基于北斗RTK与UWB技术的煤场作业安全防护系统设计

宋宗　姚中栋　刘丹　孙诚　韦波

摘  要：近年来，作为安全作业监管的特殊场所，火力发电厂的煤场作业安全事故频发，作业安全监管场景复杂，人员和车辆往来频繁，监管形势严峻。文中结合煤场生产现场的实际情况和当前快速发展的定位技术，实现基于北斗RTK与UWB技术的煤场作业安全防护系统的建设，以此实现作业安全监管从人防到技防的转变，杜绝因设备异常或操作不当而导致安全事故的发生，做到事前有监测，出现异常提前告警，为后期实现数字煤场、智慧煤场提供有力的技术和系统平台支撑。

关键词：北斗RTK定位；UWB超宽带；高精度定位；作业安全防护；预警

中图分类号：TN925；TN967.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）12-0116-04

Design of Coal Yard Operation Safety Protection System Based on Beidou RTK and

UWB Technology

SONG Zong1， YAO Zhongdong2， LIU Dan2， SUN Cheng2， WEI Bo2

（1.China Power （Pu'an） Power Generation Co.， Ltd.， Qianxi'nan  561503， China;

2.CLP Yuchuang （Suzhou） Intelligent Technology Co.， Ltd.， Suzhou  215125， China）

Abstract： In recent years， as a special place for safe operation supervision， the coal yard of fossil-fuel power station has frequent safety accidents， complex scene of operation safety supervision， frequent personnel and vehicle exchanges， and severe supervision situation. This paper combines the actual situation of the coal yard production site and the rapidly developing positioning technology to achieve the construction of a coal yard operation safety protection system based on Beidou RTK and UWB technology， in order to achieve the transformation of operation safety supervision from people's air defence to technical defense， prevent the occurrence of safety accidents caused by equipment abnormalities or improper operation， and achieve monitoring in advance and early warning in case of abnormalities， so as to provide strong technical and system platform support for the later implementation of digital coal yards and smart coal yards.

Keywords： Beidou RTK positioning; UWB ultra wideband; high-precision positioning; operation safety protection; early warning

0  引  言

北斗RTK定位技術，也称北斗差分定位技术，利用我国自主研发的北斗卫星定位系统实现精确定位功能。定位精度可根据需要，通过选择不同精度的人员定位终端来实现。UWB定位技术，UWB（ultra wide band）是应用于无线通信领域的一种低功耗的无线电技术，采用纳秒级或亚纳秒级的脉冲实现无线通信。UWB定位采用了宽带脉冲通信技术，具备极强的抗干扰能力，使定位误差减小[1]。UWB定位技术的出现填补了高精度定位领域的空白。UWB定位技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

1  煤场现状及作业存在的问题与需求

1.1  煤场现状及作业存在的问题

普安发电的煤场设4个主煤场，每个煤场宽50 m、长350 m，可存煤约45万吨。其中#1煤场留有直卸煤区域，#4煤场盖有长80 m、宽100 m的顶式干煤棚，煤场四周安装抑尘网。设有2台斗轮堆取料机，#1煤场与#2煤场之间纵向1台（轨道长200 m），#3煤场与#4煤场之间纵向1台（轨道长350 m）。现煤场及卸煤沟有工程机械若干，同时煤场内日常还有清扫、检修、维护、巡检等人员在煤场内工作。

现有的煤场管理系统只管理煤堆的形状、分布、存量信息，并没有将现场的大型机械设备、流动机械、人员定位信息进行关联或联动，只能通过对讲机告知集控室值班人员现场人员所在的大致位置。这样并不能为现场机械、人员提供实时的安全防护，也不能在出现安全问题后及时获取现场人员的准确位置，对于现场的安全防护措施状态也不能做到精确的回溯。现阶段对于煤场内作业机械和流动人员的安全防护只是处于粗放和个人自觉性的管理阶段，对于煤场内的设备保护也不能做到提前预警和及时处理。

1.2  煤场安全生产对作业安全防护的需求

煤场安全生产对现场作业的人员、车辆、运行设备等均有相关的要求，相关要求如下：

1）现场作业人员：煤场内作业涉及不同的作业人员，主要包括清扫人员、检修人员、维护人员、巡检人员等，期望能通过技术手段实现对人员当前位置、煤场内行走轨迹、异常停留时长进行有效监管，对于某些异常能及时进行告警，方便集控平台人员及时进行处理。

2）运煤车辆：根据火力发电的节奏，煤炭会源源不断地进入到煤场，当前普安电厂的煤炭进场主要依靠的是载重汽车进行运输，车辆运输具有运输频次高，运输时间集中等特点，期望能通过作业安全的技术手段实现对车辆在煤场内实时位置、运行轨迹、安全距离的监控，对于安全距离过小的情况及时进行告警。

