淺析廠礦井下設備跟蹤定位系統構建

亓玉浩，劉波

（1.山東能源集團有限公司設備管理中心，山東 濟南 250100；2.北斗天地股份有限公司，陜西 西安 710119）

隨著定位技術的高速發展，為杜絕井下安全事故的發生，目前大部分礦山井下都建設了定位系統。這類井下定位系統不但能夠實現井下人員、車輛、裝備等定位，而且能夠提供考勤、人員統計等一系列功能，為井下提供了安全保障措施。目前，井下定位較以前有非常大的進步，不僅準確性提高，而且更加的多樣，比如，施國慶采用了ZigBee定位技術，其成消耗低、雙向、可靠性高，但是其成本高、信號穿透力差且尚不成熟，不適用于大規模地長距離信號傳輸；張凌雁采用了WiFi 定位技術，其有可靠性高、速度快，快速部署等優點，但是其安全性差、定位精度不高；陳軍慧等人采用了RFID 定位技術，其定位傳輸范圍大且性價比高，但是其作用距離短，難以大規模進行部署使用；王鑫采用了UWB 技術，其定位精度高、穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統復雜度低，但是其單臺基站價格較高，并且在部署使用上安裝精度要求較高，故其難以大規模部署。本文采用了藍牙技術、北斗/GPS 定位技術、GPRS 傳輸技術Lora 傳輸技術的綜合跟蹤定位系統，其綜合性強、安全性高、定位精度高、穿透力強，非常適合廠礦井下設備的綜合跟蹤定位。

以廠礦為試點單位，實現了以下目標：（1）設備位置信息的自動采集、定位查詢；（2）全部覆蓋設備巡檢點關鍵路線的追蹤、安全管理；（3）自動記錄設備出/入倉庫；（4）關鍵區域內（倉庫、運輸中、井下區域、報警區域等）設備數量統計分析；（5）設備盤點、核查；（6）可設定電子圍欄，當設備出入報警區域時，自動記錄并報警。

1 井下設備跟蹤定位系統的關鍵技術

1.1 藍牙技術

當前，地下環境中的短距離通信通常依賴藍牙技術。藍牙技術賦予設備在不超過10m 范圍內進行無線通信的能力。這一技術在廣泛領域受到歡迎，涵蓋了筆記本電腦、外圍設備、無線耳機、移動終端等多種設備，有效簡化了移動終端與設備之間的交互通信。藍牙的引入對井下設備的數據傳輸和位置定位能力帶來了顯著提升，既在效率、速度，又在準確性方面得到增強。其內置的跳頻擴譜、時分多址、碼分多址等前沿技術，使得在有限范圍內多種通信和信息系統之間的數據傳輸變得更為便捷。藍牙不僅增強了地下設備之間的信息交互性，還提高了數據傳輸的準確性。藍牙工作于2.4GHz 頻段，支持點對點和點對多點通信，以1Mbps 速率運行，并通過時分雙工傳輸實現了全雙工傳輸的能力。在當前的項目中，我們選用超低功耗藍牙解決方案，運用經過優化的算法，成功實現了位置鎖定的精確性。這種方案的引入不僅有望提升整體性能，還將在數據傳輸可靠性和位置信息準確性方面取得顯著成果。

1.2 北斗/GPS 定位技術

GPS定位技術可為井下設備提供準確位置信息服務，其精度高的優勢對于設備平臺與設備之間遠距離的跟蹤定位至關重要。它的基本原理是將GPS 接收機所接收到的位置信號經過誤差處理后解算得到設備的位置信息，而后再將位置信息傳給所連接的設備，連接設備對該信息進行一定的計算和變換(如地圖投影變換、坐標系統的變換等)后傳遞給終端，終端通過其他傳輸方式傳出到指定的地方，在本項目中采用低功耗定位技術處理再通過LoRaWAN 通信技術把定位信息傳輸給網關。

