UWB定位系统在矿山工程测距中的应用

武 枝，綦 亮，周绍青，李 敏，赵军正

（山东正元冶达科技发展有限公司，山东 济南 250000）

随着当代工业发展水平的不断提高，位置信息在工程生产共过程中起到重要的作用。而作为LBS(地基服务)核心技术之一，采矿定位系统是矿产施工过程的重要组成部分，在这定位系统还应用于运输、消防等领域。近年来，各类的定位系统技术在各个行业当中不断发展，同时提供了更为智能化的定位方式，并将其应用到矿山开采工程中，为矿山企业的经济发展带来巨大的潜力。

在矿业定位方面，我国起步相对较晚，技术较为落后。国外在矿山结构定位方面已经变得更加成熟。2011年，Google发布了包含无线和移动基站等信息的地雷图；苹果公司利用其本身的iBeacon设备绘制出更为精确的地区，其精准程度不亚于谷歌。此外，韩国三星公司与德国斯图加特公司也进行定位系统的研制与应用。当前，我国的许多研究部门也利用wi-fi技术进行了定位系统研究，并在定位此方面得到了突破与进展，其主要集中在优化定位系统电路、电力算法、指纹识别等，但是定位的精准程度偏低些。在蓝牙矿山定位技术方面，国内有几家企业也开始研发iBeacon产品，主要集中于算法的研究，在定位精度方面和国外同等类型产品相差较大。

总体来讲，当前我国的矿山定位的主要问题在于：①定位系统过于陈旧，精准程度偏低，其定位的范围相对较小，容易受到外界信号的干扰，同时不兼备互联网信号传输功能；②功能较为单一，在复杂的矿山地质环境下，会受到高大山体的阻挡，从而导致定位信号受到一定的干扰，是的定位的稳定性也相对较差，周围的噪音干扰使蓝牙数据传播受到一定的阻碍；③定位系统实时性较差，在不对矿山工作人员进行追踪定位时，不支持人员在区域内出入的报警功能：④其应用较为传统，不具备智能化控制，在矿山周围的电子围栏系统上，不支持信号传输，因此，人员信息、电子点名功能缺失。

UWB(Ultra-Wideband)是一种无载波通信技术，利用脉冲作为载体，将数据型号进行传输。通过宽频的传输载体，将信号的传输功率降到最低，已达到信号传输的精准性，UWB在10m的范围内的信号传输，可达到Mbps到或Gbps的数据速率。

因此可知，UWB传输技术具有很好的抗干扰性，在较高的传输速度当中，其系统传输功率可降到最低程度。在现阶段，市场上尚无用于定位矿山建设的标准芯片。DW1000具有低功耗，低成本和精确定位的特点，将成为未来矿山建设的主要定位产品。

1 系统建设内容

1.1 系统总体规划

UWB系统定位管理中，所使用的是实时在线定位系统，服务器后端界面可以直接观察到矿山工作人员的准确位置。在采矿工程施工区域当中，基站中的实施监控定位系统为每名工作人员设定专属标签，从而可以更加准确的了解个人信息及位置，接收到每个标签的位置信息后，服务器会处理某些数据，然后在后台主页上显示该标签。

如图1所示，位置标签与基站相关联，基站以固定的间隔将对位置信息的请求发送到位置标签，位置标签在从基站接收到位置信息请求之后立即将位置信息发送给基站，使区域内的基准站，接受到所发出的信号位置。定位标签发送的信号在服务器进行接受，服务将接收到的信号进行处理，这处理方法，一方面是将处理后的数据进行保存，以便后期查找，另一方面是现实在主网页页面位置上，方便定位。

图1 UWB定位系统示意图

1.2 系统整体设计

矿山定位系统包括基于使用UWB协议进行无线通信的硬件系统，以及处理和定位有关施工距离和地质结构信息的软件系统。硬件系统包括定位基站和定位标签，基站固定在矿井中的指定位置，非参考节点可以在测量范围内自由移动。由于需要获取有关三维空间中高度的信息，因此定位系统至少需要4个支持节点和1个移动非支持节点。该软件系统包括下位计算机的距离测量和上位计算机的距离处理，系统总体框架如图2所示。

图2 系统总体框架

1.3 应用功能

1.3.1 后台首页多种功能

主要是将所定位的区域现实在内部主页面上，并将所定位的位置进行实时标记，确定出定位的人员信息，而基站显示基站名称，主页应具有网页截图、区域设计功能等，按照所定位的标签进行搜索，并且确定出定位的距离，在主页面上可以绘制出精装图形。

1.3.2 系统信息管理

定位系统管理模块包括：用户管理、信息定位、工作信息管理等。其中，用户管理模块主要是为了精准的添加用户的相关信息。在矿山工程建设部门当中，其管理模块的行政结构，可以显示其内部信息与下属管理体制，同时还有添加相关部门的管理信息。

1.3.3 地图在线编辑

在地图在线面积模块中，将工程施工信息及该地形图进行扫描编制。矿山施工项目管理模块主要负责施工建设的信息数据管理，在此模块当中，可以根据开采区域的信息进行某些规则的添加。更改或删除矿山施工设计方案，在卡信息管理模块中，添加新卡信息时，同时需要能够正确导入卡。

1.3.4 基站信息可维护

基站控制模块负责管理基站信息，包括绑定和与人员断开连接，添加基站信息时的校验以及根据某些规则添加，更改和删除基站信息。

1.3.5 特色化电子围栏

电子围栏模块需要两个子模块，包括区域设置和规则管理，规则管理模块负责提供有关区域规则的特定信息，而主要业务逻辑仍在区域设置模块中。在区域设置模块中，需要显示有关当前采矿项目特定区域的地质结构的信息，并将人员、标签、采矿公司、部门和其他模块的数据结合起来，以实现具有电子围栏警报的功能。

1.3.6 自动化电子点名

电子点名模块的基本页面设置类似于电子围栏模块，但是从业务需求的角度来看，电子点名模块需要通过绘制点名区域来自动对标签上所有人员进行点名。

1.3.7 智能化考勤

智能考勤模块包括考勤区、考勤记录和班次设置等子模块。出勤区模块负责管理和建立相应的出勤区图，考勤模块将所有考勤人员的考勤数据记录在表格中。班次设置模块主要用于考勤服务，并提供相应的班次信息以实现考勤模块。

2 结语

本文针对基于UWB的矿山工程测距与定位系统的研究，列出了七项UWB定位系统可以实现的功能，并对系统的设计做了整体描述。UWB定位技术的应用领域广阔，UWB将不断被应用到实际施工当中。