趙林 ，孫增榮，王紀(jì)強(qiáng)，劉統(tǒng)玉

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250104；2.山東盛隆安全技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032)

我國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó)，全國(guó)礦井開采數(shù)量達(dá)10萬(wàn)余座。由于礦產(chǎn)開采業(yè)的特殊性，礦產(chǎn)開發(fā)成為一個(gè)高危行業(yè)[1]。因此，為保障礦產(chǎn)開采人員安全，除了采取正常的安全保障措施外，引入有效的人員定位系統(tǒng)，能在災(zāi)難發(fā)生時(shí)為營(yíng)救被困人員提供更加有效的位置信息。目前的人員定位系統(tǒng)一般采用射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)、WiFi、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下定位，由于測(cè)量距離短、穩(wěn)定性差、易受環(huán)境干擾、定位精度低等原因，無(wú)法滿足礦井的高精度定位要求[2-6]。而隨著應(yīng)急救援認(rèn)識(shí)的不斷提升和超寬帶(ultra wide band，UWB)脈沖技術(shù)的普及應(yīng)用，井下作業(yè)人員精準(zhǔn)定位逐漸變成了現(xiàn)實(shí)[7]。夏萍萍[8]采用NLOS誤差抑制方法，實(shí)現(xiàn)了40 m測(cè)距范圍內(nèi)的平均定位誤差為0.9 m；劉世森[9]采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)有效解決了無(wú)線信號(hào)碰撞問題，在保證定位成功率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了定位精度0.3 m，但未對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的定位情況做進(jìn)一步闡述。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，如何進(jìn)一步提高定位精度(特別針對(duì)移動(dòng)目標(biāo))并更好地與礦井地理信息相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)跟蹤管理，是目前人員定位系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

針對(duì)當(dāng)前礦井人員定位系統(tǒng)存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種基于超寬帶技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)，將UWB技術(shù)與礦井CAD圖紙進(jìn)行有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)在CAD二維平面內(nèi)對(duì)井下作業(yè)人員位置的精準(zhǔn)定位及井上井下實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、同步跟蹤監(jiān)測(cè)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可為礦井工作人員的應(yīng)急救援提供有效的技術(shù)支撐。

1 超寬帶技術(shù)

超寬帶技術(shù)(ultra wide band,UWB)是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)[10]。由于UWB技術(shù)傳輸速率高，能夠抵抗多徑環(huán)境，并可與現(xiàn)有其他無(wú)線通信系統(tǒng)共享頻譜，具有功耗低、穿透力強(qiáng)、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能提供精準(zhǔn)的定位精度，所以其在軍事、能源、航空航天及商業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。UWB測(cè)距方式有很多種，由于SDS-TWR算法可以很好地消除設(shè)置時(shí)延導(dǎo)致的誤差[11-12]，成為目前普遍采用的測(cè)距方法之一。SDS-TWR算法基本原理如圖1所示。

圖1 SDS-TWR基本原理Fig.1 Basic principle of SDS-TWR

t為定位基站和定位標(biāo)簽之間的信號(hào)傳播時(shí)間，treplyA為定位標(biāo)簽接收到定位基站信號(hào)后的等待時(shí)間，treplyB為定位基站接收到定位標(biāo)簽信號(hào)后等待時(shí)間。

(1)

則兩節(jié)點(diǎn)之間的距離為：

(2)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基站裝置內(nèi)安裝有UWB主控模塊，標(biāo)識(shí)卡佩戴在井下人員身上，當(dāng)人員處于信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，標(biāo)識(shí)卡發(fā)送信號(hào)，UWB主控模塊實(shí)時(shí)接收標(biāo)識(shí)卡UWB信號(hào)，并把其接收到的員工數(shù)據(jù)傳送至中心站主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過計(jì)算機(jī)模型，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別、分析、處理，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員井下位置與井上地面計(jì)算機(jī)CAD圖紙同步變化，達(dá)到精準(zhǔn)定位。詳見圖2。

定位基站內(nèi)安裝有一個(gè)無(wú)線AP主板和一個(gè)百兆兩光三電網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線信號(hào)的全覆蓋，作業(yè)人員攜帶智能手機(jī)，通過PC端、APP軟件在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)井上、井下音頻視頻聯(lián)系，地面值班人員可單呼或群呼井下作業(yè)人員，作業(yè)人員可互相單呼。發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情方便指揮井下人員撤離和井下救援。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig. 2 Diagram of the system design

3 定位基站裝置設(shè)計(jì)

