CN114245293A - 一种基于uwb和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法，UWB定位基站与物联网关连接构成无线网络，用于检测进入网络设定范围内的定位车载终端和定位工卡，定位车载终端和定位工卡之间采用无线方式连接用于实现距离测量，定位工卡内设置有UWB定位开关和北斗定位模块，定位工卡通过UWB定位开关或北斗定位模块与UWB定位基站连接，UWB定位基站通过物联网关与定位系统服务器连接。可实现自动地、精准地推送告警信息，智能化提示现场人员注意风险防范，减少安全事故。

Description

一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及 方法

技术领域

本发明属于煤矿管控技术领域，具体涉及一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法。

背景技术

目前露天煤矿生产企业普遍面临较大安全生产与管理压力，无法针对现场作业人员及车辆的安全进行实时管理，现场高危作业无法做到实时有效监管，一线人员安全管理存在隐患，其中最主要问题在于无法现场人员及车辆的实时位置纳入管理，所以针对于露天煤矿生产区域的人员车辆的精准定位需求应运而生。

矿区需部署定位基站以实现精准定位，如采用传统的GPS或北斗定位方式，其定位精度一般在5～10m，精准度无法保证，采用UWB超宽带技术可实现分米级的定位精度，但一般情况下，矿区现场面积较大，大部分室外区域无需实现高精准度的定位，如全部采用部署UWB基站的方式则成本过高，且随着国产定位系统北斗卫星组网成功，这两种定位方式的融合可以取得精准度与成本之间的平衡，既可保障定位效果，又无需大量布设定位基站，节省企业综合成本。此外，获取到人员与车辆的实时位置须加以利用，根据现场环境与风险的分布情况，对人员与车辆进行智能化、自动化的告警提示就尤为重要，通过开发配套软件可实现人员或车辆越界后的告警信息联动，起到安全提示作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法，针对露天煤矿生产现场不同区域与不同岗位的位置定位，进而实现对应的风险告警信息自动化、智能化、精准化推送，尤其针对基于UWB、北斗、物联网技术以实现位置信息联动的告警提示模式。

本发明采用以下技术方案：

基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，包括UWB定位基站，UWB定位基站与物联网关连接构成无线网络，用于检测进入网络设定范围内的定位车载终端和定位工卡，定位车载终端和定位工卡之间采用无线方式连接用于实现距离测量，定位工卡内设置有UWB定位开关和北斗定位模块，定位工卡通过UWB定位开关或北斗定位模块与UWB定位基站连接，UWB定位基站通过物联网关与定位系统服务器连接。

具体的，定位工卡和定位车载终端上均设置有报警装置。

具体的，定位系统服务器与手持终端连接。

具体的，UWB定位基站包括多个，多个UWB定位基站设置在矿区生产现场。

进一步的，UWB定位基站采用电池供电，与物联网关之间通过LoRa网络连接实现无线组网。

具体的，定位工卡与UWB定位基站之间通过双向测距方法连接。

进一步的，双向测距方法采用TOF测距方法。

本发明的另一技术方案是，基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统的工作方法，包括以下步骤：

UWB定位基站发送UWB脉冲信号，当定位工卡检测到UWB脉冲信号后，通过TOF测距技术解算定位工卡的实时坐标位置，通过数据回传，安全管控系统同步显示定位工卡的坐标与运动轨迹，当定位工卡检测不到附近存在UWB脉冲信号时，切换至北斗定位模式，检测北斗定位卫星信号，将北斗坐标回传至定位系统服务器，实现坐标与运动轨迹定位。

具体的，其特征在于，当定位工卡进入危险区域时，安全管控系统检测实时坐标与设立了电子围栏的区域坐标点重合，UWB定位基站向上级物联网关回传定位工卡的数据信息，通过实时位置坐标判定定位工卡所处的电子围栏内部的风险等级，向手持终端和定位工卡发出告警提示信息。

进一步的，定位系统服务器向APP后台服务器发送数据并存储在数据库中，新插入的数据状态默认设置为未接收状态，App终端采用长轮询方式向定位系统服务器发出HTTP请求，建立连接，定位系统服务器阻塞请求直到有数据传递或请求超时才返回，当定位系统服务器数据库表中存在有状态为未接收的信息记录，定位系统服务器根据对应记录中的员工ID、区域ID、风险告知资料ID字段查询到对应员工信息，并将告警提示作为待办消息推送到对应员工的手持终端，本次连接关闭并建立新的连接，对应手持终端接收并查看告警信息，APP后台将告警消息的状态置为已接收。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，能够对露天煤矿生产现场实现精准实时定位，进而能够对场的人员及车辆进行安全管控的系统；旨在通过简单便捷的部署形式与张弛有度的定位效果，让管理者可以了解现场工作人员与车辆的实时位置与运动轨迹，再结合矿区生产现场的风险点位或危险源区域分布，设立人员禁出禁入围栏，当人员或车辆越界，系统可实现精准地、自动地推送告警信息，智能化提示人员注意风险防范，保障人身安全。

