UWB技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用

郭愛軍

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研究院，陜西 神木 719315)

0 引言

超寬帶定位技術(shù)(UWB)相對于其他無線定位技術(shù)，具有低功耗、較高精度、覆蓋距離遠(yuǎn)，成本適中等諸多優(yōu)點，非常適合于工業(yè)環(huán)境下的定位要求。UWB技術(shù)首先在露天環(huán)境中廣泛應(yīng)用于各種人員定位場景，隨著煤礦智能化技術(shù)的不斷升級，UWB技術(shù)逐漸在井下得到應(yīng)用。成為當(dāng)前煤礦井下作業(yè)時保護(hù)人身財產(chǎn)安全的首選高精度人員定位技術(shù)。

1 概述

井下安全問題頻發(fā)，冒頂、爆炸、透水、機(jī)電設(shè)備事故、有毒氣體中毒都是煤礦常見事故，一旦發(fā)生事故，帶來的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失都無法預(yù)估。

1.1 傳統(tǒng)的煤礦井下環(huán)境與定位技術(shù)

煤礦井下環(huán)境條件：溫度-20 ℃～40 ℃；月平均最大相對濕度不大于95%(該月平均最低溫度不低于25 ℃)；海拔高度不大于2 500 m；汽車行駛道路干線為礦山等級路，道路條件差；支線和臨時道路多為碎石泥土混和、表面凹凸不平、多塵或泥濘的非等級道路。在這樣惡劣的道路條件下要降低煤礦安全事故的發(fā)生概率，需要利用高精度的人員定位技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)范化的高效巡檢預(yù)防。通過高精度的監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測設(shè)備故障、監(jiān)測危險區(qū)域、監(jiān)測危險源、監(jiān)測危險行為的人員定位，對井下突發(fā)事件及時有效的預(yù)警，同時可以全方面掌控井下人員分布情況，加強(qiáng)事后處理問題的精準(zhǔn)性和效率。追溯和分析事故原因，落實相關(guān)責(zé)任，為避免事故再度發(fā)生提供支持。

人員定位技術(shù)：傳統(tǒng)的人員定位技術(shù)采用的通信方式是連續(xù)波信號，即本地振蕩器產(chǎn)生連續(xù)的高頻載波。對于需要傳送的信息通過一定的調(diào)制方式(如調(diào)幅，調(diào)頻等方式)加載于載波之上，通過天線進(jìn)行發(fā)送?，F(xiàn)在的無線廣播，4G通信，WiFi等均采用該方式進(jìn)行無線通信。

1.2 UWB無載波通信技術(shù)

UWB是一種無載波通信技術(shù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同，它不采用載波，而是利用ns至ps級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用ns級窄脈沖發(fā)射無線信號的技術(shù)，適用于高速、近距離的無線個人通信。UWB所使用的頻率范圍為3.1～10.6 GHz 之間的7.5 GHz的帶寬頻率。

從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指信號帶寬與中心頻率之比小于1%的頻譜帶，相對帶寬在1%～5%的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%，中心頻率大于500 MHz的被稱為超寬帶。從時域上講，超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號調(diào)制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖(幾十ns)直接實現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進(jìn)行，而且以這一過程所持續(xù)的時間，決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。由于UWB發(fā)射功率受限，進(jìn)而限制了其傳輸距離，據(jù)資料表明，UWB信號的有效傳輸距離在10 m以內(nèi)，故而在民用方面，UWB普遍地定位于個人局域網(wǎng)范疇。

UWB技術(shù)在民用方面主要應(yīng)用于3方面：地質(zhì)勘探及穿透性障礙物的傳感器(imaging system)；汽車防沖撞傳感器等(vehicle radar system)；家電設(shè)備及可移動便攜設(shè)備的無線數(shù)據(jù)通信(communication and measurements system)。

2 UWB定位方法

UWB定位技術(shù)的原理是在被定位區(qū)域布設(shè)UWB定位基站，被定位對象攜帶UWB定位標(biāo)簽。通過測量定位標(biāo)簽與定位基站的距離(或偽距)關(guān)系，從而獲得定位標(biāo)簽的位置，如圖1所示。

圖1 最小定位單元示意Fig.1 Schematic diagram of minimum positioning unit

UWB目前應(yīng)用效果較好的定位方法主要有3種：TOA方式、TDOA方式和TOF方式。本系統(tǒng)采用TOF方式。

TOF測距主要通過測量無線電信號在空氣中傳播時間Δt來實現(xiàn)，時間測量精度直接影響到測距精度，為方便描述本方案的測距實現(xiàn)原理，將無線電波在空氣中的傳播速度等視為真空中的傳播，則為3×108m/s，若UWB系統(tǒng)測量的傳播時間Δt的精度為1 ns，則測距誤差為

δ=v·Δt=0.3 m

(1)

文中研發(fā)的UWB無線同步技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)最高0.3 ns的計時精度，即可實現(xiàn)的可視環(huán)境最高測距精度能達(dá)到0.1 m。

