基于北斗RTK與UWB技術的煤場作業安全防護系統設計

宋宗　姚中棟　劉丹　孫誠　韋波

摘? 要：近年來，作為安全作業監管的特殊場所，火力發電廠的煤場作業安全事故頻發，作業安全監管場景復雜，人員和車輛往來頻繁，監管形勢嚴峻。文中結合煤場生產現場的實際情況和當前快速發展的定位技術，實現基于北斗RTK與UWB技術的煤場作業安全防護系統的建設，以此實現作業安全監管從人防到技防的轉變，杜絕因設備異常或操作不當而導致安全事故的發生，做到事前有監測，出現異常提前告警，為后期實現數字煤場、智慧煤場提供有力的技術和系統平臺支撐。

關鍵詞：北斗RTK定位；UWB超寬帶；高精度定位；作業安全防護；預警

中圖分類號：TN925；TN967.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）12-0116-04

Design of Coal Yard Operation Safety Protection System Based on Beidou RTK and

UWB Technology

SONG Zong1， YAO Zhongdong2， LIU Dan2， SUN Cheng2， WEI Bo2

（1.China Power （Pu'an） Power Generation Co.， Ltd.， Qianxi'nan? 561503， China;

2.CLP Yuchuang （Suzhou） Intelligent Technology Co.， Ltd.， Suzhou? 215125， China）

Abstract： In recent years， as a special place for safe operation supervision， the coal yard of fossil-fuel power station has frequent safety accidents， complex scene of operation safety supervision， frequent personnel and vehicle exchanges， and severe supervision situation. This paper combines the actual situation of the coal yard production site and the rapidly developing positioning technology to achieve the construction of a coal yard operation safety protection system based on Beidou RTK and UWB technology， in order to achieve the transformation of operation safety supervision from people's air defence to technical defense， prevent the occurrence of safety accidents caused by equipment abnormalities or improper operation， and achieve monitoring in advance and early warning in case of abnormalities， so as to provide strong technical and system platform support for the later implementation of digital coal yards and smart coal yards.

Keywords： Beidou RTK positioning; UWB ultra wideband; high-precision positioning; operation safety protection; early warning

0? 引? 言

北斗RTK定位技術，也稱北斗差分定位技術，利用我國自主研發的北斗衛星定位系統實現精確定位功能。定位精度可根據需要，通過選擇不同精度的人員定位終端來實現。UWB定位技術，UWB（ultra wide band）是應用于無線通信領域的一種低功耗的無線電技術，采用納秒級或亞納秒級的脈沖實現無線通信。UWB定位采用了寬帶脈沖通信技術，具備極強的抗干擾能力，使定位誤差減小[1]。UWB定位技術的出現填補了高精度定位領域的空白。UWB定位技術具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、能提供厘米級的定位精度等優點。

1? 煤場現狀及作業存在的問題與需求

1.1? 煤場現狀及作業存在的問題

普安發電的煤場設4個主煤場，每個煤場寬50 m、長350 m，可存煤約45萬噸。其中#1煤場留有直卸煤區域，#4煤場蓋有長80 m、寬100 m的頂式干煤棚，煤場四周安裝抑塵網。設有2臺斗輪堆取料機，#1煤場與#2煤場之間縱向1臺（軌道長200 m），#3煤場與#4煤場之間縱向1臺（軌道長350 m）。現煤場及卸煤溝有工程機械若干，同時煤場內日常還有清掃、檢修、維護、巡檢等人員在煤場內工作。

現有的煤場管理系統只管理煤堆的形狀、分布、存量信息，并沒有將現場的大型機械設備、流動機械、人員定位信息進行關聯或聯動，只能通過對講機告知集控室值班人員現場人員所在的大致位置。這樣并不能為現場機械、人員提供實時的安全防護，也不能在出現安全問題后及時獲取現場人員的準確位置，對于現場的安全防護措施狀態也不能做到精確的回溯。現階段對于煤場內作業機械和流動人員的安全防護只是處于粗放和個人自覺性的管理階段，對于煤場內的設備保護也不能做到提前預警和及時處理。