北斗定位技術基于以下原理：搭載北斗定位芯片的設備能在任何時間、地點同時連接至少4 顆以上的衛星。由于衛星精確定位，接收器能夠測量與設備間的距離。利用三維坐標的距離計算公式，只需三顆衛星，即可建立三個方程，從而求解觀測點的位置（X，Y，Z）。然而，衛星時鐘和接收器時鐘存在微小差異，引入第4 顆衛星能夠解決這一問題。這樣就得到了4 個方程，從而確定觀測點的經緯度和高程，從而為設備提供精確的位置信息服務。

1.3 GPRS 技術

GPRS 傳輸技術作為建立在GSM 移動通信基礎上的移動數據服務，為現代通信提供了一種全新的范式。相較以往的電路交換傳輸，GPRS 采用了更高效的數據包傳輸方式，這一革新性的特點延續了GSM 的傳統，同時也引入了更靈活和高效的數據交換方式。在本項目中，我們采用了基于4G 通信網絡的先進網關技術。這個網關在保持傳統通信技術特點的基礎上，還融合了最新的通信技術。這種融合不僅使無線通信的網絡效率得到提升，還極大地增強了網絡功能的多樣性。這個基于4G 通信網絡的網關為通信領域注入了新的活力。它的創新之處在于將傳統的通信模式與新興的通信技術相結合，創造出了更強大、更高效的通信體驗。通過在技術層面的融合，我們實現了在數據傳輸的速度、穩定性和可靠性方面的顯著提升，這對于本項目的成功實施和數據傳輸的高質量至關重要。

1.4 Lora 傳輸技術

LoRa 是一種低功耗、長距離無線通信技術，特點是支持多節點組網。它屬于LPWAN 通信技術之一，由美國Semtech 公司基于擴頻技術開發并推廣。該技術被廣泛用于井下設備的遠距離信息傳輸。LoRa 在數據傳輸過程中具有對噪聲和多徑失真的抵抗能力，能夠提升信噪比，因此，在地下與地面傳感器接入的復雜場景中表現出色。本項目采用LoRa 技術來實現遠距離的傳輸，解決了地下與地面的傳感器接入的各種復雜應用場景。

2 系統的組成及功能

2.1 系統組成

廠礦井下設備跟蹤定位服務系統主要由以下三個基本部分組成，即數據采集部分、數據傳輸部分、設備跟蹤云平臺部分。

（1）定位數據采集部分。定位數據采集部分主要分為移動定位數據采集、關鍵點定位數據采集和區域定位數據采集三類。

移動定位數據采集：主要包括設備在地面運輸、室外倉庫等數據網絡無法覆蓋情況下實現設備的定位數據采集。北斗/GPS 模塊實現衛星定位，采集監控設備經緯度、速度、方位、海拔高度數據。

關鍵點定位數據采集：主要包括出入庫、出入井等地點的設備定位數據采集。利用現場部署的藍牙定位標簽，采集設備進出關鍵地點的信息。

區域定位數據采集：主要包括封閉倉庫、井下重點區域（采煤工作面、掘進工作面、泵房、變電所等）等場所的定位數據采集。利用現場部署的藍牙定位標簽，采集設備區域定位信息。

（2）數據傳輸部分。數據傳輸主要是完成數據采集點與設備云平臺之間的數據傳輸，根據設備定位跟蹤需求及實際情況，主要采用GPRS、LoRa 等傳輸方式。

GPRS 通信傳輸：利用手機SIM 卡和運營商GPRS 網絡提供無線網絡數據通信，通過對模塊遠程設置可定時上報GPS 坐標信息，也可主動查詢設備定位數據。

Lora 通信傳輸：應用藍牙技術、LoRaWAN 通信技術和計算機通信技術，在設備倉庫、出入井口、在井下重點位置（重點巷道、變電所，泵房，采掘面以及其他關鍵區域等）設置讀卡網關，也可根據礦井實際需要，加設讀卡網關。當安裝定位卡的設備經過這些區域時，會自動向讀卡網關無線發射信號（設備卡ID 號、藍牙信標ID），讀卡網關將數據傳輸至設備跟蹤云平臺。

