煤矿UWB精确定位系统

煤矿UWB精确定位系统

系统简介：

1、概况

数字矿山建设已经向精细化管理，人员定位是矿上六大系统之一，需要要与时俱进，实现人员精确定位后，可具备人员、车辆的精确定位和为其它系统提供人员和车辆的精确位置信息，这样发生紧急事故事故时候，可迅速、准确的对井下人员进行定位，缩短救援时间，提高人员生还率。另外，建设人员精确定位系统，也有利于后期矿山物联网的人员感知、车辆感知、车辆管理、无人化工作面、矿山机电设备管理等系统。vx:gaochao927

2、系统架构

煤矿UWB精确定位系统由机房设备、井口设备、井下设备组成

机房设备：数据服务器（双机热备）、web服务器、客户端电脑、机架交换机、声光报警器、打印机组成。

井口设备：包含精度LED显示屏、LCD显示屏、井口一个性检卡装置等。

井下设备：井口读卡分站、井下传输网络、井下传输分站、井下读卡分站、识别卡组成。

3、系统方案设计

技术路线选型

井下常用的井下定位技术有有源射频识别RFID技术、Zigbee技术和基于飞行时间的TOF的精确定位技术，各种技术各有优缺。

有源射频识别技术

有源射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。上世纪90年服务始服务于矿山定位行业。广泛应用于人员、车辆等位置定位。其技术特点：覆盖距离30米-300米不等。功耗低，成本低，技术较成熟，广泛应用于井下的人员定位。

有源的RFID技术因其覆盖距离在30米-300米左右，且区域间不能有交叉，不能信号间连续覆盖。想要做到比较好的区间定位效果，必须站与站之间留有空白区域。其基于覆盖区域的定位无法完成精确测速，只能利用两个基站之间或多个基站基站完成区域测速。基本覆盖模型如下图：

有源射频技术，因其定位主要对象为有源的电子标签，基站和定位卡能够交互的数据很小，除定位外，几乎无法传输其他信息，延展性较差。

基于Zigbee的场强定位技术

ZigBee是一种基于测算信号强度的定位技术,可工作在2.14GHz(流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,它的传输距离在10-75m的范围内。上世纪70年代初步提出，2006年开始逐步完善，广泛应用于物联网行业，近年来被少量应用于矿山的人员定位。