1.2? 煤場安全生產對作業安全防護的需求

煤場安全生產對現場作業的人員、車輛、運行設備等均有相關的要求，相關要求如下：

1）現場作業人員：煤場內作業涉及不同的作業人員，主要包括清掃人員、檢修人員、維護人員、巡檢人員等，期望能通過技術手段實現對人員當前位置、煤場內行走軌跡、異常停留時長進行有效監管，對于某些異常能及時進行告警，方便集控平臺人員及時進行處理。

2）運煤車輛：根據火力發電的節奏，煤炭會源源不斷地進入到煤場，當前普安電廠的煤炭進場主要依靠的是載重汽車進行運輸，車輛運輸具有運輸頻次高，運輸時間集中等特點，期望能通過作業安全的技術手段實現對車輛在煤場內實時位置、運行軌跡、安全距離的監控，對于安全距離過小的情況及時進行告警。

3）運行設備：煤場內的斗輪機和推煤車，進行實時作業，期望通過作業安全監管系統的技術手段，實現對運行設備安全距離范圍內進行及時的監管，防止發生意外事故。

4）安全距離：對于在煤場內運行的車輛和人員，為防止出現碰撞等安全事故，需要對于安全距離進行有效的監管，當車輛或者人員小于規定的安全距離時，可通過其他手段快速告警，避免安全事故的發生。

2? 主要定位技術介紹與對比

GPS定位技術：GPS定位是最常見的定位技術，在生活中隨處可見，如手機中百度地圖、高德地圖；汽車常見的導航地圖都是應用了GPS定位技術。

北斗RTK定位技術：也稱北斗差分定位技術，利用我國自主研發的北斗衛星定位系統實現精確定位功能。定位精度可根據需要，通過選擇不同精度的人員定位終端來實現，當前百度地圖、高德地圖等均已支持北斗定位技術。

UWB超寬帶無線定位技術：UWB全稱Uitra Wide Band，即超寬帶無線定位技術，是利用超高頻信號的定向性和穩定性，采用“時間差”和類似三角定位的原理來完成定位的。

無線局域網（Wi-Fi）定位技術：無線局域網定位與超寬帶無線定位類似，主要采用信號強度來定位，一般匹配三角定位算法或者其他算法，需要以無線路由器為信號獲取渠道，定位精度可達數米。

藍牙定位技術：通過廣播藍牙信號，它可用于地理圍欄和室內定位功能。用戶終端掃描定位Beacon的信號，經過定位引擎處理可以計算出用戶當前的位置。

各定位技術的對比如表1所示。

3? 系統應用

3.1? 系統設計及介紹

結合普安電廠煤場的實際情況和需求，綜合各種定位技術的優劣，本系統采用一套擬合室外北斗RTK定位技術和室內UWB定位技術的煤場安全作業防護系統。

現場部署安裝UWB定位基站，對進入煤場的人員、工程機械、設備分別綁定定位標簽，通過定位標簽實時獲取現場人員和工程機械設備的位置。通過采集現場定位標簽數據，并通過系統平臺，將定位、報警等相關信息在固定屏幕上進行展示[2]。通過防碰撞檢測功能，在出現人員或設備距離過近時及時向集控人員和現場人員報警，同時將定位系統接入兩臺斗輪機控制系統并實現聯鎖保護，當人員、車輛與斗輪機距離過近時，斗輪機自動停止本體及懸臂移動；當報警解除后，聯鎖同步解除。通過定位標簽的SOS求救功能，在出現意外時及時在展示大屏中提示聲光顯示報警位置。通過以上的安全防護系統的設計，實現煤場的作業安全防護。

