基于超寬帶技術的礦用人員精準定位系統(tǒng)

趙林 ，孫增榮，王紀強，劉統(tǒng)玉

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所，山東 濟南 250104；2.山東盛隆安全技術有限公司，山東 濟南 250032)

我國是一個礦產資源大國，全國礦井開采數(shù)量達10萬余座。由于礦產開采業(yè)的特殊性，礦產開發(fā)成為一個高危行業(yè)[1]。因此，為保障礦產開采人員安全，除了采取正常的安全保障措施外，引入有效的人員定位系統(tǒng)，能在災難發(fā)生時為營救被困人員提供更加有效的位置信息。目前的人員定位系統(tǒng)一般采用射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)、WiFi、ZigBee等無線通信技術實現(xiàn)井下定位，由于測量距離短、穩(wěn)定性差、易受環(huán)境干擾、定位精度低等原因，無法滿足礦井的高精度定位要求[2-6]。而隨著應急救援認識的不斷提升和超寬帶(ultra wide band，UWB)脈沖技術的普及應用，井下作業(yè)人員精準定位逐漸變成了現(xiàn)實[7]。夏萍萍[8]采用NLOS誤差抑制方法，實現(xiàn)了40 m測距范圍內的平均定位誤差為0.9 m；劉世森[9]采用時分復用技術有效解決了無線信號碰撞問題，在保證定位成功率的同時，實現(xiàn)了定位精度0.3 m，但未對移動目標的定位情況做進一步闡述。從實際應用情況來看，如何進一步提高定位精度(特別針對移動目標)并更好地與礦井地理信息相結合，實現(xiàn)對目標的動態(tài)跟蹤管理，是目前人員定位系統(tǒng)的研究重點。

針對當前礦井人員定位系統(tǒng)存在的缺陷，本文設計了一種基于超寬帶技術的礦井人員定位系統(tǒng)，將UWB技術與礦井CAD圖紙進行有效結合，可實現(xiàn)在CAD二維平面內對井下作業(yè)人員位置的精準定位及井上井下實時、動態(tài)、同步跟蹤監(jiān)測，具有較強的穩(wěn)定性，可為礦井工作人員的應急救援提供有效的技術支撐。

1 超寬帶技術

超寬帶技術(ultra wide band,UWB)是一種無線載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)[10]。由于UWB技術傳輸速率高，能夠抵抗多徑環(huán)境，并可與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)共享頻譜，具有功耗低、穿透力強、保密性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，能提供精準的定位精度，所以其在軍事、能源、航空航天及商業(yè)領域獲得廣泛的應用。UWB測距方式有很多種，由于SDS-TWR算法可以很好地消除設置時延導致的誤差[11-12]，成為目前普遍采用的測距方法之一。SDS-TWR算法基本原理如圖1所示。

圖1 SDS-TWR基本原理Fig.1 Basic principle of SDS-TWR

t為定位基站和定位標簽之間的信號傳播時間，treplyA為定位標簽接收到定位基站信號后的等待時間，treplyB為定位基站接收到定位標簽信號后等待時間。

(1)

則兩節(jié)點之間的距離為：

(2)

2 系統(tǒng)設計

基站裝置內安裝有UWB主控模塊，標識卡佩戴在井下人員身上，當人員處于信號覆蓋區(qū)域內時，標識卡發(fā)送信號，UWB主控模塊實時接收標識卡UWB信號，并把其接收到的員工數(shù)據(jù)傳送至中心站主機數(shù)據(jù)庫。通過計算機模型，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行判別、分析、處理，實現(xiàn)作業(yè)人員井下位置與井上地面計算機CAD圖紙同步變化，達到精準定位。詳見圖2。

定位基站內安裝有一個無線AP主板和一個百兆兩光三電網絡交換機，實現(xiàn)井下無線信號的全覆蓋，作業(yè)人員攜帶智能手機，通過PC端、APP軟件在系統(tǒng)中實現(xiàn)井上、井下音頻視頻聯(lián)系，地面值班人員可單呼或群呼井下作業(yè)人員，作業(yè)人員可互相單呼。發(fā)現(xiàn)險情方便指揮井下人員撤離和井下救援。

圖2 系統(tǒng)設計圖Fig. 2 Diagram of the system design

3 定位基站裝置設計

基站主要由UWB定位模塊、AP主板、光交換機和微控制板組成。其裝配圖及樣機見圖3～4，具體組件如下：

(1)UWB模塊是一種基于脈沖通信技術設計研發(fā)的模塊，這種模塊配合定位標簽，獲取人員坐標位置，通過光纜把人員信息發(fā)送至數(shù)據(jù)庫，通過計算機模型實現(xiàn)對井下人員坐標跟蹤精確定位。