3）运行设备：煤场内的斗轮机和推煤车，进行实时作业，期望通过作业安全监管系统的技术手段，实现对运行设备安全距离范围内进行及时的监管，防止发生意外事故。

4）安全距离：对于在煤场内运行的车辆和人员，为防止出现碰撞等安全事故，需要对于安全距离进行有效的监管，当车辆或者人员小于规定的安全距离时，可通过其他手段快速告警，避免安全事故的发生。

2  主要定位技术介绍与对比

GPS定位技术：GPS定位是最常见的定位技术，在生活中随处可见，如手机中百度地图、高德地图；汽车常见的导航地图都是应用了GPS定位技术。

北斗RTK定位技术：也称北斗差分定位技术，利用我国自主研发的北斗卫星定位系统实现精确定位功能。定位精度可根据需要，通过选择不同精度的人员定位终端来实现，当前百度地图、高德地图等均已支持北斗定位技术。

UWB超宽带无线定位技术：UWB全称Uitra Wide Band，即超宽带无线定位技术，是利用超高频信号的定向性和稳定性，采用“时间差”和类似三角定位的原理来完成定位的。

无线局域网（Wi-Fi）定位技术：无线局域网定位与超宽带无线定位类似，主要采用信号强度来定位，一般匹配三角定位算法或者其他算法，需要以无线路由器为信号获取渠道，定位精度可达数米。

蓝牙定位技术：通过广播蓝牙信号，它可用于地理围栏和室内定位功能。用户终端扫描定位Beacon的信号，经过定位引擎处理可以计算出用户当前的位置。

各定位技术的对比如表1所示。

3  系统应用

3.1  系统设计及介绍

结合普安电厂煤场的实际情况和需求，综合各种定位技术的优劣，本系统采用一套拟合室外北斗RTK定位技术和室内UWB定位技术的煤场安全作业防护系统。

现场部署安装UWB定位基站，对进入煤场的人员、工程机械、设备分别绑定定位标签，通过定位标签实时获取现场人员和工程机械设备的位置。通过采集现场定位标签数据，并通过系统平台，将定位、报警等相关信息在固定屏幕上进行展示[2]。通过防碰撞检测功能，在出现人员或设备距离过近时及时向集控人员和现场人员报警，同时将定位系统接入两台斗轮机控制系统并实现联锁保护，当人员、车辆与斗轮机距离过近时，斗轮机自动停止本体及悬臂移动；当报警解除后，联锁同步解除。通过定位标签的SOS求救功能，在出现意外时及时在展示大屏中提示声光显示报警位置。通过以上的安全防护系统的设计，实现煤场的作业安全防护。

3.1.1  室内UWB定位系统介绍

煤场室内部分根据定位区域面积、环境的实际情况进行定位基站的布置，并将其连成一个整体的定位网络，确保系统覆盖区域内都能实现高精度定位。系统感知层由定位基站、系统控制器、定位标签等硬件设备组成，定位标签发射定位信号给基站端，通过系统控制器进行数据配置处理后汇总到上层定位平台开始解算，最终呈现出可视化定位效果。

實时高精度定位功能是本防护系统的主要特点，能够将每个定位目标动态位置同步显示在定位平台软件上，平台软件可实现2D、3D模型显示，从而更加直观形象的进行展现。

根据煤场需求，可对指定目标（作业人员或者车辆）进行高精度实时定位。根据定位标签将定位目标的动态位置实时获取，定位数据同步上传到后端系统平台中，随时显示定位目标动态位置，固定管理端能够实时掌握定位目标各种状况，以实现高效管理。

室内UWB定位系统组网示意如图1所示，主要包括室内、室外型定位基站、定位系统控制器、定位服务器以及定位引擎等[3]，通过此定位系统实现基于UWB的高精度室内外定位。在室外位置集中且较易部署的位置，部署室外型定位基站。

3.1.2  室内UWB定位原理

室内UWB定位，一般采用TDOA，其基本原理是测量同一信号到达不同定位基站的时间差，根据时间差确定一条双曲线轨迹，多条双曲线轨迹求交点则可以实现对目标点的定位[4]。

定位标签持续不断发射射频信号，周围含天线的定位基站接收标签发来的信号，如图2室内UWB定位系统组网及原理，根据信号到达的时间差计算标签到参照点的距离，然后把数据通过有线方式发给定位服务器进行处理。每个标签的信号到达四个不同定位基站的距离数据，定位软件根据TDOA算法，就可以算出到定位标签动态位置。把这些动态位置连接起来，就是标签运动轨迹。每一个标签都有一个独一无二的识别号，所以系统知道每一个标签在每一个时刻的位置以及运动信息，也就是携带标签的人或者运动物体的位置和运动信息。

到达时间差定位是根据不同基站所接收到的同一标签信号在传播路径上的时延差异实现标签定位的。在该方法中，处于不同位置的多个基站同时接收由标签发出的普通信息分组或随机接入分组，各基站将接收到上述分组的时间传送到应用平台软件，应用平台软件根据信号到达各基站的时间差异来完成判定该标签位置的一系列计算。该方法的优点在于无需对现有标签进行任何改造，各基站对抵达时间的测量可同时进行，并且由于时间的测量是在基站进行，因此可以通过信号的分集接收和复杂的信号处理算法抑制多径干扰等。

