原创 【典型案例】新疆天池能源将军戈壁二号露天煤矿人员定位项目案例

一.项目基本情况介绍

名称：天池能源将军戈壁二号露天煤矿

地点：新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州

实施企业：杭州品铂科技有限公司

二.项目背景

根据中国煤炭工业协会数据显示，截止2022年底，全国露天煤矿数量达357处，产能达11.62亿吨，约为井工煤矿的3倍，产量首次达10.57亿吨，贡献了全国23%的煤炭产量。露天煤矿是在地表直接去除覆盖在煤层上的岩石和覆土以开采煤炭，在这过程中，矿山石坠落易引起开采人员伤亡，多层重叠采空区有出现塌方、滑坡、瓦斯爆炸、冲击地压等事故风险的隐患。

露天煤矿开采现场环境复杂，加之具有施工设备大型化，施工人员密集化、施工环境艰苦恶劣、工种危险系数高、工艺复杂等特点，随着设备越来越多，且分散工作，一旦发生安全事故，往往会造成重大的生命和财产损失，随着国家对矿业企业安全生产要求的不断提高和矿业企业自身发展的需要，为进一步加强安全生产监督管理，防止和减少安全生产事故，安全生产与管理成为了矿业企业综合管理建设中的重点，因此需要高效、准确的人员管理和安全管理系统，来提升生产安全性和效率，降低安全隐患、减少安全事故的发生风险，保证作业人员的生命安全。

天池能源将军戈壁二号露天矿基于人员定位的危险源识别与管控系统，本着“实用、可靠、先进、经济”的指导思想，根据《煤矿安全规程》相关规范的要求以及结合自身的实际需要，建立矿区整体的精准三维模型，在矿区生产区、生活区采用UWB和卫星融合定位方式并基于现有综合预警平台进行软件开发，实现矿区人员定位三维展示与视频监控、门禁管理等系统的融合与联动，实现不同区域、不同地点的危险源智能辨识与管控，形成具有自主感知能力、自行判断能力、自动辨识能力的智能系统平台，最终达到安全管理系统化、安全预警自动化、应急决策智能化，提高了企业安全生产管理水平和工作效率，降低企业安全事故率，节约企业成本。

基于以上有关问题，深入露天煤矿开采的实际应用场景，结合人员和工作流程的特点，分析出以下几个人员监管和安全管控需求：

(1)监管需求：明确不同时间、空间、事件的不同工种、承包单位人员、矿区领导、公司人员等不同场景下所有人员位置信息、人员分布、违规信息等相关内容的实时位置；

(2)人员安全管控需求：结合实时位置信息，及时上报紧急情况或求助信息，实现人员及时可视化安全管控；

(3)危险源学习需求：危险源视频学习功能需支持针对不同区域的视频更新及结合数据基座中的区域环境数据，例地面生产系统粉尘指标、温湿度数据等进行三维可视化展示，当不同人员持电子标签进入不同区域时，可根据危险源不同、工种不同播放所对应的危险源视频及周边环境温度，确保人员人身安全；

(4)事故溯源需求：事故或紧急情况发生后，可以通过人员的历史活动轨迹去判断事故发生的原因和事故责任，预防事故再度发生；

(5)高可靠性需求：定位精度要求高，精准可靠，不能有较大偏差，才能真正对定位对象实现透明、可视化和高效监管；

(6)多系统联动需求：定位系统可与视频监控系统、门禁系统系统等其他系统联动，便于统一管理。

4.1主要应用技术

本项目依托UWB+亚米级卫星（非RTK）定位融合技术、物联网、智能安防等技术，对矿区整体建立精细化数字孪生体管理模型，集成人员定位系统、门禁系统、视频监控系统、消防报警系统、周界报警系统、SIS系统等多方系统，通过定制智能终端设备，开发个性化软件，搭建“基于人员定位的危险源识别与管控系统”，有效提升矿区生产活动的规范化、安全化、精益化水平，保障人员财产安全，提高企业生产效益，加快企业数字化转型。

