基于UWB的矿井精准定位系统研究

何东林 武枝 刘俊科 梁琴琴 赵丽娜

山东正元冶达科技发展有限公司 山东 济南 250000

1 研究背景

1.1 井下精准定位系统是安全生产和高效率调度的必要保障

目前市场上绝大多数矿井人员、设备定位只能提供区域定位功能，定位精度不高，仅能单向实现井下人员考勤管理，矿山能源企业对利用相应的矿井人员跟踪定位监控设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪定位，随时掌握每个员工在井下活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况等需求迫切。主要表现在如下三个方面。安全问题：矿井下人员众多，流动性大，作业难度大，人员技术水平参差不齐，截割时煤尘大，视线不好，保证矿井安全生产成为重中之重。调度问题：矿井下作业环境恶劣，工作面不断变动，如何加强调度，提高作业效率问题凸显。救援问题：随着技术的发展，加强应急救援工作效率的提升，做到灾后科学救援提出了新的要求。综上，针对复杂多变矿井环境，采用高精度的定位系统是保障人员安全、高效率人员和设备调度、快速科学救援的必备设施。

1.2 超宽带无线通信技术的发展使井下精准定位系统的实现成为可能

针对井下的特殊环境，传统意义的室内定位在井下往往都不适用，具体体现在三个方面：第一，井下无GPS信号；第二，狭长封闭的巷道对各类信号的传输都是一个非常复杂的传输模型，多径效应对定位结果产生的干扰不容忽视；第三，井下特殊的环境（如潮湿、多尘、地磁场变化等）造成了很多种定位方法都不适用。因此找到一种适合于井下的高精度实时无线定位系统是我们必须解决的问题。

超宽带（Ultra Wideband，UWB）作为一种新型无线通信技术，由于具有低功耗、对信道衰落不敏感、抗干扰能力以及穿透能力强的优势，不会对同一环境下的其他设备产生干扰，定位准确度较高而应用到各个行业。研究基于UWB技术的精准定位矿井人员、设备定位基站，考虑到抗干扰能力强，性能稳定可靠，架设简单，维护方便，满足了矿企对定位的各种需求，为矿井下安全管理提供了保障，大大提高了工作效率，提升灾后的科学救援，让矿井下精准定位系统的实现成为可能[1]。

2 整体架构

矿井精确无线定位系统使用先进的脉冲精确测量飞行时间技术，实现了底层的精确测距/计时；结合位置解算算法，实现了上层的精确定位。

系统由感知层、传输层、服务层组成。感知层由定位微基站、定位微标签组成，主要负责对矿井场景现场定位数据进行采集，负责位置感知，行为感知和执行相应的控制。传输层通过POE交换机、光纤收发器、网线等网络设备完成数据的传输，负责矿井下的数据收集和数据回传。服务层由运行在定位解算服务器上的UWB定位系统应用软件、UWB定位引擎软件组成，负责系统管理、定位引擎解算、面向用户的需求可视化易操作应用功能[2]。

3 系统设计

3.1 定位微基站

定位微基站主要功能包括UWB精确定位功能，实现定位误差优于30cm的高精度定位；配有备用电池，保证在网电停电时，系统还能正常工作8小时以上；智能远程管理功能，可进行远程电池充放电维护及显示电源状态；存储功能，断网后可以存储1000条信息；断点续传功能，保证数据传输的完整性；双机热备功能，硬件设计为全隔离的两块板卡，将主机的数据同步到备机上并利用先进的心跳检测技术，实时监测双机的运行状态，保证了故障识别和任务切换的实时性，从而保证系统持续运行和数据的完整性与连续性；开关量输入输出功能，可就近连接皮带跑偏，风机控制，实现主控室的监视和控制；防反接功能，定位微基站接口全部隔离，并采用芯数差异接口，防止接反。

3.2 UWB定位系统软件

UWB定位系统应用软件主要包括基础功能服务、扩展功能两大部分。

（1）基础功能：地图服务，实时监测定位微基站工作状态并在地图对应位置显示，配置系统各项功能参数，灵活使用；

组织架构自定义部门层级轻松管理，设置用户权限，数据查看、操作权限分别管理、数据分级授权管理、分级用户账户管理；

（2）扩展功能：电子围栏，对接权限，允许/拒绝/进入/离开四种条件组成灵活围栏规则；

智能考勤，自定义绘制考勤区域、设定部门考勤班次，自动判断迟到、早退自动生成考勤报表，记录上下班时间和在岗时间，对人员运动轨迹，按照人员，时间段，区域，倍数灵活回放历史轨迹；

智能巡检，自定义规划巡检点和巡检路线；

多机分布部署后台采用多进程异步IO计算框架，支持多机分布部署，支持横向无线扩展；

智能多跳同步网络，同步网络采用mesh自助网技术，可以无线进行拓展，在需要基站高密度且大量布置的场合，拥有很好的扩展性和鲁棒性，扩展性SDK提供完善前后端功能接口，并集成提供各模块的集成与对接。

3.3 UWB定位系统引擎软件

通过网络链路实时与矿井下定位微基站进行通信数据交互，并将定位微基站状态数据、设置数据、位置解算数据存储数据库。

UWB定位系统引擎软件和UWB定位系统应用软件通过数据库衔接，可将矿井下定位微基站状态等信息直观地展现给用户，也可将应用软件用户操作功能直接下发至矿井下定位微基站，实现对定位微基站的实时控制。系统引擎软件设置为开机自启动，配置后用户无须做复杂的配置工作，在矿井下定位微基站出于空闲工作状态时，会与系统引擎软件保持间断性状态传输，以保证定位微基站通信链路无故障。

4 结束语

本文针对基于UWB的精准定位系统进行研究，列出了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产品中。