本系統(tǒng)的探測器與識別卡不具備統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，要實現(xiàn)他們之間的傳播時間Δt測量，需要以探測器的發(fā)射及接收時刻核算無線電的雙向傳播時間(即2Δt)，原理如圖2所示。

圖2 測距原理示意Fig.2 Schematic diagram of ranging principle

探測器從t1時刻(記錄)向識別卡發(fā)送UWB無線信號，識別卡收到信號在基帶部分直接向該探測器發(fā)送返回信號，探測器在t2時刻收到返回信號，則可求得無線信號在探測器和識別卡之間的傳播時間

Δt=(t2-t1)/2

(2)

求出探測器與識別卡之間的距離，在實際環(huán)境中為了傳播時間Δt的測量更穩(wěn)定，探測器在收到返回信號后可繼續(xù)向識別卡轉(zhuǎn)發(fā)該信號，并在t3時刻接收到識別卡的第2次返回信號，如圖2(a)探測器主動發(fā)起TOF測量所示，則有

Δt=(t3-t1)/4

(3)

同理可通過更多次信號測量來獲得穩(wěn)定性較高的傳播時間，在實際運用過程中會根據(jù)定位環(huán)境進(jìn)行動態(tài)選擇。

3 UWB在井下的應(yīng)用

煤礦井下施工環(huán)境惡劣，工種危險系數(shù)高，面臨錯綜復(fù)雜的工作狀況，工作人員多且交互作業(yè)，使得煤礦井下施工面臨巨大的管理難題，因此迫切需要一種高效、準(zhǔn)確的人員定位管理和安全管理系統(tǒng)。綜合各種因素，主要包括人員定位、人員考勤、跟蹤定位、災(zāi)后急救、日常管理等方面。

3.1 UWB脈沖無線定位技術(shù)

基于UWB技術(shù)的高精度無線定位系統(tǒng)，采用先進(jìn)的脈沖無線定位技術(shù)，通過在礦井下設(shè)置定位基站，為工人、大型工程設(shè)備佩戴標(biāo)簽的方式，實現(xiàn)對人員及設(shè)備的實時高精度定位，間隔150～200 m放置一個基站，精度高達(dá)15～30 cm，100%保證<0.5 m，系統(tǒng)容量大，實時性好。系統(tǒng)獨有的高定位精度在發(fā)生事故時可以進(jìn)行精確災(zāi)后急救，具有不可替代的作用。同時安裝在大型工程設(shè)備上的標(biāo)簽可以相互通訊，預(yù)防人員被撞傷。

本系統(tǒng)具體可實現(xiàn)功能：①停機(jī)區(qū)域為車輛周圍1.5 m范圍(人員定位系統(tǒng)可配置該范圍距離參數(shù))；②警告區(qū)域為車輛周圍1.5～4.5 m(人員定位系統(tǒng)可配置該范圍距離參數(shù))；③人員定位系統(tǒng)的主控器和報警器可安裝于駕駛室或者車架上，探測器數(shù)量根據(jù)車輛大小和控制需要確定，安裝于車輛周邊或凸起部分，標(biāo)識卡(礦燈)佩戴在人員身上；④人員定位系統(tǒng)需要通過485總線與車輛處理器進(jìn)行人員定位信息傳輸，定制專用數(shù)據(jù)格式。

具體實現(xiàn)指標(biāo)：①定位精度最高可滿足≤0.5 m的要求；②可視條件下，無任何遮擋可滿足無線監(jiān)測距離大≥100 m要求；③系統(tǒng)具備多種總線兼容接口，可實現(xiàn)CAN、485、232接口輸入輸出。

3.2 UWB復(fù)合技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.1 ZigBee無線系統(tǒng)初級定位

礦井下系統(tǒng)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于UWB復(fù)合技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture based on UWB composite technology

ZigBee無線通信進(jìn)行初級定位，篩選出在通信范圍內(nèi)且信號強(qiáng)度滿足設(shè)定閾值的識別卡作為精確定位的備選卡，即識別卡2和n；UWB無線通信進(jìn)行精確TOF測量，解算出探測器與初選出來的識別卡之間的距離，即探測器1測量出與識別卡2和n的距離；測量過程中，隨著識別卡數(shù)量增多，計算壓力會增加；多個探測器報警信息傳輸總線，擬采用485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每個探測器進(jìn)行預(yù)計判斷，觸發(fā)人員定位時通過485總線向車輛控制器發(fā)送人員定位數(shù)據(jù)，多個探測器可同時發(fā)送人員定位或者報警數(shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)后，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，判斷是否處于危險距離，然后向上層系統(tǒng)進(jìn)行報警。

3.2.2 人員定位系統(tǒng)