4.2UWB+亚米级卫星（非RTK）融合定位技术

4.2.1概述

本项目针对项目招标技术规格书需求，结合现场环境和项目实际情况，采用UWB+亚米级卫星（非RTK）定位融合技术，将卫星模块与 UWB 模块集成在一个定位终端，室外环境自动采用卫星定位技术，结合我司专有算法，在不借助RTK差分站或RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务的情况下提供亚米级定位精度，室内环境自动采用UWB定位技术，实现室内外精准定位无缝切换，充分满足现场的实际功能需求，并最大限度节省投入，获取最高性价比。

4.2.2优势

(1)最优性价比实现矿区全覆盖

露天煤矿的矿区室外面积大，单一使用UWB实现全覆盖定位虽然定位效果很好，但室外区域的取电和布线难度大，施工布线工作量较大，并且需要的设备数量多，安装成本高；而卫星定位由于其在室内环境下会因为建筑物墙体遮挡等情况而信号衰弱较为严重，几乎只能实现室外定位。融合定位技术将二者优势融合，通过最有性价比实现矿区全覆盖。

(2)室内外一体化无缝切换定位

工作时会随着不同的工作环境和工作流程在室内室外之间无缝流畅地切换定位方式。当分别获取两种定位方式的定位信息时，不会出现不连续和卡顿的现象，实现丝滑过度。

(3)定位精度高

室内环境中UWB定位技术为厘米级的定位精度，室外环境中通过结合我司专有算法，在不借助RTK差分站或RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务的情况下提供亚米级卫星（非RTK）定位，其精度远高于普通卫星定位技术。

4.3UWB定位技术

4.3.1概述

本定位系统是基于UWB的定位技术自主研发的，UWB(Ultra Wideband，中文超宽带)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。

系统能在极短时间内完成定位测距，同时采用无线激活方式，实现精确定位和低功耗完美结合，既可以实现高精度的实时定位又可以切换到超低功耗的区域定位。能够帮助终端用户实现不同的定位业务需求，灵活配置，即使客户的应用场景有较大差异，系统仍然能够通过灵活的结构变化，满足现场的实际功能需求，并最大限度帮助客户节省投入，获取最高性价比。

定位网络由四部分构成：定位基站(Anchor)、移动终端(Tag)、数据传输通道(DataChannel)、定位引擎服务器(LocationEngine)。其中定位基站分布于场景区域的几何边缘，并对该区域进行信号覆盖；移动终端附着在定位对象表面；当终端进入基站的信号覆盖范围内，即自动与基站建立联系；基站依据内置规则完成数据的获取，并通过数据传输通道发送至定位引擎服务器，进而计算出移动终端的实际位置；定位引擎服务器支持大容量标签网络的原始数据获取、位置解算与坐标输出。

4.3.2优势

(1)传输速率高，系统容量大

根据Shannon公式，系统的最大传输速率与系统的带宽成正比。UWB通信的带宽至少为500MHz，其传输速率可达1Gbps以上。传统的无线通信系统因为频带窄，要实现100Mbps以上的传输速率，必须采用多进制调制等方法，这就对信噪比提出很高的要求，同时提高了系统的复杂性。

(2)发射功率低

超宽带无线电的射频带宽可达1GHz以上，所需的平均功率很小。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率低于1mw；低发射功率可以延长系统电源工作时间，而且发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。

(3)多径分辨力高

由于UWB采用持续时间很短的窄脉冲，其时间、空间分辨力很高，系统的多径分辨率很高，因此能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10-30dB的多径环境，UWB信号的衰落最多不到5dB。多径衰落是无线通信的一大障碍，传统的无线技术容易受到建筑物内部和周围多径的干扰，而UWB信号由于对信道多径衰落不敏感，具有优良的抗多径性能，接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力，特别适合使用在室内等多径密集的场合，同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高精度。

(4)保密性强

多数情况下，UWB信号的功率谱密度相当于自然的电子噪声，采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。由于UWB的发射功率低，信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增强了系统的安全性。

