兖矿能源杨传久高工：煤矿井下UWB精确定位的研究与应用
2024-01-17
来源：IntelMining智能矿业
煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。加快煤矿智能化建设，对于推进煤炭生产方式变革、提高煤炭生产效率、实现煤炭高质量发展均具有重要意义。近年来，国家高度重视煤矿智能化建设，安全建设更是重中之重。自2020年开始，煤矿井下人员精确定位系统（简称UWB）已得到广泛应用，相关技术也已发展成熟，对于煤矿井下人、车、设备、物资之间的相互协同配合和统一管理发挥了较大的作用。在明确井下人员及设备精确位置的情况下，井上的调度中心能够更加高效、快捷地对井下人员及设备进行调度，紧急情况发生时能够及时发出通知，并快速定位后展开救援工作。
文章来源：《智能矿山》2023年第12期“智能监控”专栏
作者简介：杨传久，高级工程师，现任兖矿能源集团股份有限公司设备管理中心通用设备科科长
作者单位：兖矿能源集团股份有限公司
引用格式：杨传久,谭业勇,徐鹏飞.煤矿井下UWB精确定位的研究与应用 [J].智能矿山，2023，4 (12)：86-91.
2020年10月国家矿山安全监察局办公室发布的《煤矿井下人员定位系统通用技术条件（征求意见稿）》明确指出：煤矿井下人员精确定位系统的静态误差应不大于0.3 m。为明确人员精确位置，保障灾后救援，提高调度及管理效率，全国大部分煤矿建设了基于UWB定位技术的人员精确定位系统。UWB技术具有较高的时间分辨力、抗多径效应等特点，适合用于高精度定位或测距。常见的定位方法有信号飞行时间（TOF）、信号到达时间差（TDOA）等。TOF 定位需要自标签发出脉冲到基站接收后再返回标签，标签根据轮询信息进行解算，将测距信息上发送给基站和上位机进行定位解算，该定位方式较为适合煤矿井下的各种使用场景。定位原理第1步为标签在t1时刻发送脉冲，基站在t2时刻接收到脉冲；第2步为基站在t3时刻发送脉冲，标签在t4时刻接收到脉冲；第3步为标签将所有接收信息回传基站，基站解算距离。TDOA定位是传播时间差测量，需要2个基站的时间计量单位对齐（时钟同步），测量标签发射的脉冲到达2个基站时间差，从而可换算标签到2个基站的距离差。如果是二维定位就需要计算到多个基站的距离差，该定位方式适用于井下危险场所内或者井上的室内定位，TDOA定位原理如图1所示。
图1 TDOA 定位原理
UWB定位技术以其精确定位的特性不仅能用于人员精确定位系统，同样能用于其他系统的应用。但是基于煤矿井下巷道的应用场景，TOF定位居多。笔者将主要介绍UWB技术在智能化系统的应用场景。UWB精确定位技术可应用于煤矿井下人员精确定位系统。由于UWB具有对信道衰落不敏感、多径分辨能力强、发射信号功率谱密度低、截获率低、能提供厘米级定位精度等优点，尤其是能够实现厘米级定位精度的优势，使其成为煤矿井下定位技术的佼佼者。依赖于UWB精确定位，可实现对入井人员从入井到出井的全过程监管。井口唯一性检测设备中集成UWB近距离读卡及人脸识别技术可实现人卡唯一性的检测，入井人员只能携带本人的标识卡入井，若检测异常或者定位卡电量过低时，将发出语音及声光报警，保持闸机关闭，人员无法入井，加强了对入井人员的封闭式、自动化管理。井口大厅中的UWB读卡分站可实时监测等待入井人员的标识卡，并在井口大屏显示具体的人员信息，方便监管人员查看井口人员数量。人员入井后，井下UWB定位的覆盖网可对人员进行实时精确的追踪定位，井上人员可通过上位机查看井下每个工作人员的实时位置。调度管理人员可通过定位终端设备与井下人员进行指令通信，且可在地面可及时接收井下人员的求救信息，保证紧急事件的及时传达。当需要确定过去某个时间某个人员所在位置时，精确定位系统也能够按照当时记录的精确位置进行轨迹重播。依赖于UWB的精确定位，可实时对井下人员进行定位跟踪，对特种作业人员的作业位置、作业时间进行严格管理。对巡检人员或者其他需要严格控制的人员可根据预先规定的路线进行监测，完善煤矿人员作业的规范化、自动化管理。当井下有紧急事件发生时，安全监测系统也可直接联动人员定位系统对某个区域或者整个矿井的人员进行撤离，进行有针对性且精确的联动井下人员。