基站主要由UWB定位模塊、AP主板、光交換機(jī)和微控制板組成。其裝配圖及樣機(jī)見圖3～4，具體組件如下：

(1)UWB模塊是一種基于脈沖通信技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)的模塊，這種模塊配合定位標(biāo)簽，獲取人員坐標(biāo)位置，通過光纜把人員信息發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過計(jì)算機(jī)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員坐標(biāo)跟蹤精確定位。

(2)AP主板是基于WiFi的移動(dòng)通信技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)，具備無(wú)線通訊和視頻傳輸功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)絡(luò)、緊急撤離群呼等。

(3)光交換機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，通過光路把信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)微控制板通過ModBus通信協(xié)議與工控機(jī)進(jìn)行通信，通過對(duì)基站遠(yuǎn)程斷電重啟、基站狀態(tài)指示燈顯示、WiFi遠(yuǎn)程重啟和重置，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站的遠(yuǎn)程控制。

圖3 定位基站裝配圖Fig. 3 Structure of the positioning base station

圖4 定位基站樣機(jī)Fig. 4 Prototype of the positioning base station

4 微控制板設(shè)計(jì)

控制板包括繼電器輸出接口、網(wǎng)絡(luò)模塊接口、光電隔離輸入接口、模擬量接口4大部分。其原理及實(shí)物圖見圖5～6，具體組件如下：

(1)繼電器輸出模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源開關(guān)控制功能?？刂瓢錗CU檢測(cè)到系統(tǒng)故障時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)繼電器關(guān)閉系統(tǒng)電源，起到保護(hù)作用；故障解除時(shí)，打開電源，系統(tǒng)上電重啟。

(2)網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)控制板與遠(yuǎn)程主機(jī)間數(shù)據(jù)通信，通過ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制。

(3)光電隔離輸入信號(hào)包括光交換機(jī)進(jìn)口檢測(cè)信號(hào)、光交換機(jī)出口檢測(cè)信號(hào)、UWB定位錨點(diǎn)模塊工作狀態(tài)信號(hào)、無(wú)線AP主板工作狀態(tài)信號(hào)以及系統(tǒng)供電電源信號(hào)。系統(tǒng)供電電源分為市電和電池；UWB定位錨點(diǎn)模塊工作狀態(tài)分為休眠和運(yùn)行，交換機(jī)進(jìn)口出口檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)、無(wú)線AP主板工作狀態(tài)分為故障和正常。

(4)模擬量輸入信號(hào)為電源電壓檢測(cè)信號(hào)。

圖5 微控制板原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the microcontrol board

圖6 微控制板Fig.6 Microcontrol board

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

系統(tǒng)以萊蕪礦業(yè)有限公司馬莊鐵礦-180 m中段為試驗(yàn)段，對(duì)系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能(如坐標(biāo)定位同步性、準(zhǔn)確性)及數(shù)據(jù)完整性(如呼救信號(hào)數(shù)據(jù)上傳時(shí)間、是否丟包、系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，系統(tǒng)定位軟件界面如圖7所示，測(cè)試結(jié)果如表1～2所示。

圖7 人員定位系統(tǒng)軟件界面Fig. 7 Software interface of the personnel positioning system

表1 人員定位現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

表2 系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在200 m范圍內(nèi)，系統(tǒng)平均靜態(tài)定位誤差小于30 cm；對(duì)移動(dòng)目標(biāo)，當(dāng)人員移動(dòng)速度100步/min時(shí)，平均定位誤差小于1.0 m；車輛運(yùn)行平均速度為25 km/h時(shí)，平均定位誤差小于1.65 m。同時(shí)系統(tǒng)在設(shè)定休眠時(shí)間為2 s的工況下，在14 s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)并發(fā)量達(dá)到102個(gè)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套礦用無(wú)線通信人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，主要研究結(jié)果如下：

(1)將礦山企業(yè)提供的dwg格式圖紙，嵌入到定位系統(tǒng)軟件中，進(jìn)而在CAD圖紙二維平面上實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、同步顯示人員(X，Y)坐標(biāo)位置，繪制人員歷史軌跡等信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下作業(yè)人員的精準(zhǔn)定位。

(2)安裝PLC微控制板，可以通過系統(tǒng)查看某一基站工作是否正常及故障基站的狀態(tài)指示信息，實(shí)現(xiàn)了基站遠(yuǎn)程斷電重啟。

(3)礦用無(wú)線通信人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了井下作業(yè)人員實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、同步的精準(zhǔn)定位，而且利用一套基站，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了人員定位、無(wú)線通信、視頻監(jiān)控三合一，可為應(yīng)急救援提供準(zhǔn)確的人員位置信息，節(jié)省救援時(shí)間，將人員傷害降到最低，該技術(shù)在礦山安全領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景及推廣價(jià)值。