武 枝，綦 亮，周紹青，李 敏，趙軍正

（山東正元冶達(dá)科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

隨著當(dāng)代工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，位置信息在工程生產(chǎn)共過(guò)程中起到重要的作用。而作為L(zhǎng)BS(地基服務(wù))核心技術(shù)之一，采礦定位系統(tǒng)是礦產(chǎn)施工過(guò)程的重要組成部分，在這定位系統(tǒng)還應(yīng)用于運(yùn)輸、消防等領(lǐng)域。近年來(lái)，各類的定位系統(tǒng)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)當(dāng)中不斷發(fā)展，同時(shí)提供了更為智能化的定位方式，并將其應(yīng)用到礦山開(kāi)采工程中，為礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大的潛力。

在礦業(yè)定位方面，我國(guó)起步相對(duì)較晚，技術(shù)較為落后。國(guó)外在礦山結(jié)構(gòu)定位方面已經(jīng)變得更加成熟。2011年，Google發(fā)布了包含無(wú)線和移動(dòng)基站等信息的地雷圖；蘋(píng)果公司利用其本身的iBeacon設(shè)備繪制出更為精確的地區(qū)，其精準(zhǔn)程度不亞于谷歌。此外，韓國(guó)三星公司與德國(guó)斯圖加特公司也進(jìn)行定位系統(tǒng)的研制與應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)的許多研究部門(mén)也利用wi-fi技術(shù)進(jìn)行了定位系統(tǒng)研究，并在定位此方面得到了突破與進(jìn)展，其主要集中在優(yōu)化定位系統(tǒng)電路、電力算法、指紋識(shí)別等，但是定位的精準(zhǔn)程度偏低些。在藍(lán)牙礦山定位技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)有幾家企業(yè)也開(kāi)始研發(fā)iBeacon產(chǎn)品，主要集中于算法的研究，在定位精度方面和國(guó)外同等類型產(chǎn)品相差較大。

總體來(lái)講，當(dāng)前我國(guó)的礦山定位的主要問(wèn)題在于：①定位系統(tǒng)過(guò)于陳舊，精準(zhǔn)程度偏低，其定位的范圍相對(duì)較小，容易受到外界信號(hào)的干擾，同時(shí)不兼?zhèn)浠ヂ?lián)網(wǎng)信號(hào)傳輸功能；②功能較為單一，在復(fù)雜的礦山地質(zhì)環(huán)境下，會(huì)受到高大山體的阻擋，從而導(dǎo)致定位信號(hào)受到一定的干擾，是的定位的穩(wěn)定性也相對(duì)較差，周?chē)脑胍舾蓴_使藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳播受到一定的阻礙；③定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，在不對(duì)礦山工作人員進(jìn)行追蹤定位時(shí)，不支持人員在區(qū)域內(nèi)出入的報(bào)警功能：④其應(yīng)用較為傳統(tǒng)，不具備智能化控制，在礦山周?chē)碾娮訃鷻谙到y(tǒng)上，不支持信號(hào)傳輸，因此，人員信息、電子點(diǎn)名功能缺失。

UWB(Ultra-Wideband)是一種無(wú)載波通信技術(shù)，利用脈沖作為載體，將數(shù)據(jù)型號(hào)進(jìn)行傳輸。通過(guò)寬頻的傳輸載體，將信號(hào)的傳輸功率降到最低，已達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性，UWB在10m的范圍內(nèi)的信號(hào)傳輸，可達(dá)到Mbps到或Gbps的數(shù)據(jù)速率。

因此可知，UWB傳輸技術(shù)具有很好的抗干擾性，在較高的傳輸速度當(dāng)中，其系統(tǒng)傳輸功率可降到最低程度。在現(xiàn)階段，市場(chǎng)上尚無(wú)用于定位礦山建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)芯片。DW1000具有低功耗，低成本和精確定位的特點(diǎn)，將成為未來(lái)礦山建設(shè)的主要定位產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

UWB系統(tǒng)定位管理中，所使用的是實(shí)時(shí)在線定位系統(tǒng)，服務(wù)器后端界面可以直接觀察到礦山工作人員的準(zhǔn)確位置。在采礦工程施工區(qū)域當(dāng)中，基站中的實(shí)施監(jiān)控定位系統(tǒng)為每名工作人員設(shè)定專屬標(biāo)簽，從而可以更加準(zhǔn)確的了解個(gè)人信息及位置，接收到每個(gè)標(biāo)簽的位置信息后，服務(wù)器會(huì)處理某些數(shù)據(jù)，然后在后臺(tái)主頁(yè)上顯示該標(biāo)簽。

