基于UWB 技術(shù)在井下實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭勤勤

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

近年來(lái)，智慧礦山理念不斷深入，更加信息化、數(shù)字化、智能化的礦山設(shè)備和技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其中，井下定位系統(tǒng)作為災(zāi)害救援工作的重要依據(jù)也得到了廣大學(xué)者的廣泛研究。準(zhǔn)確及時(shí)地掌握井下工作人員的具體位置不僅關(guān)乎緊急救援工作，還對(duì)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度有重要影響。但是目前我國(guó)煤礦井下定位系統(tǒng)的精度和效率已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化礦井的管理需求，存在精度不高、定位面積較小、抗干擾性較弱的不足[1-2]。針對(duì)這些使用缺陷，高河煤礦聽(tīng)取了有關(guān)專家學(xué)者的建議，根據(jù)井下環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化。該系統(tǒng)基于UWB 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)礦井人員、車輛的精確定位。

1 UWB 定位技術(shù)概況

目前我國(guó)井工礦大多采用ZigBee、RFID 和WiFi 等技術(shù)進(jìn)行井下的定位，但受限于井下環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致信息傳輸抗干擾性差、定位精度不高[3]。高河煤礦采用最新研發(fā)的精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了UWB 的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下所有巷道的信號(hào)“全覆蓋”，與省事故風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

1.1 UWB 定位技術(shù)及特點(diǎn)

UWB，即超寬帶，是Ultra-wide Ban 的簡(jiǎn)稱，是一種利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)載波通信技術(shù)[4]。正因UWB 技術(shù)這一特點(diǎn)，因此具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）傳輸效率、帶寬大。UWB 技術(shù)可使用的信號(hào)帶寬可達(dá)到1 GHz 以上，結(jié)合其納秒級(jí)非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的特性，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾士蛇_(dá)到1000 Mbps，遠(yuǎn)高于其他技術(shù)信息傳遞的效率。（2）低功耗，低輻射。常見(jiàn)的通信系統(tǒng)是通過(guò)連續(xù)發(fā)射載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，系統(tǒng)功耗較高，而UWB 通信技術(shù)所采用的非正弦波的載波靠瞬間脈沖電波便可傳輸，脈沖時(shí)間不足1.5 ns，功耗極低，并在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中不會(huì)對(duì)其他儀器設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。（3）抗干擾性強(qiáng)，安全性高。UWB 具有超大帶寬，所發(fā)信號(hào)在時(shí)間軸的功率譜方面表現(xiàn)出了低的密度，因此抗干擾性更強(qiáng)。另外，普通無(wú)限通訊設(shè)備無(wú)法接受或解析這種極低密度的信號(hào)，同時(shí)也提高了UWB 技術(shù)的安全性，具有良好保密性。（4）精準(zhǔn)度高。UWB 技術(shù)在井下應(yīng)用的實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，在人員定位方面，當(dāng)處于無(wú)遮擋條件下時(shí)，精度誤差可達(dá)到厘米級(jí)。

1.2 系統(tǒng)組成

高河煤礦目前使用的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)基于UWB 技術(shù)，對(duì)礦井人員的位置、分布情況、行駛路線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。該系統(tǒng)分兩部分，即地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)。其中，地面系統(tǒng)包括服務(wù)器和監(jiān)控設(shè)備，井下系統(tǒng)則主要由環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、卡片讀取/識(shí)別系統(tǒng)組成，具體如圖1。

圖1 煤礦精準(zhǔn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

服務(wù)器/監(jiān)控設(shè)備：服務(wù)器包括監(jiān)控主機(jī)和顯示設(shè)備，通過(guò)安裝人員定位系統(tǒng)的PC 端軟件，對(duì)井下人員的位置、數(shù)量、移動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；對(duì)重要區(qū)域、特殊班組的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋；并支持人員歷史軌跡的回放和考勤管理。

人員管理站：即定位系統(tǒng)核心部分，對(duì)讀卡器與識(shí)別卡之間的距離進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)定位功能；通過(guò)對(duì)讀卡器周邊的人員分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員情況的了解，從而可以滿足監(jiān)控人員的查詢需求。

2計(jì)算方法

UWB 定位技術(shù)的主要計(jì)算方法有信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOF）和信號(hào)到達(dá)時(shí)間差計(jì)算法（TDOA）兩種[5]。

