《煤矿智能化建设指南（2021年版）》中针对智能掘进系统明确提出：“采用掘进工作面设备群和人员精确定位系统，实现设备间相对位置的精确监测和安全防护”；《智能化示范煤矿验收管理办法（试行）》中也要求：“掘进设备运行危险区域设置人员接近保护装置，具备人员接近识别与报警功能”。因此，为尽快实现煤矿智能化、安全化建设的目标，亟需在掘进工作面研发实施一套人员接近防护系统，以实现人员和设备间的双向报警、辅助作业人员安全生产。

文章来源：《智能矿山》2024年第2期理事会特刊“智能装备”专栏

作者简介：喻川，高级工程师，现任深圳市翌日科技有限公司董事长，主要从事下高精度定位、融合通信、传感监测、AI智能的研究工作

作者单位：深圳市翌日科技有限公司

引用格式：喻川.基于UWB精确定位技术的掘进工作面人员接近防护系统[J].智能矿山，2024，5（2）：79-83.

 

掘进工作面环境特点

煤矿井下工作环境复杂，笔者团队多次到各矿山井下实地考察，将掘进工作面日常生产中存在的风险点总结如下：

（1）在生产班，采煤时整个工作面粉尘浓度较大，能见度小于5m；割煤时噪声较大，工人之间交流困难。

（2）大型设备的驾驶室一般位于设备的某一侧，部分车辆没有固定驾驶室，只有操作平台，驾驶员的视线范围有限、盲区较多，开车或操作时很难确认车辆周边是否有其他人员或设备。

（3）大型设备上各类机械部件较多，部分机身在作业时会升高、降低、左右摆动，可供安装其他设备的空间有限。

（4）在巷道尽头和连接处，4G信号和定位信号覆盖较差，有丢失定位数据的可能。

 

掘进工作面人员接近防护系统建设方案

掘进工作面人员接近防护系统（简称人员接近防护系统）由车载终端、防碰撞基站、四路电源、红外热像仪、高清摄像头、爆闪矿灯、系统软件、上层系统（选配）等组成。人员接近防护系统整体拓扑结构如图1所示。

 

图1　人员接近防护系统整体拓扑结构

人员接近防护系统集成UWB精确定位技术和红外热成像技术，定位终端（爆闪矿灯或其他设备的定位基站）通过UWB无线信号将定位数据传输至防碰撞基站，再通过有线连接传输至车载终端内做处理，并在屏幕上展示；高清摄像头和红外热像仪将视频信号以有线连接的方式传输至车载终端，由车载终端做展示；车载终端分析、判断是否有人员或设备闯入报警、停机区，并通过继电器输出控制设备停泵、停电，实现掘进面人员接近防护的功能。

人员接近防护系统最少可通过安装1个防碰撞基站、1个中控台和1个四路电源，即可实现最基本的人员接近防护功能，其定位方式为零维；满配状态为4个防碰撞基站、1个中控台、1个四路电源、4个高清或红外摄像头，实现二维定位和视频监控功能。

（1）车载终端

车载终端（图2）作为系统的核心设备，配有1块8寸触摸显示屏，主要用于接收、展示、处理定位信息，通过视频展示大型设备周边环境；还具有控制输出功能，当系统判断大型设备周边有异常报警时，会根据不同的报警等级自动控制设备启停，并通过车载终端发出声光报警信号；可切换检修模式、正常模式，适应不同班组的作业流程。

 

图2　车载终端外观及App主界面

（2）防碰撞基站

防碰撞基站（图3）用于接收矿灯或其他大型设备定位基站的定位信号，并通过RS485有线传输至车载终端做处理、判断。

 

图3　防碰撞基站外观

（3）爆闪矿灯

爆闪矿灯（图4）是人员佩戴具备防碰撞报警功能的信息矿灯，用于人员接近防护预警及井下精确定位功能。当人员闯入任意设备的报警区时，爆闪矿灯会以红光爆闪的形式向人员发出警示。

 

图4　爆闪矿灯外观

（4）四路电源

用于从大型设备上取电，转换为输出端的4路DC12V本安输出，为系统供电；每路输入、输出之间相互独立且完全隔离。

（5）红外热像仪

矿用本安型设备，安装于设备前后，可通过红外热成像技术采集低照度、高粉尘浓度环境下的视频图像信息，并传输到车载终端屏幕上实时展示。

（6）高清摄像头

矿用本安型设备，安装于设备前后，具有红外补光功能，实时采集车辆周边的图像信息并传输到车载终端展示。

基于以上各硬件终端，人员接近防护系统可实现以下主要功能：

（1）人员定位、视频信息展示

车载终端APP内可展示当前车辆周边的人员或其他设备的距离和具体位置，同时兼容多种视频输入制式，实时获取、展示车辆周边的情况。

（2）分级报警与控制

可划分报警区、停机区2个范围，当人员闯入报警区时，车载终端可发出声光报警，提示司机注意减速避让；闯入停机区时，除声光报警外，车载终端可通过继电器信号输出，控制大型设备停机，避免碰撞事故的发生。

（3）辅助驾驶

支持4G通话、疲劳驾驶检测、红外人员闯入检测等功能，可有效辅助司机安全驾驶，提高日常生产的安全性。

 

人员接近防护系统关键技术

在人员接近防护系统中，为了计算人员标签（矿灯）和其他大型设备标签（定位基站）的位置坐标，必须准确地测量标签与基站间的距离。ADSTWR技术是一种异步测距技术，通过在2个不同节点间依次完成双向测距，减小节点两侧时钟偏置引起的测量误差，计算信号在节点间的无线传播时延（TimeOfFlight，TOF），从而估算节点之间的距离。在一个定位周期内，标签主动发起第1次测距消息，基站响应，得到4个时间戳（TX1、RX1、TX2、RX2）；标签接收到基站的确认回复后再发起第2次测距消息，由基站接收，再得到2个时间戳（TX3、RX3），共产生4个时间差：Tround1、Treply1、Tround2、Treply2，如图5所示。