技术特点：可以实现较精确的定位，根据芯片不同实现地面10-30米的定位精度，受环境影响较大，靠信号的重叠覆盖提高精度；功耗相对较低，低成本。

ZigBee的定位原理主要为测量电磁波的场强强度来计算出定位卡距离基站的具体位置。但是在井下覆盖复杂的巷道条件下，定位效果较差。如下图：

基站的左端和右端因其巷道遮挡不一样，信号强度差距较大，因而测量出来的距离也较大。

基于TOF的精确定位技术

TOF上世纪90年代初步理论形成，本世纪初开始逐步投入使用，定位精度也逐步提高，目前大精度可达0.2米。

技术特点：定位精度高，0.2米-10米（采用Zigbee芯片技术或UWB芯片技术实现定位精度不同），功耗相对稍高，成本较高，有效通信距离200米以上。

TOF是利用电磁波的飞行时间来计算发射源距离接收站的距离。

计算距离则为电磁波飞行时间乘以光速，因电磁波的飞行时间不受物体遮挡而变化，因此能够适用于井下的复杂环境。其定位精度取决于芯片的时间精度。

4、系统特色

按需精确定位

系统可实现定位和局部精确定位兼容并存。即在现有区域定位系统下，不改变系统架构的基础上，实现按需定位和局部精确定位。

低功耗设计

精确定位识别卡采用电池供电，通过识别卡的低功耗设计，可以实现正常使用6个月以上。

井口一个性识别

井口人脸一个性识别装置，人脸识别和闸机深度融合，出现卡与人脸识别不*、携带多张卡时候，发出告警信号，并拒绝通过。

覆盖距离远

精确定位模式下，两台读卡站之间距离200~300米（视巷道情况调整）。

自助查询机

刷卡式自主读卡查询机，下井人员可自行查询人员信息、下井次数统计、卡电量等情况；

通过*信号调节技术，可实现人员定位卡近距离读卡，可有效避免井口人员数量众多时候的，无法有效读卡；

5、系统主要功能

实时监控功能

实时监控

实时跟踪

轨迹回放

信息存储和历史轨迹回放：系统具有数据存储和人员活动轨迹回放功能，以便为事故分析提供依据。

人员轨迹回放

进入该区域的人员和出、入时间，并可以在此区域安装本安型显示屏做警告提醒。

进入特殊区域人员查询

查询考勤功能

能够准确统计矿工入井、升井时间，并可按班次、按部门生成日考勤、月考勤统计报表。

全矿人员信息查询

下井人员查询

当日下井人员名单

员工下井时长统计表

员工下井时长统计表

员工日考勤表

考勤分段统计表

考勤分段统计表

人员定位查询

人员定位查询

历史人员轨迹查询

人员定位查询

人员轨迹查询

历史下井记录查询

在历史下井记录查询界面，可查询一段时期内下井的员工记录。

历史下井记录查询

历史下井人员区域分布表

进入历史下井人员区域分布表，可查看具体日期各区域人员分布数量，以及各部门入井人数，

历史下井记录分布表

下井次数统计表

在下井次数统计表，可查看时间段内人员下井次数，如图所示：

下井次数统计表

每日下井人数统计表

在每日下井人数统计表界面，可查看具体日期各部门下井人数，如图所示：

每日下井人数统计表

已上井人员时间段统计表

已上井人数统计表

部门考勤情况汇总表

安全管理功能

干部跟班下井管理

生命安全监测预警

生命安全监测是监控井下人员的动静状态，如果超过设定的时间人员未动，将会产生生命安全监测预警。

生命安全告警

区域超员告警

对某个区域的人员数量进行限制，如果超员则告警。

区域超员告警设置

区域超员告警

矿工进入禁入区告警

当矿工进入区域时，系统会告警，提示管理人员采取相应措施。

工作超时、欠时告警

当矿工在井下停留超出规定时间，或未达到规定时间时，系统将告警并记录。

工作超时告警

作业欠时告警

行进轨迹异常告警

防爬车管理

爬车告警

预警双向呼救功能

预警双向呼救是指井下出现紧急情况时，井下带卡人员可以通过识别卡的呼救按钮，将紧急情况告知地面系统，地面系统接到紧急呼救后，采取应急援救方案，同时地面也可以在出现紧急情况时，向井下带卡人员发出紧急寻呼，可以是单个也可以是所有人员进行寻呼，指导井下人员采取应急措施。

紧急寻呼记录查询示意图

固定岗位脱岗管理

固定岗位脱岗管理用于某些特殊人员，这些人员工作岗位固定，一般都有固定的工作场所和工作时间段，例如安监员，药物库房的火品发放工，绞车司机，皮带司机和井底的信号工等等。这些人一般要求不能离岗，如在规定的时间内离开自己的岗位，系统将判断已脱岗。

固定人员脱岗告警

系统设备管理

识别卡电量告警

当识别卡电量过低时，系统将提前告警，通知相关技术人员及时更换电池，避免识别卡没电时，持卡者不知道，虽然下井了，却被系统判断为旷工。

卡电量不足告警

LED告警

可以通过LED屏对井下特定区域或者特定显示屏发布相关信息，并可以对LED屏是否在线发布告警信号。

LED屏告警

分站不在线告警

当读卡分站供电电压不足、读卡分站信号线连接故障时系统均会出现分站不在线告警，及时发现问题并解决。待问题处理后告警会自动结束并在历史告警中保存告警信息。

分站告警示意图

电源监测

检测给分站供电的电源外接交流电是否中断，直流电输出是否正常和后备电量是否充足等信息。当分站交流电出现中断或者异常时，系统告警区域会出现设备交流电中断告警，提醒维护人员采用对应处理方案。

电源不在线报警

声光报警功能

通过声光报警器和软件的设置可实现矿井超员告警、设备通讯故障、区域超员告警、分站不在线、进入区域告警、超时告警、紧急寻呼告警的声光报警功能，在系统安全与设备出现告警时，可以及时通过声、光的方式提醒调度管理员工的快速响应。

系统管理功能

系统的管理软件能够实现分配多个不同权限的用户，方便各个用户在网络终端上同时运行软件，查询井下实时情况，并可对软件进行分级别的修改；井下实时数据也可以上传到WEB服务器上，用户可以通过互联网，以网页的形式实时查看井下人员分布情况。

GIS地理信息系统平台

GIS地图缩放功能，能实现井下巷道图的缩放、显示及井下出现紧急情况后生成逃生路线，并能对GIS地图进行导入、导出和还原地图功能。

GIS信息平台

双机热备

系统主机具有双机切换功能。工作主机工作时，备用主机接收并存储监控信息，但对系统不具控制功能；备用主机实时监测工作主机工作状态，当监测到工作主机异常时，自动转入工作状态，并使原工作主机转入备用状态。

双机热备示意图

井口一个性性检测功能

一个性检卡

通过人脸图像识别技术和近距离读卡技术，实现井口的一个性检卡。

显示功能

可直接在井口显示下井人员的基本信息和是否通过检验的提示。

一个性检测通过提示

告警功能

当出现多带卡、替代卡等情况时候，系统自动发出告警信息。