人員定位系統(tǒng)需要設(shè)定一套邏輯嚴(yán)密的判斷準(zhǔn)則來進(jìn)行人員定位信息觸發(fā)，由于距離測量是以探測器為圓心的圓圈觸發(fā)，會存在部分區(qū)域漏報，針對這部分漏報區(qū)域需設(shè)定更大的觸發(fā)值，以擴(kuò)大部分人員定位區(qū)域范圍實現(xiàn)零漏報，具體流程如圖4所示。

圖4 定位觸發(fā)流程Fig.4 Flow chart of positioning trigger

當(dāng)任一識別卡與探測器的距離小于等于設(shè)定的報警區(qū)域R(寬度)時，則探測器立即觸發(fā)人員定位并通過總線向外傳輸對應(yīng)識別卡ID及人員定位級別，若距離大于報警區(qū)域R時，則啟動漏報區(qū)域監(jiān)測程序判斷識別卡是否處于漏報區(qū)域，若確定不處于漏報區(qū)域則進(jìn)入下次判斷，若處于漏報區(qū)域概率較大(算法設(shè)定)則觸發(fā)人員定位，并通過總線向外傳輸對應(yīng)識別卡ID及人員定位級別。

探測器以8個或者4個為整體模塊(具體數(shù)量以能滿足認(rèn)證電源供電的前提確定)，統(tǒng)一由單個電源供電，主要分為UWB+ZigBee無線探測模塊及總線數(shù)據(jù)處理母板，識別卡采用可充電鋰電池供電，采用低功耗設(shè)計。總線母板的設(shè)計主要滿足2種模塊功能：①支持報警數(shù)據(jù)能轉(zhuǎn)換成485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；②提供本安電源供電后的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，保證探測器正常工作。每個傳感器通過CAN總線與車輛控制器相連接，每個傳感器在進(jìn)行與識別卡測距后需要完成相應(yīng)的預(yù)警判斷，并將判斷結(jié)果通過傳感器傳輸給車輛控制器。標(biāo)準(zhǔn)CAN總線，車載控制器與每個探測器都有唯一的ID，有車載控制器的CAN總線協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，每個探測器獨立傳輸自己的報警信息給車載控制器。

3.2.3 設(shè)計便攜式標(biāo)簽

標(biāo)簽采用便攜式設(shè)計，具備如下功能。

一鍵求救報警：因井下環(huán)境復(fù)雜，危險系數(shù)高，因此該功能在井下十分必要，目前本系統(tǒng)設(shè)置的方式是長按按鍵超過5 s，標(biāo)簽向后臺發(fā)送求救報警信息，同時蜂鳴器一直響、LED閃爍，提醒佩戴人員目前環(huán)境危險，同時也便于救援人員定位。再次長按按鍵超過5 s，可取消一鍵求救報警。

超時休眠提示：標(biāo)簽靜止休眠超過設(shè)定的值時，本系統(tǒng)設(shè)置可以自動進(jìn)入休眠模式，同時也會向后臺發(fā)送超時休眠提示。

告警提示：標(biāo)簽闖入非法區(qū)域、靠近危險源、超時停留、離群等異常行為時，標(biāo)簽震動10次(震動次數(shù)可根據(jù)要求設(shè)置)，蜂鳴器響10次，同時紅色LED閃爍。

撤離提示：標(biāo)簽收到后臺撤離信息時，標(biāo)簽震動5次，蜂鳴器響5次，同時紅色LED閃爍，提示使用人員緊急撤離或集合歸隊。

低電量提示：標(biāo)簽電量過低時，標(biāo)簽震動2次，提示使用人員充電。且標(biāo)簽上設(shè)置按鍵選擇，可查看剩余電量。

充電提示：標(biāo)簽插入磁吸式充電線，檢測到充電狀態(tài)后，標(biāo)簽震動1次，同時紅色LED以4 s的周期進(jìn)行閃爍提示(亮1 s滅3 s)，電池充滿后，紅色LED常亮。提示使用者及時取下充電器。

4 結(jié)語

超寬帶無線電技術(shù)(UWB)應(yīng)用具有極強(qiáng)的穿透能力，在室內(nèi)和地下都能夠進(jìn)行精確定位。通常的情況下，基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)通過附著在物體或者是人體上的小型UWB標(biāo)簽實現(xiàn)對物體的三維動態(tài)定位，該標(biāo)簽與無線傳感器結(jié)合使用，定位精度可以達(dá)到0.15 m。因此基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)獄、工廠、農(nóng)場等場合，可用于對特定人群(或動物)的定位。將UWB技術(shù)應(yīng)用到井下安全方案設(shè)計領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)越性，其精準(zhǔn)定位功能，既可以用于防止大型機(jī)械作業(yè)時人員進(jìn)入危險區(qū)產(chǎn)生不必要的安全事故，也可以用于發(fā)生井下事故后人員的精準(zhǔn)定位、搜救等工作。在井下安全需求和市場的推動下，UWB 技術(shù)將會伴隨著煤礦智能化開采的發(fā)展而走向成熟。