实现了应急事件的针对、精确、及时应对，提高了矿井的高效化的管理。煤矿井下人员精确定位系统如图2所示。依赖于UWB精确定位技术的人员精确定位系统包含井下作业人员管理、区域管理、领导带班管理、工作面管理、地图管理、风险预警管理、巡检管理、考勤管理、轨迹管理、多系统联动等功能，实现了对井下各作业环节的超前预控、过程受控、全程监控，通过统一调度，优化作业时空工序，达到为矿山提供安全可靠生产环境的同时，加强对井下人员和生产的管理，精确实现灾害预防、事故救助，提升了矿井集约化生产管理水平。智能辅助运输系统是矿井智能化建设中必不可少的组成部分。随着矿井管理的规范化，运行的流程化，对井下车辆的精准管控成为煤矿调度管理者的迫切需求。UWB精确定位可对井下车辆进行精确定位，合理安排运行路线，为精准地调度车辆提供保障。智能辅助运输系统如图3所示。无轨胶轮车、单轨吊、电机车等车辆上装备有车辆标识卡，依赖于UWB精确定位，能够对井下的车辆进行实时定位。人车的车厢中装有人车跟随设备，设备原理是UWB的近距离精确定位，确保在车上的人员能够和车辆保持系统地图中的一致性。井上管理人员可以从系统地图上看到井下所有车辆的精确位置及实时动向，也可以观察人车中的人员数量，从而进行合理的人车调派。当有调度人员下发人员、物料的接送任务时，司机可根据人员、物料的精确位置前往，保证了车辆调度的高效运转。由于井下视线较差，虽然车辆在井下的行进速度较为缓慢，但是车辆在井下行驶过程中依旧需要红绿灯的提醒和指挥。依靠UWB精确定位，在各种路口处可实时地监测到哪个方向有车辆驶来，并及时变化红绿灯标识提醒司机，防止因为环境因素、司机个人因素导致行车安全问题。通过对井下车辆的精确定位，调度平台能更加快捷、高效地调度井下车辆，提高井下车辆调度的工作效率；有助于井下信号灯、会车提醒、路口提醒、车辆终端的GIS路线规划及显示，加强矿井的行车规范，推进矿井智能化的发展建设。由于采掘工作面的生产环境和工作条件相对恶劣，难免存在安全隐患或发生安全事故，因此需要不断完善保护装置的精准防控，提高自动化控制水平，为井下作业人员提供安全的生产工作环境。依赖于UWB精确定位的实时监控，当人员进入控制范围或者靠近危险源时，人员接近保护装置会及时地发出语音报警提示或联动控制转载机、带式输送机、采煤机、掘进机等设备的强制闭锁停机。在固定设备或者移动范围较小的设备上搭建UWB全向定位设备，对附近的人员进行实时监测，在较大程度上保证了采掘工作面人员的安全作业，促进了矿井智能化建设，保障了采掘工作面人员的工作安全。接近保护现场应用如图4所示。
图4 接近保护现场应用
应急救援设备及物资管理
目前，很多煤矿企业尚未建立完善的设备资产管理系统，导致固定资产管理混乱，资产管理部门之间信息沟通不畅，轻便的设备经常被移来移去，寻找起来费时费力，一旦找不到就会重复采购，造成资产浪费。统一管理的设备自管理部门领用后，经过运输到达矿上，在这段时间可以使用北斗卫星定位方式实时监测设备的位置。在设备到达井上后，进入仓库。仓库中具有精确定位基站，可以实时监测设备的进出库情况。设备出库到达井下后，井下的精确定位覆盖网也可以实时监测设备在井下的位置。设备的整个领用、运输、使用及归还过程使用北斗+UWB的全方位实时定位监测，能够保证设备及物资管理更加便捷。以UWB精确定位为基础，通过对设备实现精准定位，实时获取设备的详细位置、使用数据及利用率，提升了核心资产的使用效率。随着煤矿信息化技术的不断发展，越来越多的智能化设备得以应用定位技术，但相关的储存和使用却无法得到有效监控。基于UWB精确定位技术能够让煤矿的设备物资管理更加便捷，应急救援设备及物资管理系统如图5所示。逃生路线规划
煤矿安全建设是煤矿生产的基石。煤矿智能化发展及智慧矿山建设是煤矿的发展趋势，但在此之前，设备是无法全部替代人工的工作，那么，保证井下人员安全就是重要的事情。监测监控、安全预警、排水和通风等系统都可以进行事故的预防和规避。但在极端情况下危险情况甚至是事故的发生是不可避免的，人员的紧急撤离和疏散就显得尤为重要。依赖于UWB精确定位技术，在矿井发生应急事件时，煤矿所有井下人员都会接收到井上调度发送的紧急撤离信息。同时，为防止人员在面对危险时发生不知所措的情况，相关的信息提示可能成为救命稻草。在煤壁上每隔较短的距离安装1个方向指示灯带，在路口处设置相关的显示屏幕，可以引导人员行进，前往紧急避难所、集中撤离点或由应急通道进行撤离。逃生路线规划配合人员定位系统和安全监测系统给予井下工人很大程度上的安全保障。基于UWB精确定位井下人员的行为监测、应急事件联动处置将变得更为高效。
