露天煤矿采用UWB定 位技术实现露天煤矿人员定 位系统智能化应用

为解决目前露天煤矿普遍安装的人员定 位系统只能进行区域人员定 位的问题，同时解决现有的人员定 位系统建设成本投入太高的问题，提出了采掘面和关键区域定 位和其他地方区域定 位相结合的方案，甚至可以融合现有的区域人员定 位系统。

系统采用UWB超宽带技术为定 位测量技术，理论精度达到0.1米。有专门的人员定 位监测平台软件，进行定 位信息的处理，功能涵盖现有人员定 位系统的功能，并能融合现有区域定 位数据，系统同时还提供调度通讯的功能。

系统由人员调度通讯定 位终端（人携带）、定 位锚点、区域定 位锚点、采集器、传输分站、光纤、电源、矿用本安电源箱、调度采集服务器、人员定 位系统分析平台软件等几部分组成。

定 位采用UWB(UltraWideband)超宽带，频带为3.1-10.6GHz，带宽大于500MHz，时域上表现为时间极短(＜2nS)的脉冲。

模块A相当于安装在人员调度定 位终端里，模块B相当于安装在定 位锚点里，定 位锚点按照固定坐标值，按一定间隔安装。

UWB定 位技术采用的是TOF（飞行时差）测距，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个收发机之间飞行时间来测量节点间的距离。模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A的发射机在其时间戳上的a1发射请求性质的脉冲信号，模块B在b2时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳a2时刻接收。

人员调度定 位终端不断在获取UWB定 位锚点ID和距离信息，从报文信息中判断本次测距通信的UWB锚点数量为1还是大于1，若是1，则存储一条定 位信息，若是2，则拆分成两个定 位信息存储。

人员调度定 位终端将在次进入某个区域定 位锚点区域、离开某个区域定 位锚点区域、切换到新的区域定 位锚点三个时间节点的时间形成区域定 位信息，并将区域定 位信息存储后在LoRa网络覆盖时将区域定 位信息上传给分站和采集器。

人员调度定 位终端在次搜到区域定 位锚点之后，记录当前时间和区域定 位锚点ID信息。

若后面长10S时间内能够持续搜到同一个ID的区域定 位锚点，则不做处理，若10S时间后没有搜到同一个ID的区域定 位锚点，则记录当前时间-10S和区域定 位锚点ID信息。若在10S时间内搜到另一个区域定 位锚点，则立即记录当前时间和新的区域定 位锚点ID信息，并按新区域定 位锚点为标准进行10S间隔判断。

区域定 位锚点信息的获取功能由人员调度定 位终端上的2.4GRFID模块实现，2.4GRFID模块会将状态变化情况（经过的锚点信息、游离状态、更换锚点）通过串口发送给主控制，主控制缓冲后，通过LoRa将区域定 位信息进行上报给采集器。



项目实施工作流程

1、定目标

考虑项目资金受限情况及现有人员定 位系统状况，确定是全矿定 位还是局部定 位。

2、划范围

确定哪些采掘工作面及围栏区域需要定 位，从什么地方开始到什么位置结束，区域定 位能接受的大精度。

3、做试验

在所有涉及的定 位区域，分别做UWB信号和LORA信号正常工作覆盖的范围，即传输距离，作为设备布置的基础参数。

4、拟规划

在做试验的基础上，做出所有区域和位置的的锚点安装规则、规划。

5、找位置

根据规划，在电子采掘工程平面图上，标注出每个锚点具体的安装位置。

6、去安装

在需要安装的位置，实际悬挂安装锚点，同时使用矿用巡检记录仪将锚点编号与位置进行现场对应。

7、培训试运行

组织相关培训，试运行，系统调整，准备验收材料。

1. 人员定 位，功能包括：

采煤面、掘进头定 位；大巷、上下山区域定 位；特定区域的电子围栏警告；危险报警、求救；人员管理统计与分析；行为轨迹追踪。

2．调度通讯，功能包括：

语音调度；语音广播，预设的调度室信息联络。

3. 可扩展功能，功能包括：

获取设备信息；进尺自动测量；设备定置管理。

五、创新点或系统亮点

（一）项目创新点

1、利用UWB的TOF（飞行时差）测距方法，将人员定 位的理论误差提高到0.1m，解决了露天矿山主要工作场所人员定 位问题。

当前所有煤矿都装有人员定 位系统，至少90%以上是安装的区域人员定 位系统，主要目的是监控人员分布情况和考勤，能知道在哪个工作面，但是具体在工作面上的什么位置，就不清楚了。

2、利用Lora的无线通讯特性，搭建了适合露天矿山的物联网，通过与矿山工业以太网的融合，形成矿山私有物联网，解决了露天矿山信息网络建设后一公里的难题。

不排除有的矿山将工业以太网WiFi或者3G/4G网络布置到了采煤面和掘进头，但至少目前98%的矿山没有这么做，不单是资金的问题，主要的还是环境变化太快，网络维护工作量太大。该研究为复杂生产环境的物联网建设提供方案。

3、利用搭建的矿山私有物联网、语音识别技术和TTS语音合成技术，借助人员调度通讯定 位终端，将人员定 位和语音调度有机地结合起来，是行业内首创。

煤矿作业人员管理系统通用技术条件 ，目前没有实现要求宜具有寻呼功能、宜具有呼救、告急功能、宜具有广播通信功能、宜具有双向语音通信功能，宜具有就地报警和地面远程控制报警功能、宜具有生命探测功能。

4、利用合理的UWB锚点部署规划和线性空间定 位算法，方便地实现了危险区域虚拟电子围栏的定义，通过人员调度通讯定 位终端给予声光提醒，实现人员行为监控和相关安全隐患的自动辨识。

5、利用项目提供的定 位和区域定 位相融合的方法，既解决了关键生产位置的定 位需求，又能通过区域地位降低资金投入，解决了实际客观需求与有限资金投入的矛盾。

UWB定 位是目前室内定 位（在GPS不起作用的环境下）的主要技术，锚点和标识卡硬件设备价格高，但是在矿山下一般识别距离在70m~150m（与巷道宽度和煤体环境有关），若全部每隔100m设一个锚点，投入太高。

项目亮点

1、预期整体信息化投入降低

构建物联网，多系统共享网络资源。提供广播功能，可减少其部署资源可回收，循环使用。

2、管理，精准调度

一个系统实现人员跟踪与语音调度管理。知道准确位置，指挥精准到位。点对点沟通，方便快捷

3、人员定 位精度提高

定 位理论精度可达0.1m，露天矿山人员定 位可达国内领先水平， 性价比远高于现推行的同类先进适用技术。

4、人员行为管理智能化

实现虚拟的电子围栏，根据警告和不安全行为记录；可分析人员在岗情况和脱岗记录；巡检人员位置化，可实现履职监管自动化。