UWB定位系統在礦山工程測距中的應用

武 枝，綦 亮，周紹青，李 敏，趙軍正

（山東正元冶達科技發展有限公司，山東 濟南 250000）

隨著當代工業發展水平的不斷提高，位置信息在工程生產共過程中起到重要的作用。而作為LBS(地基服務)核心技術之一，采礦定位系統是礦產施工過程的重要組成部分，在這定位系統還應用于運輸、消防等領域。近年來，各類的定位系統技術在各個行業當中不斷發展，同時提供了更為智能化的定位方式，并將其應用到礦山開采工程中，為礦山企業的經濟發展帶來巨大的潛力。

在礦業定位方面，我國起步相對較晚，技術較為落后。國外在礦山結構定位方面已經變得更加成熟。2011年，Google發布了包含無線和移動基站等信息的地雷圖；蘋果公司利用其本身的iBeacon設備繪制出更為精確的地區，其精準程度不亞于谷歌。此外，韓國三星公司與德國斯圖加特公司也進行定位系統的研制與應用。當前，我國的許多研究部門也利用wi-fi技術進行了定位系統研究，并在定位此方面得到了突破與進展，其主要集中在優化定位系統電路、電力算法、指紋識別等，但是定位的精準程度偏低些。在藍牙礦山定位技術方面，國內有幾家企業也開始研發iBeacon產品，主要集中于算法的研究，在定位精度方面和國外同等類型產品相差較大。

總體來講，當前我國的礦山定位的主要問題在于：①定位系統過于陳舊，精準程度偏低，其定位的范圍相對較小，容易受到外界信號的干擾，同時不兼備互聯網信號傳輸功能；②功能較為單一，在復雜的礦山地質環境下，會受到高大山體的阻擋，從而導致定位信號受到一定的干擾，是的定位的穩定性也相對較差，周圍的噪音干擾使藍牙數據傳播受到一定的阻礙；③定位系統實時性較差，在不對礦山工作人員進行追蹤定位時，不支持人員在區域內出入的報警功能：④其應用較為傳統，不具備智能化控制，在礦山周圍的電子圍欄系統上，不支持信號傳輸，因此，人員信息、電子點名功能缺失。

UWB(Ultra-Wideband)是一種無載波通信技術，利用脈沖作為載體，將數據型號進行傳輸。通過寬頻的傳輸載體，將信號的傳輸功率降到最低，已達到信號傳輸的精準性，UWB在10m的范圍內的信號傳輸，可達到Mbps到或Gbps的數據速率。

因此可知，UWB傳輸技術具有很好的抗干擾性，在較高的傳輸速度當中，其系統傳輸功率可降到最低程度。在現階段，市場上尚無用于定位礦山建設的標準芯片。DW1000具有低功耗，低成本和精確定位的特點，將成為未來礦山建設的主要定位產品。

1 系統建設內容

1.1 系統總體規劃

UWB系統定位管理中，所使用的是實時在線定位系統，服務器后端界面可以直接觀察到礦山工作人員的準確位置。在采礦工程施工區域當中，基站中的實施監控定位系統為每名工作人員設定專屬標簽，從而可以更加準確的了解個人信息及位置，接收到每個標簽的位置信息后，服務器會處理某些數據，然后在后臺主頁上顯示該標簽。

如圖1所示，位置標簽與基站相關聯，基站以固定的間隔將對位置信息的請求發送到位置標簽，位置標簽在從基站接收到位置信息請求之后立即將位置信息發送給基站，使區域內的基準站，接受到所發出的信號位置。定位標簽發送的信號在服務器進行接受，服務將接收到的信號進行處理，這處理方法，一方面是將處理后的數據進行保存，以便后期查找，另一方面是現實在主網頁頁面位置上，方便定位。

圖1 UWB定位系統示意圖

1.2 系統整體設計

礦山定位系統包括基于使用UWB協議進行無線通信的硬件系統，以及處理和定位有關施工距離和地質結構信息的軟件系統。硬件系統包括定位基站和定位標簽，基站固定在礦井中的指定位置，非參考節點可以在測量范圍內自由移動。由于需要獲取有關三維空間中高度的信息，因此定位系統至少需要4個支持節點和1個移動非支持節點。該軟件系統包括下位計算機的距離測量和上位計算機的距離處理，系統總體框架如圖2所示。

圖2 系統總體框架

1.3 應用功能

1.3.1 后臺首頁多種功能

主要是將所定位的區域現實在內部主頁面上，并將所定位的位置進行實時標記，確定出定位的人員信息，而基站顯示基站名稱，主頁應具有網頁截圖、區域設計功能等，按照所定位的標簽進行搜索，并且確定出定位的距離，在主頁面上可以繪制出精裝圖形。

1.3.2 系統信息管理

定位系統管理模塊包括：用戶管理、信息定位、工作信息管理等。其中，用戶管理模塊主要是為了精準的添加用戶的相關信息。在礦山工程建設部門當中，其管理模塊的行政結構，可以顯示其內部信息與下屬管理體制，同時還有添加相關部門的管理信息。

1.3.3 地圖在線編輯

在地圖在線面積模塊中，將工程施工信息及該地形圖進行掃描編制。礦山施工項目管理模塊主要負責施工建設的信息數據管理，在此模塊當中，可以根據開采區域的信息進行某些規則的添加。更改或刪除礦山施工設計方案，在卡信息管理模塊中，添加新卡信息時，同時需要能夠正確導入卡。

1.3.4 基站信息可維護

基站控制模塊負責管理基站信息，包括綁定和與人員斷開連接，添加基站信息時的校驗以及根據某些規則添加，更改和刪除基站信息。

1.3.5 特色化電子圍欄

電子圍欄模塊需要兩個子模塊，包括區域設置和規則管理，規則管理模塊負責提供有關區域規則的特定信息，而主要業務邏輯仍在區域設置模塊中。在區域設置模塊中，需要顯示有關當前采礦項目特定區域的地質結構的信息，并將人員、標簽、采礦公司、部門和其他模塊的數據結合起來，以實現具有電子圍欄警報的功能。

1.3.6 自動化電子點名

電子點名模塊的基本頁面設置類似于電子圍欄模塊，但是從業務需求的角度來看，電子點名模塊需要通過繪制點名區域來自動對標簽上所有人員進行點名。

1.3.7 智能化考勤

智能考勤模塊包括考勤區、考勤記錄和班次設置等子模塊。出勤區模塊負責管理和建立相應的出勤區圖，考勤模塊將所有考勤人員的考勤數據記錄在表格中。班次設置模塊主要用于考勤服務，并提供相應的班次信息以實現考勤模塊。

2 結語

本文針對基于UWB的礦山工程測距與定位系統的研究，列出了七項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施工當中。