常 琳

（安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京100013）

隨著礦山物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于煤礦井下各工段人員、各工種人員資助、動(dòng)態(tài)設(shè)備、靜態(tài)設(shè)備、有軌/無軌運(yùn)輸設(shè)備等目標(biāo)的全周期狀態(tài)監(jiān)測(cè)、信息匯集、聯(lián)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理等各種信息的采集、跟蹤、管理、預(yù)警、監(jiān)控對(duì)人員定位技術(shù)的精準(zhǔn)度應(yīng)用需求將會(huì)越來越多，同時(shí)根據(jù)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造驗(yàn)收規(guī)范》中的要求：GIS界面中的安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)在應(yīng)急聯(lián)動(dòng)期間各設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換正常，且軟件和硬件的聯(lián)動(dòng)機(jī)制相同，方可認(rèn)為具備多網(wǎng)多系統(tǒng)融合功能。規(guī)范中明確要求安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置分級(jí)報(bào)警，當(dāng)達(dá)到規(guī)定報(bào)警級(jí)別時(shí)系統(tǒng)發(fā)出撤人告警，GIS圖聯(lián)動(dòng)人員管理系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)，人員管理系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)中均應(yīng)具有相應(yīng)的狀態(tài)提醒，同時(shí)發(fā)出語音播報(bào)。按照國(guó)家安監(jiān)總局“十三·五”煤礦安全技術(shù)升級(jí)改造要求：建設(shè)煤礦安全生產(chǎn)科技化、信息化、數(shù)字化，人員、設(shè)備必須實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)（精準(zhǔn)定位），井下人員、設(shè)備在系統(tǒng)顯示必須是三維電子地圖（GIS）化，數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸必須采用數(shù)字化及無線通信、應(yīng)急廣播等，在此基礎(chǔ)上最大程度的保障煤礦安全建設(shè)，堅(jiān)決遏制重大、特大事故的發(fā)生[1]。

而目前大部分的人員管理系統(tǒng)均為區(qū)域定位的方式，多采用RFID、Zigbee等技術(shù)，同時(shí)現(xiàn)有煤礦井下巷道生產(chǎn)、運(yùn)輸區(qū)域多、人員工作區(qū)域分散，并且還存在著員工工作狀態(tài)不規(guī)范行為，特別是當(dāng)煤礦發(fā)生安全事故時(shí)，對(duì)于員工的實(shí)時(shí)位置無法精確掌握、逃生路線無法精準(zhǔn)指引，很大程度上會(huì)延誤救援逃生的時(shí)間，無法第一時(shí)間實(shí)施安全救援工作。

為此，對(duì)超寬帶無線載波通信技術(shù)（UWB）進(jìn)行研究，采用TOF時(shí)間差進(jìn)行定位的方法，結(jié)合定位及定向的方式來測(cè)量信號(hào)源到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離（時(shí)間差×電磁波傳輸速度）來判定信號(hào)源發(fā)生的位置，通過UWB技術(shù)重點(diǎn)解決煤礦井下受各種工況環(huán)境影響所造成的定位誤差大、定位不精確、實(shí)時(shí)性差等問題，為煤礦井下人員定位精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供一種切實(shí)可行的技術(shù)方案。

1 UWB技術(shù)應(yīng)用理論的研究及闡述

目前采用UWB技術(shù)進(jìn)行測(cè)距的常用方法有2種：Time of Flight（TOF）、Time Difference of Arrival（TDOA）[2]。

TOF測(cè)量技術(shù)通過測(cè)量UWB標(biāo)簽信號(hào)飛行到讀卡器（或者定位基站）所需要的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)UWB標(biāo)簽到讀卡器的距離計(jì)算，TOF測(cè)距方法一般包括:單邊雙向測(cè)距（SS-TWR）和雙邊雙向測(cè)距（DSTWR）。

