基于UWB的礦井精準定位系統研究

何東林 武枝 劉俊科 梁琴琴 趙麗娜

山東正元冶達科技發展有限公司 山東 濟南 250000

1 研究背景

1.1 井下精準定位系統是安全生產和高效率調度的必要保障

目前市場上絕大多數礦井人員、設備定位只能提供區域定位功能，定位精度不高，僅能單向實現井下人員考勤管理，礦山能源企業對利用相應的礦井人員跟蹤定位監控設備，全天候對煤礦入井人員進行實時自動跟蹤定位，隨時掌握每個員工在井下活動軌跡、全礦井下人員的位置分布情況等需求迫切。主要表現在如下三個方面。安全問題：礦井下人員眾多，流動性大，作業難度大，人員技術水平參差不齊，截割時煤塵大，視線不好，保證礦井安全生產成為重中之重。調度問題：礦井下作業環境惡劣，工作面不斷變動，如何加強調度，提高作業效率問題凸顯。救援問題：隨著技術的發展，加強應急救援工作效率的提升，做到災后科學救援提出了新的要求。綜上，針對復雜多變礦井環境，采用高精度的定位系統是保障人員安全、高效率人員和設備調度、快速科學救援的必備設施。

1.2 超寬帶無線通信技術的發展使井下精準定位系統的實現成為可能

針對井下的特殊環境，傳統意義的室內定位在井下往往都不適用，具體體現在三個方面：第一，井下無GPS信號；第二，狹長封閉的巷道對各類信號的傳輸都是一個非常復雜的傳輸模型，多徑效應對定位結果產生的干擾不容忽視；第三，井下特殊的環境（如潮濕、多塵、地磁場變化等）造成了很多種定位方法都不適用。因此找到一種適合于井下的高精度實時無線定位系統是我們必須解決的問題。

超寬帶（Ultra Wideband，UWB）作為一種新型無線通信技術，由于具有低功耗、對信道衰落不敏感、抗干擾能力以及穿透能力強的優勢，不會對同一環境下的其他設備產生干擾，定位準確度較高而應用到各個行業。研究基于UWB技術的精準定位礦井人員、設備定位基站，考慮到抗干擾能力強，性能穩定可靠，架設簡單，維護方便，滿足了礦企對定位的各種需求，為礦井下安全管理提供了保障，大大提高了工作效率，提升災后的科學救援，讓礦井下精準定位系統的實現成為可能[1]。

2 整體架構

礦井精確無線定位系統使用先進的脈沖精確測量飛行時間技術，實現了底層的精確測距/計時；結合位置解算算法，實現了上層的精確定位。

系統由感知層、傳輸層、服務層組成。感知層由定位微基站、定位微標簽組成，主要負責對礦井場景現場定位數據進行采集，負責位置感知，行為感知和執行相應的控制。傳輸層通過POE交換機、光纖收發器、網線等網絡設備完成數據的傳輸，負責礦井下的數據收集和數據回傳。服務層由運行在定位解算服務器上的UWB定位系統應用軟件、UWB定位引擎軟件組成，負責系統管理、定位引擎解算、面向用戶的需求可視化易操作應用功能[2]。

3 系統設計

3.1 定位微基站

定位微基站主要功能包括UWB精確定位功能，實現定位誤差優于30cm的高精度定位；配有備用電池，保證在網電停電時，系統還能正常工作8小時以上；智能遠程管理功能，可進行遠程電池充放電維護及顯示電源狀態；存儲功能，斷網后可以存儲1000條信息；斷點續傳功能，保證數據傳輸的完整性；雙機熱備功能，硬件設計為全隔離的兩塊板卡，將主機的數據同步到備機上并利用先進的心跳檢測技術，實時監測雙機的運行狀態，保證了故障識別和任務切換的實時性，從而保證系統持續運行和數據的完整性與連續性；開關量輸入輸出功能，可就近連接皮帶跑偏，風機控制，實現主控室的監視和控制；防反接功能，定位微基站接口全部隔離，并采用芯數差異接口，防止接反。

3.2 UWB定位系統軟件

UWB定位系統應用軟件主要包括基礎功能服務、擴展功能兩大部分。

（1）基礎功能：地圖服務，實時監測定位微基站工作狀態并在地圖對應位置顯示，配置系統各項功能參數，靈活使用；

組織架構自定義部門層級輕松管理，設置用戶權限，數據查看、操作權限分別管理、數據分級授權管理、分級用戶賬戶管理；

（2）擴展功能：電子圍欄，對接權限，允許/拒絕/進入/離開四種條件組成靈活圍欄規則；

智能考勤，自定義繪制考勤區域、設定部門考勤班次，自動判斷遲到、早退自動生成考勤報表，記錄上下班時間和在崗時間，對人員運動軌跡，按照人員，時間段，區域，倍數靈活回放歷史軌跡；

智能巡檢，自定義規劃巡檢點和巡檢路線；

多機分布部署后臺采用多進程異步IO計算框架，支持多機分布部署，支持橫向無線擴展；

智能多跳同步網絡，同步網絡采用mesh自助網技術，可以無線進行拓展，在需要基站高密度且大量布置的場合，擁有很好的擴展性和魯棒性，擴展性SDK提供完善前后端功能接口，并集成提供各模塊的集成與對接。

3.3 UWB定位系統引擎軟件

通過網絡鏈路實時與礦井下定位微基站進行通信數據交互，并將定位微基站狀態數據、設置數據、位置解算數據存儲數據庫。

UWB定位系統引擎軟件和UWB定位系統應用軟件通過數據庫銜接，可將礦井下定位微基站狀態等信息直觀地展現給用戶，也可將應用軟件用戶操作功能直接下發至礦井下定位微基站，實現對定位微基站的實時控制。系統引擎軟件設置為開機自啟動，配置后用戶無須做復雜的配置工作，在礦井下定位微基站出于空閑工作狀態時，會與系統引擎軟件保持間斷性狀態傳輸，以保證定位微基站通信鏈路無故障。

4 結束語

本文針對基于UWB的精準定位系統進行研究，列出了UWB定位系統可以實現的功能，并對系統的設計做了整體描述。UWB定位技術的應用領域廣闊，UWB將不斷被應用到實際產品中。