(5)穿透力强

窄脉冲具有很强的穿透力，UWB具有比红外线更广泛的应用，如帮助警察搜寻隔墙的逃犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物罩而的人们。此外，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统，超宽带技术还能实现隔墙成像等。

(6)定位精度高

信号的距离分辨力与信号的带宽成正比。由于超宽带信号的超宽频带特性，使得UWB系统的距离分辨精度是其它系统的成百上千倍。UWB信号脉冲宽度在纳秒级，其对应的距离分辨能力可高达厘米级，这是其它窄带系统所无法比拟的。较高的距离分辨精度也使得超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位、跟踪，定位与通信功能的融合也扩展了超宽带系统的应用范围。

4.4亚米级卫星（非RTK）定位技术

4.4.1概述

卫星定位系统由以下三个部分组成：空间部分(卫星)、地面监控部分和用户部分。卫星可连续向用户播发用于进行定位的测距信号，并接收来自地面监控系统的各种信息和命令以维持系统的正常运转。地面监控系统的主要功能是：跟踪卫星，对其进行距离测量，确定卫星的运行轨道及卫星钟改正数，进行预报后，再按规定格式编制成导航电文，并通过注入站送往卫星。用户则用接收机来测定从接收机至卫星的距离，并根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星在空间的位置等信息求出自己的三维位置、三维运动速度和钟差等参数。

我司的亚米级卫星（非RTK）定位技术，采用高性能的双频 GNSS 定位模块，支持新一代北斗三号信号体制（B1C、B2a）, 同时支持导航卫星系统定位模式包括GPS、BDS、GLONASS、Galieo、SBAS。由普通定位模块支持的10多个GNSS追踪通道扩大到40个GNSS追踪通道。为了更好的接收卫星信号采用了多波段高灵敏度有源天线，使搜星能力显著增强。经过对电路优化设计和通过搜星能力的增强，对多星信号分析算法处理，使精度大幅提升。在不依赖自建RTK差分基站和提供的RTK差分服务的运营商的情况下将精度提升到1.0米左右。

4.4.2优势

(1)搜星能力强

由普通定位模块支持的10多个GNSS追踪通道扩大到40个GNSS追踪通道。

(2)定位精度高

我司亚米级卫星（非RTK）定位技术能够在不借助RTK差分站的情况下，由普通卫星定位10米左右的定位精度提至亚米级定位精度。

(3)数据保密性高

我司亚米级卫星（非RTK）定位技术无需借助RTK差分站实现亚米级定位精度，因此数据无需经过RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务实现数据中转。

(4)维护成本低

RTK差分校准基站需要客户专人维护或依靠厂家维护，而我司提供的亚米级卫星（非RTK）则无需RTK差分校准基站，无需维护。

(5)依赖性低

不需要依赖RTK差分校准基站或RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务即可实现亚米级定位。

(6)不受区域限制

差分校正需要在自建RTK差分基站的覆盖范围内或有RTK差分服务的区域才能够实现亚米级定位，而我司提供的亚米级卫星（非RTK）则无需RTK差分校准基站，即不受其区域限制。

(7)费用低

用普通卫星定位的费用即可达到亚米级卫星（非RTK）定位的精度。差分校正需要自建RTK差分基站和维护或交RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务费才能够使用。

(8)数据延时小，即收即推

RTK差分校正需要基站校准处理或用RTK差分服务运营商提供的RTK差分校准服务数据中转，RTK差分服务解算量大时会导致处理延时、数据传输不畅和卡顿等情况。

(9)全球覆盖

通过人造地球卫星，全天24小时随时在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置及精确的时间信息。