(2)AP主板是基于WiFi的移動通信技術和工業(yè)以太網平臺，具備無線通訊和視頻傳輸功能，實現(xiàn)應急聯(lián)絡、緊急撤離群呼等。

(3)光交換機將電信號轉變?yōu)楣庑盘枺ㄟ^光路把信號傳遞到數(shù)據(jù)庫。

(4)微控制板通過ModBus通信協(xié)議與工控機進行通信，通過對基站遠程斷電重啟、基站狀態(tài)指示燈顯示、WiFi遠程重啟和重置，實現(xiàn)對基站的遠程控制。

圖3 定位基站裝配圖Fig. 3 Structure of the positioning base station

圖4 定位基站樣機Fig. 4 Prototype of the positioning base station

4 微控制板設計

控制板包括繼電器輸出接口、網絡模塊接口、光電隔離輸入接口、模擬量接口4大部分。其原理及實物圖見圖5～6，具體組件如下：

(1)繼電器輸出模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)電源開關控制功能。控制板MCU檢測到系統(tǒng)故障時，通過驅動繼電器關閉系統(tǒng)電源，起到保護作用；故障解除時，打開電源，系統(tǒng)上電重啟。

(2)網絡接口模塊實現(xiàn)控制板與遠程主機間數(shù)據(jù)通信，通過ModBus協(xié)議實現(xiàn)遠程主機對系統(tǒng)的檢測與控制。

(3)光電隔離輸入信號包括光交換機進口檢測信號、光交換機出口檢測信號、UWB定位錨點模塊工作狀態(tài)信號、無線AP主板工作狀態(tài)信號以及系統(tǒng)供電電源信號。系統(tǒng)供電電源分為市電和電池；UWB定位錨點模塊工作狀態(tài)分為休眠和運行，交換機進口出口檢測信號狀態(tài)、無線AP主板工作狀態(tài)分為故障和正常。

(4)模擬量輸入信號為電源電壓檢測信號。

圖5 微控制板原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the microcontrol board

圖6 微控制板Fig.6 Microcontrol board

5 現(xiàn)場測試

系統(tǒng)以萊蕪礦業(yè)有限公司馬莊鐵礦-180 m中段為試驗段，對系統(tǒng)中的各項功能(如坐標定位同步性、準確性)及數(shù)據(jù)完整性(如呼救信號數(shù)據(jù)上傳時間、是否丟包、系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量)進行現(xiàn)場測試，系統(tǒng)定位軟件界面如圖7所示，測試結果如表1～2所示。

圖7 人員定位系統(tǒng)軟件界面Fig. 7 Software interface of the personnel positioning system

表1 人員定位現(xiàn)場測試結果

表2 系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量

現(xiàn)場實驗結果顯示，在200 m范圍內，系統(tǒng)平均靜態(tài)定位誤差小于30 cm；對移動目標，當人員移動速度100步/min時，平均定位誤差小于1.0 m；車輛運行平均速度為25 km/h時，平均定位誤差小于1.65 m。同時系統(tǒng)在設定休眠時間為2 s的工況下，在14 s時間內，系統(tǒng)并發(fā)量達到102個。

6 結語

本文設計了一套礦用無線通信人員精準定位系統(tǒng)，主要研究結果如下：

(1)將礦山企業(yè)提供的dwg格式圖紙，嵌入到定位系統(tǒng)軟件中，進而在CAD圖紙二維平面上實時、動態(tài)、同步顯示人員(X，Y)坐標位置，繪制人員歷史軌跡等信息，實現(xiàn)了對井下作業(yè)人員的精準定位。

(2)安裝PLC微控制板，可以通過系統(tǒng)查看某一基站工作是否正常及故障基站的狀態(tài)指示信息，實現(xiàn)了基站遠程斷電重啟。

(3)礦用無線通信人員精準定位系統(tǒng)的研究與應用，不僅實現(xiàn)了井下作業(yè)人員實時、動態(tài)、同步的精準定位，而且利用一套基站，系統(tǒng)還實現(xiàn)了人員定位、無線通信、視頻監(jiān)控三合一，可為應急救援提供準確的人員位置信息，節(jié)省救援時間，將人員傷害降到最低，該技術在礦山安全領域具有重要的應用前景及推廣價值。