一种基于UWB技术的煤矿人员定位系统解决方案

郑小磊 王金满

摘  要：文章针对煤矿人员定位系统，进行了多种定位技术的调查。调查发现，超宽带技术更适合煤矿人员定位，进而对超宽带技术进行了研究，并对超宽带定位的算法进行分析。结合煤矿井下实际情况，研究制定一套基于超宽带技术的煤矿人员定位系统的解决方案，包括系统的总体架构、软件方案和硬件方案。对整套解决方案进行了实测，实验结果表明所设计系统能够满足煤矿人员定位场景的需求和设计指标要求，达到了良好的性能。

关键词：煤矿;安全生产;人员定位系统;超宽带;解决方案

中图分类号：TN92     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）21-0031-05

A Solution of Coal Mine Personnel Positioning System Based on UWB Technology

ZHENG Xiaolei1，WANG Jinman2

（1.China Coal Research Institute Changzhou Automatization Research Institute Co.，Ltd.，Changzhou  213015，China;

2.Shandong Branch of Beidou Tiandi Co.，Ltd.，Jining  273500，China）

Abstract：Aiming at the coal mine personnel positioning system，this paper carries out a variety of positioning technology investigation. The investigation found that the UWB technology is more suitable for coal mine personnel positioning，and then conducted research on UWB technology，and analyzed the algorithm of UWB positioning. Combining with the actual conditions of coal mines，research and formulate a set of solutions for coal mine personnel positioning system based on UWB technology，including the overall architecture of the system，software solutions and hardware solutions. The actual measurement of the whole set of solutions shows that the designed system can meet the needs of coal mine personnel positioning scene and design index requirements，and achieve good performance.

Keywords：coal mine;safe production;personnel positioning system;UWB;solution

0  引  言

煤礦井下人员定位系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一[1]，对于煤矿安全生产至关重要。中煤科工集团常州研究院有限公司是煤炭行业专业从事煤矿通信和监控类产品研发和检验的高新技术企业，其下设的检测中心是煤矿行业专用从事矿用通信和监控设备安全准入分析验证的国家级检验中心。常州研究院在国内率先采用RFID技术开发成功并推广应用井下人员安全监测系统，在煤矿人员定位系 统的研发方面处于国内领先地位。人员定位系统在实现安全，同时可提供包括矿井人员和车辆实时位置和完善信息，从而实现对矿井人员实时的、全面的、智能的管理，在发生紧急事故的时候，可迅速、准确地对井下人员定位，减小搜救难度，提高人员生还概率。

本文针对超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术进行详细的介绍，并给出了基于UWB技术的煤矿人员定位系统的整套解决方案，包括软件系统、硬件系统和布站方式，并在现场进行实测，根据实测效果得出结论。

1  概述

1.1  研究背景

根据国家煤矿安监局《煤矿井下人员定位系统通用技术条件（征求意见稿）》、山东煤矿安全监察局关于印发《山东煤矿人员精确定位系统技术要求（试行）》（鲁煤监技装〔2019〕55号）、山东煤矿安全监察局和山东省能源局联合制定了《山东煤矿安全监察局 山东省能源局关于进一步加快全省煤矿人员精确定位系统建设工作方案》（鲁煤监技装〔2019〕65号）的文件精神，行业标准和文件要求定位标签卡的静态测距误差不大于0.3 m，覆盖范围不小于400 m，这就要求人员定位系统必须采用定位准确的UWB技术。

1.2  现状

近年来，针对人员定位的应用场景发展了多种定位技术[2]，包括Wi-Fi[3]，蓝牙[4]，ZigBee[5]，UWB等[6]，表1给出了几种典型的无线定位技术在煤矿场景下对比。

由于井下的空间相对封闭[7]，巷道曲折狭小[8]，信号衰落快，多径效应明显[9]，定位系统接收信号中往往无法分辨直达信号和多径信号，影响时间信息的获取，对定位精度造成影响;而UWB信号具有脉宽窄，距离分辨率高的特点，相对于其他无线定位技术，具有精度较高、覆盖距离远，成本适中等优点，非常适合矿井定位的要求，成为煤矿人员定位技术的首选。

1.3  研究目的

定位管理系统结合煤矿井下实际情况，在满足国家相关行业标准的基础上，采用先进精确定位技术，实现矿井内目标精确定位。本文基于精确定位UWB技术设计定位解决方案，并测试该方案下UWB技术的有效覆盖距离即最大传输距离，以及有效传输距离范围内的测距精度。

2  基于UWB的人员定位技术

与传统的窄带信号不同，从频域上看，UWB信号带宽很大，而时域脉冲宽度窄，同时在每个频点上功率很低。UWB信号具有时域分辨率高，带宽大，不易被截获等特点，被广泛应用于雷达，定位与通信的场景中[10]。在煤矿定位场景下，使用UWB信号相对于窄带信号的主要优势在于：UWB信号能准确分离无线传输中的直达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。

人员定位系统中常用的定位与测距算法，有基于到达时间（Time of Arrival，TOA）、到达时间差（Difference of Time-Of-Arrival，TDOA），以及基于到达角度（Angle of Arrival，AOA）、到达信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）的定位与测距算法等。本系统场景下，针对UWB信号时间分辨率高的特点，更适用于采用基于时延的TOA和TDOA算法，图1（a）给出了TOA定位算法的示意图，图1（b）给出了TDOA定位算法的示意图。

本系统中，被定位区域布设UWB定位基站，由被定位对象携带UWB定位标签。通过测量定位标签与定位基站距离（或伪距）的关系，从而获得定位对象的位置。具体分为单基站TOA定位和双基站TDOA/TOA定位两种方式：