 

图5 TWR过程示意

结合光速，通过运算即可得到标签到基站之间的距离。纵观整个定位周期，ADS-TWR技术在保证测量精度的同时，对两侧节点应答时间的对称性没有要求，因此现场安装时，不存在基站必须按固定规则和位置安装的限制，具有很强的实用性。人员接近防护系统设计基于DW1000的基站和标签，在室内视距（LineofSight，LoS）环境下可实现测距精度≤10cm。

基于ADS-TWR技术的室内定位要求标签至少与3个基站完成测距，为了减少标签测距的时间，保证定位系统的实时性要求，笔者采用优化的多基站测距机制（图6）。

 

图6　一对多TOF过程示意

请求帧包含4个基站的应答时间，标签以广播方式向所有基站发送请求帧触发多基站测距时序，各基站解析请求帧信息，并按设置的应答时间依序向标签发送应答帧，标签在接收到基站应答帧后，将用于计算TOF的参数写入终止帧，以广播方式发送给所有基站，基站接收终止帧，表示一轮多基站测距时序结束。最后根据时间戳各基站计算与标签的距离值。

应用多基站测距机制，标签与4个基站间仅需发送6组帧包即可完成测距工作，通过调整DW1000工作参数，优化UWB帧包结构，实际应用中可控制单个帧包传输时间小于200μs，最终实现单次多基站测距时序时间小于10ms，从而满足系统对定位实时性的要求。

 

人员接近防护系统优势

独立性和可拓展性

人员接近防护系统为纯底层系统，无需接入上层系统即可实现人员定位、报警判断、车辆控制等功能，可充分适应网络覆盖条件不好的掘进巷道。此外，人员接近防护系统在与上层完成配接后，车载终端在4G信号覆盖良好的区域可将报警记录、参数配置等数据上传至上层系统，管理人员可在线上实时查看井下设备的工作状态、周边情况，有助于推进煤矿管理的信息化、智能化。

灵活性和可维护性

考虑到井下掘进工作面环境恶劣，除提升产品本身的防护性能之外，以应对日常使用过程中的粉尘堆积、煤块砸落、设备振动、水枪冲洗之外，为了减少井下工人日常维护检修的工作量，笔者还做了以下设计：

（1）多维兼容

由于基站一般需要安装于车身较高、靠外、无遮挡的位置，容易在上坡时撞到顶板，或转弯时刮蹭到煤层。为降低基站和连接线缆损坏的概率、减少前期安装和后期日常维护的工作量，系统基于TOF的多基站定位技术，在保证定位精度和系统功能不受影响的前提下，支持根据不同的设备类型，动态调整防碰撞基站的安装数量，可实现兼容二维、一维（安装2个防碰撞基站）、零维（安装1个防碰撞基站）定位。

（2）自动降维

如因突发情况导致某个基站数据丢失，系统会自动根据正常工作的基站数量调整定位方案、降低一级定位维度，以保证不影响正常的生产作业。

实用性和功能性

除常规的防碰撞功能外，系统针对某些特殊人员的权限、某些特殊场景下的防碰撞逻辑也做了相应设计：

（1）司机设置

可设置主、副驾驶，当驾驶区域内没有主驾驶时，其他人员均不能启动设备。

（2）检修设置

开启检修模式后，检修白名单内的人员不会触发相应的报警、停机动作。

（3）接驳设置

完成设置的两车，一车接近时，另一车不会产生停机动作，以应对接煤、卸煤的场景。

（4）无线急停

可通过矿灯按键发送无线急停信号，如车载终端判断设备报警区内有人员，则控制设备停机，并发出声光报警。

 

人员接近防护系统应用情况

截至目前，人员接近防护系统已在某大型煤炭企业下属的多处煤矿完成试用，其中在某煤矿连掘二队、掘锚五队的破碎机、梭车、连续采煤机、锚杆机、掘锚一体机、铲运车6种大型设备上完成12套设备的安装并长期使用。

在二维定位方案中，结合大型设备的结构、作业时机械部件的运动情况，通过选择固定平台、加装支架和保护罩的方式（图7），将4个防碰撞基站安装在相对较高的位置，有效避免了信号遮挡问题，降低了定位跳点、数据丢包等问题。

 

图7 基站安装方式

此外，接入高清摄像仪、红外热像仪后，在高粉尘浓度、低亮度的环境中，驾驶员仍可以实时获取设备周边清晰的视频画面（图8），可辅助其安全驾驶。通过定位与视频技术相结合，本系统定位准确、报警停机动作及时，有效提升了掘进工作面生产的安全性；同时，系统还支持特殊人员管理、报警存储与查询、数据上传与同步等功能，涵盖生产管理中的多种场景需求，对于煤矿智能化、安全化建设做出了重要贡献。

 

图8 车载终端定位效果

此外，深圳市翌日科技有限公司与多家特种车辆企业完成了对接和联调，已在转载机、履带运输车、支架搬运车3款新设备上完成安装和试用，开拓了非采掘面移动车辆的人员接近防护功能的应用场景。

 

结语

人员接近防护系统定位精度更高、定位维度选择更自由、功能设计更齐全、安装维护更便利，适合井下多种作业场景和流程，适用于多种大型设备。在实时监控周边的人员、设备情况的同时，可在突发情况下及时控制大型设备停机，辅助司机安全驾驶，有效降低安全事故发生率，助力推进煤矿生产管理智能化、信息化建设。