(10)实时性

卫星信号可以实时传输，因此卫星定位技术能够提供实时的位置信息。

(11)可靠性

卫星定位技术的准确性和可靠性已经得到广泛验证，在各种应用场景下都能够提供稳定的定位服务。

4.5系统架构设计

4.5.1定位系统架构

系统支持灵活的网络架构，从而实现不同应用环境下定位功能。一个典型的定位网络由四部分构成：感知层（卫星、定位基站、定位终端）、传输层（数据传输通道）、解算层（定位引擎服务器）、应用层（平台软件）。其中定位基站分布于场景区域的几何边缘，并对该区域进行信号覆盖；定位终端附着在定位对象表面；当终端进入基站或卫星的信号覆盖范围内，即自动与基站或卫星建立联系；基站或卫星依据内置规则完成数据的获取，并通过数据传输通道发送至定位引擎服务器，进而计算出定位终端的实际位置；定位引擎服务器支持大容量标签网络的原始数据获取、位置解算与坐标输出；在平台软件上实现具体业务需求，并将各功能展现出来。

定位系统架构

4.5.2系统软件框架

系统软件框架为二三维交互+终端APP形式，二维框架实现数据接入、定位平面应用，三维矿区实现多源数据耦合，实现结合定位数据的综合应用，移动终端完成定位末端简洁化操作，实现功能闭环。

基于危险源的人员定位管控系统框架展示

4.5.2.1部署架构

平台支持云端集群部署（三维云渲染推流B/S）与客户端独立部署（三维C/S）两种方式并行的部署方式，既能满足普通电脑驱动复杂三维可视化系统的需求，又能满足具有高配置硬件（如集控室设备）独立高效驱动三维可视化系统的需求。

平台支持GPU服务器部署及超融合私有云部署，从性能方面考虑推荐采用GPU服务器部署方式。

系统部署架构

4.6定位模式选取

各区域选用不同的定位模式，结合三维数字孪生平台，实现三维定位效果。

4.6.1室外区域

矿区的生产区域及生活区室外区域，采用亚米级卫星（非RTK）定位技术在平台上进行融合；

4.6.2室内区域

（1）各个配电室等大面积区域采用二维平面（2D）和一维线性（1D）相结合的定位方式；

（2）针对区域内的单个面积较小管理用房，各房间采用零维存在性（0D）定位方式；

4.7基站安装

系统为了实现快速部署，采用有线基站和交换机或光纤收发器相结合的方式。基站采用单独电源供电或POE供电，基站与交换机采用星型连接方式，可充分利用智能化专网原有网络布线。这种方式极大减少布线，又节省网络交换机，使整个系统架构大大简化、降低了施工难度、对原有装修、装饰、路面破坏较小。定位基站安装后，维护人员可以通过指示灯状态判别定位基站的状态。

根据不同区域，可选择使用室内基站或防爆基站，定位基站便于安装，可采用吸顶、壁装、吊装或立杆安装方式，可安装在矿区工字钢等钢结构柱或建筑墙壁上。定位基站通过POE供电或单独电源供电，定位基站安装后，维护人员可以通过指示灯状态判别定位基站的状态。

定位基站安装如下：

6.1社会效益：

①助力矿业企业由传统型企业向数字化企业转型，顺应时代发展潮流，同时也推动时代潮流发展，对加快数字化进程起着重要的作用。

②使煤矿产业成为安全产业，维护人们生命和财产安全、维护社会稳定的公益产业，具有重要的社会意义和社会价值。

6.2经济效益：

①解决各部门业务流程信息化需求越来越多，工作效率低的问题，实现无纸化办公。

②实现煤矿开采的风险管控与优化管理功能，通过数据分析与挖掘，实现故障诊断以及设备健康管理，以及设备状态检修和预测性维护，节约人工成本，缩短故障查找时间。

6.3管理效益：

①实现爆破、巡检等生产活动全方面规范化管理；实现矿区工作人员设备状态全息感知、运营管理数据全面连接、业务服务流程全程在线，进一步提升矿区的运营管理效率。

②依托UWB+亚米级卫星（非RTK）定位融合、物联网、智能安防等技术，通过人员定位设备，实时记录工作人员在矿区的位置信息，并管控相应工作区域。提升工作人员在矿区工作的规范性和效率。