（1）单基站TOA定位方式。UWB单基站一维定位时，定位标签在基站覆盖半径范围内与定位基站测距，同时定位基站通过接收到的UWB信号特征判断定位标签处于基站的哪个方向（在巷道的左边还是右边），通过已知的基站坐标，解算出定位标签的坐标位置。如图2所示。

UWB单站定位方式的优点是，覆盖距离远、成本低，站间的距离是基站覆盖半径的叠加;缺点是标签只有一个基站覆盖，系统的冗余度低，且定位标签与基站来回测距，标签续航时间相对较短。

（2）双基站TDOA/TOA定位方式。UWB双基站一维定位，定位标签同时在两个基站覆盖半径范围内与定位基站测量时间差，通过时间差的关系，解算出定位标签的方向和离基站距离进而解算出定位标签的坐标。如图3所示。

UWB双基站定位方式的优点是，在TOA模式下，标签单程测距，续航长;而TDOA模式下标签与两个基站都会测距，系统冗余度高;缺点是站间需要相互覆盖，转弯的位置不易部署，覆盖距离相对于单站缩减一半，成本较高。

3  系统总体架构

本系统是基于UWB超宽带测距技术的煤矿人员定位系统。系统主要由应用层、服务层、传输层和设备层（包括本安型定位基站和本安型定位标签）构成，传输层主干网通信方式采用有线或无线的通信方式。各层主要功能如图4所示。

下面对人员定位系统各层进行详细描述：

（1）应用层通过调用服务层提供的SDK接口二次开发形成，对终端煤矿用户提供人员定位系统软件，主要功能包括位置监测显示、人员信息管理、越界报警、存储和查询、人机交互功能等功能。

（2）服务层对底层UWB时间信号数据处理后，解算出定位数据，同时为应用层提供SDK前端和SDK后台接口，此外，服务层还提供了系统设备管理软件，对设备设施进行管理、故障诊断、调试等服务。

（3）传输层采用Wi-Fi和光纤方式进行数据传输，向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位原始数据传输给服务层，是定位基站与服务层、感知层之间数据传输通道。

（4）设备层主要包括本安型定位基站和本安型定位标签，本安型定位标签按时隙广播携带自身ID号的无线信号，本安型定位基站接收到本安型定位标签发送的信号后，将接收到信号的时间戳和本安型定位标签ID卡号通过传输层输给服务层解算，完成对本安型定位标签卡的定位，同时本安型定位基站也可以通过传输层接收到应用层下发的指令，完成相关的设置。

系统各层提供的主要功能和接口如图5所示。

4  系统硬件方案

图6是基于UWB技术的煤矿人员定位系统的硬件架构，系统设备层由定位服务器、主干传输网络、本安型定位基站和本安型定位标签组成，同时具有井口唯一性检测装置可供选择;主干传输网络由地面网络和井下环网组成，本安型定位基站和井下交换机之间可通过网线或光纤进行连接，本安型定位基站间可通光纤进行级联接，本安型定位基站通过带后备电源的隔爆兼本安电源或者浇封兼本安电源供电。

系统感知层的主要设备包括本安型定位基站、本安型定位标签，其主要的技术参数为：

（1）本安型定位基站。图7（a）是本安型定位基站外观图，图7（b）是本安型定位基站内部结构图。

（a）本安型定位基站外观

（b）本安型定位基站内部结构

本安型定位基站的主要技术参数如表2所示：

（2）本安型定位标签。图8（a）是本安型定位标签外观图，图8（b）是本安型定位标签电路板图。本安型定位标签主要参数如表3所示。

現场本安型定位基站的部署方案如图9所示，对于长直巷道，最大每隔800 m布置一个本安型定位基站，对于转弯巷道，在出弯两端最大400 m的位置部署本安型定位基站。对于转弯巷道和分支巷道，本安型定位基站部署如图9所示。

5  现场应用与实测结果

测试场景选择某煤矿井下巷道，巷道直线长度超过1 km。本安型定位基站和定向天线安装在西翼巷道400 m处，所处位置标识为地图零点坐标。测试所用主要设备如表4所示。

测试现场本安型定位基站如图10所示。

测试时，由测试人员携带全部本安型定位标签从本安型定个位基站零点位置开始向巷道400～1 000 m一侧行走，同时测试测距误差，观察定位延迟、记录本安型定位基站的最远覆盖距离，表5记录了不同距离下测试系统的测距误差。

测试结果显示，系统本安型定位基站单向覆盖距离能够达到700 m左右，但是400 m之后测距精度可能达不到0.3 m的要求;400 m范围内定位成功率高;同时系统测试过程中未出现明显的丢失定位标签现象，系统通信成功率高。所设计的人员定位系统在煤矿井下的实际应用场景中表现出良好的性能。

6  结  论

本文详细阐述了基于UWB技术的煤矿人员定位系统的解决方案，软硬件架构和通信组网方案，并对该方案进行现场实际應用，结果表明：该方案下的UWB定位系统，单基站的最远覆盖半径不小于400 m，在本安型定位基站单向400 m范围内，本安型定位标签卡的测距误差不大于0.3 m。现场的实际应用表明所设计的系统适用于煤矿人员定位场景，满足设计指标和应用需求，达到了良好的性能。

参考文献：

[1] 杨通禄，高艳芬，贾明涛，等.论矿山安全避险“六大系统”在安全生产中的作用 [J].采矿技术，2013，13（2）：35-38.

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[10] RICHARDS M A. Fundamentals of radar signal processing：1st ed [M].New York：McGraw-Hill，2005.

作者简介：郑小磊（1986—），男，汉族，江苏如东人，工程师，通信所所长助理，学士学位，研究方向：防爆通信监控设备的技术审查和检测检验。