單邊雙向測(cè)距采用1號(hào)設(shè)備主動(dòng)向2號(hào)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，2號(hào)設(shè)備接收到1號(hào)設(shè)備后返回?cái)?shù)據(jù)響應(yīng)1號(hào)設(shè)備進(jìn)行單個(gè)往返數(shù)據(jù)時(shí)間上的測(cè)量，具體測(cè)量方式為1號(hào)設(shè)備主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)并記錄發(fā)送時(shí)間戳，2號(hào)設(shè)備接收到后記錄接收時(shí)間戳；經(jīng)過T延時(shí)后，2號(hào)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)并記錄發(fā)送時(shí)間戳，1號(hào)設(shè)備接收到后記錄接收時(shí)間戳，經(jīng)過計(jì)算可以統(tǒng)計(jì)出1號(hào)設(shè)備的時(shí)間差T1和2號(hào)設(shè)備的時(shí)間差T2，換算出信號(hào)飛行時(shí)間[3]。

雙邊雙向測(cè)距屬于單邊雙向測(cè)距的擴(kuò)展升級(jí)方式，采取雙往返時(shí)間戳記錄的方式，推算出信號(hào)飛行時(shí)間，整個(gè)過程通過平均計(jì)算可以降低測(cè)距誤差，但是同時(shí)會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間。

TDOA測(cè)量技術(shù)為通過測(cè)量UWB標(biāo)簽信號(hào)到達(dá)各個(gè)讀卡器（或者定位基站）的時(shí)間差來進(jìn)行定位的雙曲線定位法。UWB標(biāo)簽對(duì)外發(fā)送UWB信號(hào)1次后，在讀卡器（或者定位基站）可覆蓋的標(biāo)簽定位距離的所有無線信號(hào)，都將會(huì)被讀卡器（或者定位基站）接收到，對(duì)于2個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的讀卡器（或者定位基站）收到的信號(hào)，標(biāo)簽和讀卡器（或者定位基站）的距離間隔不同，固收到的信號(hào)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同，根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯推理關(guān)系，到已知2點(diǎn)為常數(shù)的點(diǎn)，將處于以這2點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上，同理4個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)的讀卡器（或者定位基站）就會(huì)形成4條雙曲線，4條雙曲線交于一點(diǎn)的位置就是標(biāo)簽的位置[4]。

采用UWB技術(shù)進(jìn)行人員精準(zhǔn)定位其主要優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）高精度時(shí)間戳。納秒級(jí)超寬帶脈沖信號(hào)，采用定時(shí)的方式計(jì)算位置通常誤差會(huì)小于幾厘米。

2）高定位精度。UWB的大帶寬特性決定了信號(hào)在多徑環(huán)境下具有極高的距離分辨能力，同時(shí)可以屏蔽大部分的多徑干擾信號(hào)的影響。

3）超強(qiáng)的抗電磁干擾能力。發(fā)射端與接收端采用同擴(kuò)頻碼脈沖序列信號(hào)解調(diào)，發(fā)射功率低、信號(hào)寬帶大，避免其它通信設(shè)備對(duì)其的干擾。

4）高通信系統(tǒng)能效。UWB的1 GHz以上的射頻帶寬可以獲得極大的擴(kuò)頻增益，在供電容量一定的情況下，延長(zhǎng)了工作時(shí)間或者在一定的發(fā)射功率下，加大了覆蓋范圍。

2 基于UWB技術(shù)的人員定位設(shè)計(jì)方案

基于UWB技術(shù)的人員定位設(shè)計(jì)方案如圖1。

圖1基于UWB技術(shù)的人員定位設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design of personnel positioning based on UWB technology

1）標(biāo)簽單元。標(biāo)簽單元與定位讀卡器單元之間采用TOF的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互通信，標(biāo)簽單元主動(dòng)向定位讀卡器單元發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，定位讀卡器單元在接收到標(biāo)簽單元數(shù)據(jù)信號(hào)后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)記錄時(shí)間戳，經(jīng)過交互后換算出信號(hào)飛行時(shí)間，用信號(hào)飛行時(shí)間×電磁波速度推算出當(dāng)前距離，完成定位算法，定位讀卡器單元接收并處理標(biāo)簽單元的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面定位監(jiān)控軟件單元，同時(shí)可將地面定位監(jiān)控軟件單元下達(dá)的查詢、監(jiān)控各種指令通過定位讀卡器單元轉(zhuǎn)發(fā)給標(biāo)簽單元，標(biāo)簽單元同時(shí)具備：語音廣播、緊急求救、缺電指示、充電指示等自診斷、自監(jiān)測(cè)的功能[5]。