3.1.1? 室內UWB定位系統介紹

煤場室內部分根據定位區域面積、環境的實際情況進行定位基站的布置，并將其連成一個整體的定位網絡，確保系統覆蓋區域內都能實現高精度定位。系統感知層由定位基站、系統控制器、定位標簽等硬件設備組成，定位標簽發射定位信號給基站端，通過系統控制器進行數據配置處理后匯總到上層定位平臺開始解算，最終呈現出可視化定位效果。

實時高精度定位功能是本防護系統的主要特點，能夠將每個定位目標動態位置同步顯示在定位平臺軟件上，平臺軟件可實現2D、3D模型顯示，從而更加直觀形象的進行展現。

根據煤場需求，可對指定目標（作業人員或者車輛）進行高精度實時定位。根據定位標簽將定位目標的動態位置實時獲取，定位數據同步上傳到后端系統平臺中，隨時顯示定位目標動態位置，固定管理端能夠實時掌握定位目標各種狀況，以實現高效管理。

室內UWB定位系統組網示意如圖1所示，主要包括室內、室外型定位基站、定位系統控制器、定位服務器以及定位引擎等[3]，通過此定位系統實現基于UWB的高精度室內外定位。在室外位置集中且較易部署的位置，部署室外型定位基站。

3.1.2? 室內UWB定位原理

室內UWB定位，一般采用TDOA，其基本原理是測量同一信號到達不同定位基站的時間差，根據時間差確定一條雙曲線軌跡，多條雙曲線軌跡求交點則可以實現對目標點的定位[4]。

定位標簽持續不斷發射射頻信號，周圍含天線的定位基站接收標簽發來的信號，如圖2室內UWB定位系統組網及原理，根據信號到達的時間差計算標簽到參照點的距離，然后把數據通過有線方式發給定位服務器進行處理。每個標簽的信號到達四個不同定位基站的距離數據，定位軟件根據TDOA算法，就可以算出到定位標簽動態位置。把這些動態位置連接起來，就是標簽運動軌跡。每一個標簽都有一個獨一無二的識別號，所以系統知道每一個標簽在每一個時刻的位置以及運動信息，也就是攜帶標簽的人或者運動物體的位置和運動信息。

到達時間差定位是根據不同基站所接收到的同一標簽信號在傳播路徑上的時延差異實現標簽定位的。在該方法中，處于不同位置的多個基站同時接收由標簽發出的普通信息分組或隨機接入分組，各基站將接收到上述分組的時間傳送到應用平臺軟件，應用平臺軟件根據信號到達各基站的時間差異來完成判定該標簽位置的一系列計算。該方法的優點在于無需對現有標簽進行任何改造，各基站對抵達時間的測量可同時進行，并且由于時間的測量是在基站進行，因此可以通過信號的分集接收和復雜的信號處理算法抑制多徑干擾等。

3.1.3? 室外北斗RTK定位

煤場室外的露天15 m高煤堆作業區域，由于室外工作范圍廣，導致安裝設備施工布線困難，根據現場實際情況，推出了一種室內外融合高精度定位解決方案，通過融合定位終端實現室內外的高精度定位，解決煤場室內外人員和車輛管理的問題。

煤場室外采用RTK定位，配合安裝一臺差分基準站，室外數據通過4G傳輸到定位服務器平臺。人員或者車輛定位則需要攜帶高精度融合定位終端。

室外RTK高精度定位系統主要由差分基準站組成，一般情況一個現場至少需要建設1臺差分基準站，1臺基準站可以覆蓋半徑20 km的范圍，為半徑20 km內的便攜式定位終端提供高精度校準數據。

3.1.4? UWB與RTK網絡交互描述

通過在煤場中標定3個RTK積分點，對3個積分點求平均，可得到較為精確的大地坐標系，再通過墨卡托坐標系轉換，將RTK解算的經緯度轉換成直角空間坐標，得到坐標1，UWB坐標系則建立在該坐標系下，輸出的也為相同空間坐標系下的坐標，將2個坐標作為觀測量做KF融合，得到精確坐標[5]。如圖3所示。

