示意Fig.2 Schematic diagram of ranging principle

探測器從t1時刻(記錄)向識別卡發送UWB無線信號，識別卡收到信號在基帶部分直接向該探測器發送返回信號，探測器在t2時刻收到返回信號，則可求得無線信號在探測器和識別卡之間的傳播時間

Δt=(t2-t1)/2

(2)

求出探測器與識別卡之間的距離，在實際環境中為了傳播時間Δt的測量更穩定，探測器在收到返回信號后可繼續向識別卡轉發該信號，并在t3時刻接收到識別卡的第2次返回信號，如圖2(a)探測器主動發起TOF測量所示，則有

Δt=(t3-t1)/4

(3)

同理可通過更多次信號測量來獲得穩定性較高的傳播時間，在實際運用過程中會根據定位環境進行動態選擇。

3 UWB在井下的應用

煤礦井下施工環境惡劣，工種危險系數高，面臨錯綜復雜的工作狀況，工作人員多且交互作業，使得煤礦井下施工面臨巨大的管理難題，因此迫切需要一種高效、準確的人員定位管理和安全管理系統。綜合各種因素，主要包括人員定位、人員考勤、跟蹤定位、災后急救、日常管理等方面。

3.1 UWB脈沖無線定位技術

基于UWB技術的高精度無線定位系統，采用先進的脈沖無線定位技術，通過在礦井下設置定位基站，為工人、大型工程設備佩戴標簽的方式，實現對人員及設備的實時高精度定位，間隔150～200 m放置一個基站，精度高達15～30 cm，100%保證<0.5 m，系統容量大，實時性好。系統獨有的高定位精度在發生事故時可以進行精確災后急救，具有不可替代的作用。同時安裝在大型工程設備上的標簽可以相互通訊，預防人員被撞傷。

本系統具體可實現功能：①停機區域為車輛周圍1.5 m范圍(人員定位系統可配置該范圍距離參數)；②警告區域為車輛周圍1.5～4.5 m(人員定位系統可配置該范圍距離參數)；③人員定位系統的主控器和報警器可安裝于駕駛室或者車架上，探測器數量根據車輛大小和控制需要確定，安裝于車輛周邊或凸起部分，標識卡(礦燈)佩戴在人員身上；④人員定位系統需要通過485總線與車輛處理器進行人員定位信息傳輸，定制專用數據格式。

具體實現指標：①定位精度最高可滿足≤0.5 m的要求；②可視條件下，無任何遮擋可滿足無線監測距離大≥100 m要求；③系統具備多種總線兼容接口，可實現CAN、485、232接口輸入輸出。

3.2 UWB復合技術的系統架構

3.2.1 ZigBee無線系統初級定位

礦井下系統架構，如圖3所示。

圖3 基于UWB復合技術的系統架構Fig.3 System architecture based on UWB composite technology

ZigBee無線通信進行初級定位，篩選出在通信范圍內且信號強度滿足設定閾值的識別卡作為精確定位的備選卡，即識別卡2和n；UWB無線通信進行精確TOF測量，解算出探測器與初選出來的識別卡之間的距離，即探測器1測量出與識別卡2和n的距離；測量過程中，隨著識別卡數量增多，計算壓力會增加；多個探測器報警信息傳輸總線，擬采用485總線進行數據傳輸。每個探測器進行預計判斷，觸發人員定位時通過485總線向車輛控制器發送人員定位數據，多個探測器可同時發送人員定位或者報警數據。收到數據后，可以將數據進行整合，判斷是否處于危險距離，然后向上層系統進行報警。

3.2.2 人員定位系統

人員定位系統需要設定一套邏輯嚴密的判斷準則來進行人員定位信息觸發，由于距離測量是以探測器為圓心的圓圈觸發，會存在部分區域漏報，針對這部分漏報區域需設定更大的觸發值，以擴大部分人員定位區域范圍實現零漏報，具體流程如圖4所示。

圖4 定位觸發流程Fig.4 Flow chart of positioning trigger

當任一識別卡與探測器的距離小于等于設定的報警區域R(寬度)時，則探測器立即觸發人員定位并通過總線向外傳輸對應識別卡ID及人員定位級別，若距離大于報警區域R時，則啟動漏報區域監測程序判斷識別卡是否處于漏報區域，若確定不處于漏報區域則進入下次判斷，若處于漏報區域概率較大(算法設定)則觸發人員定位，并通過總線向外傳輸對應識別卡ID及人員定位級別。

探測器以8個或者4個為整體模塊(具體數量以能滿足認證電源供電的前提確定)，統一由單個電源供電，主要分為UWB+ZigBee無線探測模塊及總線數據處理母板，識別卡采用可充電鋰電池供電，采用低功耗設計。總線母板的設計主要滿足2種模塊功能：①支持報警數據能轉換成485總線進行數據傳輸；②提供本安電源供電后的電源轉換系統，保證探測器正常工作。每個傳感器通過CAN總線與車輛控制器相連接，每個傳感器在進行與識別卡測距后需要完成相應的預警判斷，并將判斷結果通過傳感器傳輸給車輛控制器。標準CAN總線，車載控制器與每個探測器都有唯一的ID，有車載控制器的CAN總線協調數據傳輸，每個探測器獨立傳輸自己的報警信息給車載控制器。

3.2.3 設計便攜式標簽

標簽采用便攜式設計，具備如下功能。

一鍵求救報警：因井下環境復雜，危險系數高，因此該功能在井下十分必要，目前本系統設置的方式是長按按鍵超過5 s，標簽向后臺發送求救報警信息，同時蜂鳴器一直響、LED閃爍，提醒佩戴人員目前環境危險，同時也便于救援人員定位。再次長按按鍵超過5 s，可取消一鍵求救報警。

超時休眠提示：標簽靜止休眠超過設定的值時，本系統設置可以自動進入休眠模式，同時也會向后臺發送超時休眠提示。

告警提示：標簽闖入非法區域、靠近危險源、超時停留、離群等異常行為時，標簽震動10次(震動次數可根據要求設置)，蜂鳴器響10次，同時紅色LED閃爍。

撤離提示：標簽收到后臺撤離信息時，標簽震動5次，蜂鳴器響5次，同時紅色LED閃爍，提示使用人員緊急撤離或集合歸隊。

低電量提示：標簽電量過低時，標簽震動2次，提示使用人員充電。且標簽上設置按鍵選擇，可查看剩余電量。

充電提示：標簽插入磁吸式充電線，檢測到充電狀態后，標簽震動1次，同時紅色LED以4 s的周期進行閃爍提示(亮1 s滅3 s)，電池充滿后，紅色LED常亮。提示使用者及時取下充電器。

4 結語

超寬帶無線電技術(UWB)應用具有極強的穿透能力，在室內和地下都能夠進行精確定位。通常的情況下，基于UWB技術的定位系統通過附著在物體或者是人體上的小型UWB標簽實現對物體的三維動態定位，該標簽與無線傳感器結合使用，定位精度可以達到0.15 m。因此基于UWB技術的定位系統廣泛應用于監獄、工廠、農場等場合，可用于對特定人群(或動物)的定位。將UWB技術應用到井下安全方案設計領域具有巨大的優越性，其精準定位功能，既可以用于防止大型機械作業時人員進入危險區產生不必要的安全事故，也可以用于發生井下事故后人員的精準定位、搜救等工作。在井下安全需求和市場的推動下，UWB 技術將會伴隨著煤礦智能化開采的發展而走向成熟。