2）定位讀卡器單元。定位讀卡器單元做為定位數(shù)據(jù)采集分站單元與標(biāo)簽單元之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和雙向通信通迅控制鏈路，定位讀卡器單元與標(biāo)簽單元采用UWB通信方式，與定位數(shù)據(jù)采集分站單元采用RS485/CAN/光纖通信方式。定位讀卡器單元在接收到標(biāo)簽單元數(shù)據(jù)信號(hào)后返回響應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)的同時(shí)記錄時(shí)間戳，經(jīng)過交互后換算出信號(hào)飛行時(shí)間，用信號(hào)飛行時(shí)間×電磁波速度推算出當(dāng)前標(biāo)簽單位的具體位置，同時(shí)定位讀卡器單元會(huì)將標(biāo)簽單元的位置信息上傳至定位數(shù)據(jù)采集分站單元，定位讀卡器單元具有雙向通信及工作指示功能、通訊信號(hào)中斷后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和續(xù)傳的功能、時(shí)間標(biāo)記功能、自診斷和故障指示功能、聲光報(bào)警功能等[6]。

3）定位數(shù)據(jù)采集分站單元。分站單元將采集到的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并重新組成TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到定位監(jiān)控軟件單元。定位數(shù)據(jù)采集分站單元可接收地面定位監(jiān)控軟件單元發(fā)出的控制命令，并轉(zhuǎn)發(fā)給各定位讀卡器單元和標(biāo)簽單元。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)因故障中斷時(shí)，定位數(shù)據(jù)采集分站單元可暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，待網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)后重新發(fā)送，以保證人員位置信息的完整性。定位數(shù)據(jù)采集分站單元具有雙向通信及工作指示功能、雙向通信及定位功能、通信中斷時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能、初始化參數(shù)設(shè)置功能、掉電保存功能、自診斷和故障指示功能、無線WIFI/4G手機(jī)雙向通話功能等[7]。

4）定位監(jiān)控軟件單元。UWB人員定位系統(tǒng)的管理單元，采用數(shù)據(jù)庫(kù)與前端界面相結(jié)合的邏輯控制展示，標(biāo)簽單元與入井人員“一一對(duì)應(yīng)”，對(duì)入井人員總數(shù)、時(shí)刻、工作時(shí)間、超時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、管理及預(yù)警；重點(diǎn)區(qū)域、限制區(qū)域等特種區(qū)域統(tǒng)計(jì)及管理；攜帶標(biāo)簽單元的人員的基本信息包括：ID號(hào)、姓名、身份證號(hào)、出生年月、職務(wù)或工種、所在班組、工作地點(diǎn)、月下井次數(shù)、下井時(shí)間、天下井情況、下井活動(dòng)路線等通過定位監(jiān)控軟件單元需要進(jìn)行全程的監(jiān)測(cè)及管理[8]。

3 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試距離400 m，每50 m選取1個(gè)點(diǎn)，然后對(duì)選取的8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距校準(zhǔn)；選取2個(gè)標(biāo)簽（1001、1002）共進(jìn)行5次測(cè)量來對(duì)比誤差，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

通過測(cè)量數(shù)據(jù)記錄及對(duì)比數(shù)據(jù)參，得出在定位讀卡器單元400 m范圍內(nèi)最大平均誤差0.07 m，符合AQ6211《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（征求意見稿）的技術(shù)參數(shù)要求。

4結(jié)語

從理論層面深入的探討了超寬帶無線載波通信技術(shù)（UWB），通過對(duì)TOF測(cè)量方式完成了對(duì)人員精準(zhǔn)定位的分析，并對(duì)比闡述了UWB定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)其在煤礦井下人員精準(zhǔn)定位管理過程中的應(yīng)用方案進(jìn)行了詳細(xì)的論述。UWB技術(shù)的高精度時(shí)間戳、高定位精度、超強(qiáng)的抗電磁干擾能力、高通信系統(tǒng)能效等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)可以最大程度完成人員的精準(zhǔn)定位，在此基礎(chǔ)上將對(duì)于煤礦人員的精準(zhǔn)定位技術(shù)逐步的推廣到固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備、有軌運(yùn)輸車、無軌膠輪車等的精準(zhǔn)定位，從“全空間”對(duì)所有工況環(huán)境進(jìn)行管控，為未來的精準(zhǔn)定位提供一個(gè)有效的路徑及指導(dǎo)方向。