（3）設備跟蹤云平臺。設備跟蹤云平臺主要是完成對上傳的定位數據進行存儲、分析，通過大數據平臺為設備定位、設備跟蹤監控、移動點巡檢、設備資產盤點、設備運營分析、設備異動報警等應用提供數據服務。

2.2 系統功能

（1）系統基本功能。在設備定位卡管理中，包含關鍵的貼卡和注銷卡兩個步驟，這些步驟共同構成了一個完整的設備管理流程。在貼卡階段，設備的定位信息被有效地綁定到特定的定位卡上，從而實現設備的精確定位。而在注銷卡的步驟中，當設備不再需要被定位時，對應的定位卡會被從系統中移除，從而終止設備的定位服務。除了定位數據的傳輸和接收功能外，定位卡管理還涵蓋了眾多重要功能。其中，設備時間的獲取和調整對于確保定位數據的準確性至關重要。歷史記錄的清除功能能夠維護系統的數據存儲效率，同時安保參數的配置則有助于對定位服務進行精細化的管理。在數據采集的階段，設備定位數據會通過云平臺進行傳輸，這不僅實現了數據的及時匯總，還便于對設備狀態進行實時監測和分析。在這個過程中，各種關鍵信息被記錄，例如報警事件、故障情況、網絡狀態、連接中斷以及讀卡器型號的變更等。這些日志不僅有助于追溯設備歷史，也為后續的故障排除、性能優化和系統維護提供了有力的參考。本項目的設計和實施充分考慮了設備定位卡管理的多個維度，力求在數據管理和傳輸的各個環節都能保障高效、精準、穩定的運行。這種綜合性的管理流程不僅在技術上具有創新性，同時在實際應用中也將為設備定位服務提供全面支持，為該領域的發展貢獻積極而深遠的影響。

（2）設備的定位功能。采用了先進的通信技術和定位算法。這些技術和算法在不同環境下都經過充分的優化和測試，以確保無論是在室內、室外，還是在各種地形條件下，都能夠實現高質量的定位結果。這種全方位的信號覆蓋不僅有助于提高用戶體驗，還為各種應用場景下的定位需求提供了高度的可靠性和精準性。經過充分的研究和測試，我們深信該系統能夠在信號全覆蓋的前提下，穩定、高效地提供實時定位功能。

（3）敏感區域或設備禁入區域監控功能。系統允許設定敏感區域或禁入區域，并在需要時向監控中心發出報警提示，以便進行緊急處理。

3 系統規劃

該系統由業務服務層、數據處理層、傳輸層、感知層四大部分構成。業務服務層由設備運轉平臺、設備監控中心、廠礦MES 平臺構成，其能夠實現設備定位、設備跟蹤、設備巡檢、設備盤點、設備報警、設備地圖功能；數據處理層包括機器學習、人工智能、分析展現、數據查詢的功能，其余傳輸層完成數據感知大數據的任務；傳輸層由GPRS、WiFi、Lora 與工業接入網組成；感知層由藍牙標簽、RFID 標簽、北斗/GPS、Lora 模塊四種方式，與綜采設備、綜掘設備、快掘設備、巷修設備、鉆探設備、輔運設備等一系列井下設備結合所組成，用來進行感知，其系統構架圖如圖1 所示，

圖1 廠礦井下設備的綜合定位系統架構圖

4 結語

該跟蹤定位系統在設計規劃中，不難看出，該系統是集感知信息、傳送信息、處理數據信息、上傳服務平臺的綜合跟蹤定位系統，其定位效果準確、可靠性高、綜合性能強，能夠精確定位到每臺設備的具體位置及情況，實現對設備位置的自動采集、定位查詢，對關鍵路線的全覆蓋，對關鍵區域的設備數量統計分析，大幅度提高了設備運行過程中的安全性及穩定性，能夠使操作人員更加直觀地實時監測井下的狀況，對突發情況在第一時間作出預警，并進行處理。