3.1.3  室外北斗RTK定位

煤场室外的露天15 m高煤堆作业区域，由于室外工作范围广，导致安装设备施工布线困难，根据现场实际情况，推出了一种室内外融合高精度定位解决方案，通过融合定位终端实现室内外的高精度定位，解决煤场室内外人员和车辆管理的问题。

煤场室外采用RTK定位，配合安装一台差分基准站，室外数据通过4G传输到定位服务器平台。人员或者车辆定位则需要携带高精度融合定位终端。

室外RTK高精度定位系统主要由差分基准站组成，一般情况一个现场至少需要建设1台差分基准站，1台基准站可以覆盖半径20 km的范围，为半径20 km内的便携式定位终端提供高精度校准数据。

3.1.4  UWB与RTK网络交互描述

通过在煤场中标定3个RTK积分点，对3个积分点求平均，可得到较为精确的大地坐标系，再通过墨卡托坐标系转换，将RTK解算的经纬度转换成直角空间坐标，得到坐标1，UWB坐标系则建立在该坐标系下，输出的也为相同空间坐标系下的坐标，将2个坐标作为观测量做KF融合，得到精确坐标[5]。如图3所示。

3.1.5  北斗RTK定位与UWB定位的系统组网

整体煤场的定位系统组成如图4所示。

3.2  煤场作业安全防护系统实现功能

结合定位服务器和定位应用软件系统，基于电子地图，系统可实现定位标签（定位终端）实时数据查看。并可实现以下功能。

3.2.1  煤场可视化监管

在定位监控可视化平台上，可实时查看定位信息、人员当前分布、车辆分布、人员位置移动定位等信息。

3.2.2  煤场定位目标追踪

通过此系统可以对指定员工/车辆进行目标跟踪管理，查看该员工/车辆的实时位置，此时地图只显示被追踪人员/车辆，若追踪过程中人员进入室内煤场，则自动进入室内地图，持续跟踪。

3.2.3  巡检路线及移动轨迹查询

通过此系统可平滑显示移动轨迹，能够根据多种检索条件搜寻轨迹，可实现单目标和多目标同时回放。支持多目标轨迹多倍速回放，显示轨迹经过的区域和时间。

3.2.4  电子围栏及危险区域告警

基于定位系統，给煤场划定电子围栏，并划分不同的危险区域，当人员或者设备进入到危险区时及时联动报警装置，进行声光告警。

3.2.5  安全距离告警

推煤车上的标签与摇臂上的基站交互信号测算绝对距离，在系统上设置安全距离：任意一个距离小于安全值时停止运行摇臂，且推煤车警灯标签闪烁告警。

推煤车上安装警灯标签，后台设置此标签跟其他车载标签安全距离（如2 m），当两车距离＜2 m时，报警灯闪烁，并发声警示，人员标签同理。

3.3  可扩展接口

依据电厂的发展规划和后期数字化煤场的建设需要，本系统保留了完善的API接口扩展能力，如图5所示，方便数字化煤场的数据对接与调用。

4  结  论

基于北斗RTK定位和UWB高精度定位技术的煤场安全作业防护系统主要集中在人员安全管控、车辆轨迹管控、设备防撞处理等方面。随着各种定位技术的发展，多种定位融合技术的使用，系统可实现煤场巡检的智能化管理、巡检轨迹回放、巡检任务未完成自动推送及语音报警，提升发电厂煤场巡检管理水平，有效解决巡检不到位给煤场安全生产带来的影响，进而提升煤场安全生产管理水平；通过基于位置信息的大数据分析，能快速发现和修正危险区域与故障问题，为提升煤场的数字化水平打下了良好的基础。后期结合视频监控，可以实现更完整的AIOT巡检，快速提升煤场的数字化管理水平。

参考文献：

[1] 肖竹，黑永强，于全，等.脉冲超宽带定位技术综述 [J].中国科学 F辑：信息科学，2009，39（10）：1112-1124.

[2] 许珂，甘世敏，贺洋，等.基于UWB高精度定位系统的设计与应用——以重庆电力公司永川供电分公司城南变电站为例 [J].中国高新区，2017（21）：9-10+89.

[3] 庞云玲，李湖生，王彦平.基于UWB技术的生产吊装作业安全监控及预警系统 [J].起重运输机械，2017（3）：84-88.

[4] 仲江涛.基于UWB 室内定位算法的研究与实现 [D].深圳：深圳大学，2017.

[5] 傅兴强，毛兴，赵煜，等.基于UWB与GNSS融合定位的变电站高精度定位技术 [J].集成电路应用，2020，37（8）：102-103.

作者简介：宋宗（1985.07—），男，汉族，河北保定人，工

程师，本科，研究方向：煤场智能化、数字化系统的运维与研究。