3.1.5? 北斗RTK定位與UWB定位的系統組網

整體煤場的定位系統組成如圖4所示。

3.2? 煤場作業安全防護系統實現功能

結合定位服務器和定位應用軟件系統，基于電子地圖，系統可實現定位標簽（定位終端）實時數據查看。并可實現以下功能。

3.2.1? 煤場可視化監管

在定位監控可視化平臺上，可實時查看定位信息、人員當前分布、車輛分布、人員位置移動定位等信息。

3.2.2? 煤場定位目標追蹤

通過此系統可以對指定員工/車輛進行目標跟蹤管理，查看該員工/車輛的實時位置，此時地圖只顯示被追蹤人員/車輛，若追蹤過程中人員進入室內煤場，則自動進入室內地圖，持續跟蹤。

3.2.3? 巡檢路線及移動軌跡查詢

通過此系統可平滑顯示移動軌跡，能夠根據多種檢索條件搜尋軌跡，可實現單目標和多目標同時回放。支持多目標軌跡多倍速回放，顯示軌跡經過的區域和時間。

3.2.4? 電子圍欄及危險區域告警

基于定位系統，給煤場劃定電子圍欄，并劃分不同的危險區域，當人員或者設備進入到危險區時及時聯動報警裝置，進行聲光告警。

3.2.5? 安全距離告警

推煤車上的標簽與搖臂上的基站交互信號測算絕對距離，在系統上設置安全距離：任意一個距離小于安全值時停止運行搖臂，且推煤車警燈標簽閃爍告警。

推煤車上安裝警燈標簽，后臺設置此標簽跟其他車載標簽安全距離（如2 m），當兩車距離＜2 m時，報警燈閃爍，并發聲警示，人員標簽同理。

3.3? 可擴展接口

依據電廠的發展規劃和后期數字化煤場的建設需要，本系統保留了完善的API接口擴展能力，如圖5所示，方便數字化煤場的數據對接與調用。

4? 結? 論

基于北斗RTK定位和UWB高精度定位技術的煤場安全作業防護系統主要集中在人員安全管控、車輛軌跡管控、設備防撞處理等方面。隨著各種定位技術的發展，多種定位融合技術的使用，系統可實現煤場巡檢的智能化管理、巡檢軌跡回放、巡檢任務未完成自動推送及語音報警，提升發電廠煤場巡檢管理水平，有效解決巡檢不到位給煤場安全生產帶來的影響，進而提升煤場安全生產管理水平；通過基于位置信息的大數據分析，能快速發現和修正危險區域與故障問題，為提升煤場的數字化水平打下了良好的基礎。后期結合視頻監控，可以實現更完整的AIOT巡檢，快速提升煤場的數字化管理水平。

參考文獻：

[1] 肖竹，黑永強，于全，等.脈沖超寬帶定位技術綜述 [J].中國科學 F輯：信息科學，2009，39（10）：1112-1124.

[2] 許珂，甘世敏，賀洋，等.基于UWB高精度定位系統的設計與應用——以重慶電力公司永川供電分公司城南變電站為例 [J].中國高新區，2017（21）：9-10+89.

[3] 龐云玲，李湖生，王彥平.基于UWB技術的生產吊裝作業安全監控及預警系統 [J].起重運輸機械，2017（3）：84-88.

[4] 仲江濤.基于UWB 室內定位算法的研究與實現 [D].深圳：深圳大學，2017.

[5] 傅興強，毛興，趙煜，等.基于UWB與GNSS融合定位的變電站高精度定位技術 [J].集成電路應用，2020，37（8）：102-103.

作者簡介：宋宗（1985.07—），男，漢族，河北保定人，工

程師，本科，研究方向：煤場智能化、數字化系統的運維與研究。