如圖1所示，位置標(biāo)簽與基站相關(guān)聯(lián)，基站以固定的間隔將對(duì)位置信息的請(qǐng)求發(fā)送到位置標(biāo)簽，位置標(biāo)簽在從基站接收到位置信息請(qǐng)求之后立即將位置信息發(fā)送給基站，使區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)站，接受到所發(fā)出的信號(hào)位置。定位標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)在服務(wù)器進(jìn)行接受，服務(wù)將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，這處理方法，一方面是將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便后期查找，另一方面是現(xiàn)實(shí)在主網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面位置上，方便定位。

圖1 UWB定位系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

礦山定位系統(tǒng)包括基于使用UWB協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信的硬件系統(tǒng)，以及處理和定位有關(guān)施工距離和地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括定位基站和定位標(biāo)簽，基站固定在礦井中的指定位置，非參考節(jié)點(diǎn)可以在測(cè)量范圍內(nèi)自由移動(dòng)。由于需要獲取有關(guān)三維空間中高度的信息，因此定位系統(tǒng)至少需要4個(gè)支持節(jié)點(diǎn)和1個(gè)移動(dòng)非支持節(jié)點(diǎn)。該軟件系統(tǒng)包括下位計(jì)算機(jī)的距離測(cè)量和上位計(jì)算機(jī)的距離處理，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

1.3 應(yīng)用功能

1.3.1 后臺(tái)首頁(yè)多種功能

主要是將所定位的區(qū)域現(xiàn)實(shí)在內(nèi)部主頁(yè)面上，并將所定位的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記，確定出定位的人員信息，而基站顯示基站名稱，主頁(yè)應(yīng)具有網(wǎng)頁(yè)截圖、區(qū)域設(shè)計(jì)功能等，按照所定位的標(biāo)簽進(jìn)行搜索，并且確定出定位的距離，在主頁(yè)面上可以繪制出精裝圖形。

1.3.2 系統(tǒng)信息管理

定位系統(tǒng)管理模塊包括：用戶管理、信息定位、工作信息管理等。其中，用戶管理模塊主要是為了精準(zhǔn)的添加用戶的相關(guān)信息。在礦山工程建設(shè)部門(mén)當(dāng)中，其管理模塊的行政結(jié)構(gòu)，可以顯示其內(nèi)部信息與下屬管理體制，同時(shí)還有添加相關(guān)部門(mén)的管理信息。

1.3.3 地圖在線編輯

在地圖在線面積模塊中，將工程施工信息及該地形圖進(jìn)行掃描編制。礦山施工項(xiàng)目管理模塊主要負(fù)責(zé)施工建設(shè)的信息數(shù)據(jù)管理，在此模塊當(dāng)中，可以根據(jù)開(kāi)采區(qū)域的信息進(jìn)行某些規(guī)則的添加。更改或刪除礦山施工設(shè)計(jì)方案，在卡信息管理模塊中，添加新卡信息時(shí)，同時(shí)需要能夠正確導(dǎo)入卡。

1.3.4 基站信息可維護(hù)

基站控制模塊負(fù)責(zé)管理基站信息，包括綁定和與人員斷開(kāi)連接，添加基站信息時(shí)的校驗(yàn)以及根據(jù)某些規(guī)則添加，更改和刪除基站信息。

1.3.5 特色化電子圍欄

電子圍欄模塊需要兩個(gè)子模塊，包括區(qū)域設(shè)置和規(guī)則管理，規(guī)則管理模塊負(fù)責(zé)提供有關(guān)區(qū)域規(guī)則的特定信息，而主要業(yè)務(wù)邏輯仍在區(qū)域設(shè)置模塊中。在區(qū)域設(shè)置模塊中，需要顯示有關(guān)當(dāng)前采礦項(xiàng)目特定區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，并將人員、標(biāo)簽、采礦公司、部門(mén)和其他模塊的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)具有電子圍欄警報(bào)的功能。

1.3.6 自動(dòng)化電子點(diǎn)名

電子點(diǎn)名模塊的基本頁(yè)面設(shè)置類似于電子圍欄模塊，但是從業(yè)務(wù)需求的角度來(lái)看，電子點(diǎn)名模塊需要通過(guò)繪制點(diǎn)名區(qū)域來(lái)自動(dòng)對(duì)標(biāo)簽上所有人員進(jìn)行點(diǎn)名。

1.3.7 智能化考勤

智能考勤模塊包括考勤區(qū)、考勤記錄和班次設(shè)置等子模塊。出勤區(qū)模塊負(fù)責(zé)管理和建立相應(yīng)的出勤區(qū)圖，考勤模塊將所有考勤人員的考勤數(shù)據(jù)記錄在表格中。班次設(shè)置模塊主要用于考勤服務(wù)，并提供相應(yīng)的班次信息以實(shí)現(xiàn)考勤模塊。

2 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基于UWB的礦山工程測(cè)距與定位系統(tǒng)的研究，列出了七項(xiàng)UWB定位系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了整體描述。UWB定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，UWB將不斷被應(yīng)用到實(shí)際施工當(dāng)中。