信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOF）的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)硬件設(shè)備要求相對(duì)較低，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)往返的時(shí)間實(shí)現(xiàn)測(cè)距，并且在測(cè)距計(jì)算的過(guò)程中不依賴讀卡器與識(shí)別卡的時(shí)間同步，因此沒(méi)有時(shí)鐘同步偏差所產(chǎn)生的誤差。具體測(cè)距原理如圖2：在節(jié)點(diǎn)1 處發(fā)射測(cè)距信號(hào)，記錄當(dāng)前時(shí)刻為t1；該信號(hào)于節(jié)點(diǎn) 2 處被接受，記錄為t2時(shí)刻；處理完成后再返回，記錄該時(shí)刻為t3；節(jié)點(diǎn)1 接收信號(hào)后，記錄當(dāng)前時(shí)刻為t4。根據(jù)此原理可按公式（1）計(jì)算出信號(hào)傳播的距離L，式中C 為電磁波的傳播速率，取3.0×108m/s。

圖2 TOF 測(cè)距計(jì)算法原理圖

信號(hào)到達(dá)時(shí)間差計(jì)算法（TDOA）是在基站時(shí)鐘完全同步的情況下，通過(guò)計(jì)算脈沖信號(hào)達(dá)到各個(gè)基站的時(shí)間差，再結(jié)合觀測(cè)點(diǎn)位置根據(jù)公式（2）計(jì)算傳播距離，具體計(jì)算方法如圖3。當(dāng)有3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，可以得到2 個(gè)雙曲線方程，可通過(guò)最小二乘法算出2 個(gè)解，再根據(jù)坐標(biāo)范圍做排除，得出坐標(biāo)準(zhǔn)確位置。

圖3 TDOA 算法雙曲線示意圖

3 高河煤礦的應(yīng)用

在充分了解高河煤礦井下工作環(huán)境后，成功建立了基于UWB 技術(shù)所開(kāi)發(fā)的井下實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。為了提高定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)兩種主流的位置計(jì)算方法進(jìn)行測(cè)試研究。在該次試驗(yàn)對(duì)比中，選擇井下400 m 長(zhǎng)的巷道建立救災(zāi)模擬系統(tǒng)，試驗(yàn)環(huán)境條件保持一致。試驗(yàn)的設(shè)備共包括1 臺(tái)測(cè)試電腦、1 臺(tái)讀卡器卡和多張定位卡，分別以100 m 為間隔，共布置4 個(gè)點(diǎn)位，用TDOA 和TOF 算法進(jìn)行兩輪計(jì)算。為了提高試驗(yàn)精準(zhǔn)度，需對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)反復(fù)測(cè)試5 次，測(cè)量距離減去實(shí)際距離的差值的絕對(duì)值作為系統(tǒng)的定位精度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 TOF 算法計(jì)算結(jié)果分析

表2 TODA 算法計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2 可以發(fā)現(xiàn)，在UWB 定位技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，TDOA 和TOF 算法的平均誤差都可以控制在0.3 m 以內(nèi)，并且識(shí)別卡在各個(gè)距離所測(cè)試的結(jié)果均相近。不同之處在于TOF 算法所得的結(jié)果誤差浮動(dòng)更為穩(wěn)定，主要分布在0.2～0.23 之間；而TDOA 算法所得的結(jié)果誤差浮動(dòng)則較大，跨度在0.13～0.28 之間。

4 結(jié)語(yǔ)

高河煤礦針對(duì)井下巷道主要為線型空間的特征，設(shè)計(jì)了一套基于UWB 定位技術(shù)的井下精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）相比傳統(tǒng)定位技術(shù)，UWB 技術(shù)具有抗干擾性強(qiáng)、信息傳輸快、定位精度高并且功耗小的特點(diǎn)，對(duì)于井下人員、車輛的定位管理、事故應(yīng)急救援等方面有重要意義。

（2）信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法（TOF）和到達(dá)時(shí)間差定位法（TDOA）是UWB 定位技術(shù)的兩種主要計(jì)算方法，根據(jù)井下試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩種方法計(jì)算所得的結(jié)果與實(shí)際位置的誤差都在0.3 m 以內(nèi)，定位成功率較高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，TOF 算法誤差分布：0.2～0.23；TDOA 算法誤差分布：0.13～0.28，可以看出TOF 算法的誤差更容易掌握，最終該礦選用哪種算法還需要進(jìn)行進(jìn)一步的多場(chǎng)景試驗(yàn)。

綜上所述，基于UWB 技術(shù)的井下實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)礦井人員、車輛厘米級(jí)高精度定位，該技術(shù)對(duì)于礦井?dāng)?shù)字化建設(shè)水平的促進(jìn)、安全管理水平的提高建設(shè)有著重要意義。