井下智能限员
煤矿井下的变电所、水泵房、水仓等重要区域都有门锁，必须有人员值守，且都是井下的重要场所，不能随意进出。为了控制重点场所的人员数量和人员权限，智能门禁系统应运而生。智能门禁系统依靠限员控制器中的UWB定位模块进行实时监测，当人员靠近门口附近时，上位机判定人员权限来控制智能门禁的开关。当具备进入权限时，上位机自动进行开门控制。如果不具备开门权限，系统会进行报警，井上管理人员可从系统中弹出的摄像头界面，查看井下现场的情况并进行远程开关门，井下智能限员示意如图6所示。
图6 井下智能限员示意
智能门禁是井下智能限员的一部分，使用UWB精确定位可准确地判断人员位置及信息，结合煤矿的管理需求，严格控制井下重点场所和区域的人员数量。与传统的限员管理系统相比可实现人员进出的自动检测，提高了工作效率及准确度，使用煤矿现有的人员精确定位标识卡，在确定区域/场所内人员数量的同时实现工作人员身份信息的确定，当人数超限时，可在井上、井下实现声光报警，提示人员禁止入内，实现重点场所/区域的限员无需专人值守。随着UWB技术的不断发展，智能制造、化工、电力能源、公检司法、疗养院等室内及室外区域内的定位也开始应用UWB精确定位。UWB凭借小于 30cm级别的定位精度优势，逐渐在定位和指向等应用场景发挥潜力。UWB技术有望在无缝访问控制、基于位置的服务及设备到设备服务三大方向成为关键技术，可应用于智能家居、智慧城市、智慧零售、智慧建筑、智能工业等领域，笔者仅描述了UWB精确定位在煤矿行业的部分应用。人员精确定位系统不仅能协助调度指挥中心了解井下人员的实时位置，根据井口唯一性检测设备还可融合工人下井的考勤，作为考勤系统的数据来源；与安全监测系统进行融合，当井下气体含量超标时，一氧化碳、甲烷等气体传感器可上传数据至安全监测系统，并通过井下广播进行报警提醒，同时联动人员定位的井下基站，对附近的人员下发撤离指令，定位终端进行声光报警提醒，信息化矿灯还能接收具体信息。此外，能为更多的智能化系统提供精准的定位数据，例如：（1）为智能辅助运输系统提供车辆的精准定位数据，方便井上管理人员观察井下车辆的具体位置分布，还可协助系统进行车辆超速的判定。（2）为接近保护设备提供辅助，在基站运行时，配合接近保护设备进行人员距离的判定，当基站离线，接近保护设备也可进行单机运行，其原理也是UWB精确定位，对定位终端进行360°全方位监测，实时对靠近人员进行识别。（3）为应急救援设备及物资管理提供设备和物资的精确定位，井上仓库可以实时监测设备的出入库信息，井下可以全方位检测设备物资的当前位置、移动状态及使用情况等。（4）为逃生路线规划提供人员的精确定位数据，能够以最快的速度对井下人员进行位置识别，为人员规划出最合适的逃生线路，方便人员的紧急撤离。（5）为井下智能限员提供人员和车辆的当前定位，可以在识别区或者识别距离内识别到人员信息和人员数量，对重点区域的进出实现自动化管理。在技术日新月异的今天，随着科技的不断发展，国家对智能化矿井的要求不断提高。各智能化矿井在满足国家智能化建设要求的前提下，也在进一步使用先进的技术进行煤矿智能化的尝试。在矿井智能化建设不断革新的过程中，与安全相关系统的核心是保证现有指标，只求稳定。还有部分系统为辅助类系统，这些系统为创新发展提供了良好的机会。近年来，UWB精确定位技术在煤矿井下人员精确定位、监测监控、智能辅助运输、应急救援设备及物资管理、逃生路线规划、职业健康大数据平台、井下智能限员等系统和平台中得到应用，上述系统对精准定位有不同程度的依赖，体现了煤矿企业对 UWB精准定位技术的认可，未来UWB精确定位将得以更加广阔地应用
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