进一步的，定位工卡上设置有报警装置(如蜂鸣器、闪光灯等)，使系统可以在人员进入危险源区域的第一时间内通过这些装置对员工本人进行提醒，提示其已进入危险源区域，注意自身安全防范；同样的，定位车载终端上设置报警装置的目的就是为了人车交叉作业时，如果系统检测到人车距离小于安全规避距离，则车载终端即可发出警报声，提示驾驶人员车体附近存在工作人员，注意车辆运行造成的伤害。

进一步的，定位系统服务器与手持终端通过网络形式相连接，人员信息与手持终端绑定，完成数据交互，当人员进入危险区域时，服务器接收到信息之后，可以迅速研判，触发告警，并按照系统中设定的对应规则向终端推送和下发学习视频。

进一步的，UWB定位技术即超宽带定位技术，其主要特点在于利用纳秒级的脉冲信号传输数据，频谱范围宽，与此同时，高频段与低功率导致UWB信号穿透性就相对较差，尤其是在工业园区内部数以千米计算的传输范围，就必定需要通过增加定位基站的方式来实现信号的稳定传输，保障定位的准确性。

进一步的，UWB定位基站数量较多的情况下，如果采用传统的有线网络或POE供电方式，则需针对每一个定位基站都设置专门的电缆和光纤，施工量较大，整个建设方案所需耗材较多，成本较高；基于此，UWB定位基站统一采用电池供电的形式，通过LoRa物联网关实现数据交互，整个系统无线组网，大大减少施工工作量和综合成本。

进一步的，在此方案中，定位基站主要的作用是在系统地图上进行点位标记，定位工卡与定位基站之间通过UWB方式实现信号传输和数据交互，得到传输距离，再通过比例尺换算得到地图上显示的位置信息，工卡与三个以上的UWB基站之间进行数据交互，从而确定工卡实际位置。

进一步的，测距方法目前主要有TOF，TOA，TDOA，AOA等，TOF指飞行时间法，其算法简单，只需计算发送时间与接收时间之差，再乘以电磁波速度即可得到两点之间的距离，TOA、TDOA等算法需要信号在不同基站之间多次传输并确认，实现较为复杂。

一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统的工作方法，整个系统设计了两种定位方式，分别是UWB与北斗卫星定位，就定位精度分别在亚米级和10m左右，两种定位方式的切换通过检测一个数据上报周期内是否存在UWB定位基站的信号来判断，如果检测到UWB基站信号，就使用UWB定位方式；如果在一个数据上报周期内没有检测到UWB基站信号，则自动开启北斗定位方式，此工作方法即可实现UWB与北斗的定位方式无缝快速切换，做到定位精度的可调整，减少一部分非必要的精度投入，兼顾企业成本。

进一步的，危险区域可以通过系统实现的电子围栏功能进行预先设置，触发方式主要分为禁出禁入、超时滞留、超员缺员等，可以根据不同区域不同形状不同管控措施分别设置告警条件，当人员进入电子围栏时，系统同样视为危险源告警，并且推送相关的学习视频进行提示。

进一步的，定位系统服务器根据对应记录中的员工ID、区域ID、风险告知资料ID字段查询到对应员工信息，并将告警提示作为待办消息推送到对应员工的手持终端，对应手持终端接收并查看该告警信息后，APP后台将告警消息的状态置为已接收，通过这种方式，系统可以更快组织告警消息进行推送下发，也可以记录员工的危险源知识学习情况，研判告警下发之后员工是否按规进行学习，从而进一步可以对员工的日常行为做出考核和管理。

综上所述，本发明对露天煤矿生产现场实现精准实时定位，进而能够对现场的人员及车辆进行安全管控；旨在通过简单便捷的部署形式与张弛有度的定位效果，实现对现场工作人员与车辆的时位置与运动轨迹的管控，再结合矿区生产现场的风险点位或危险源区域分布，设立人员禁出禁入围栏，当人员越界或人车交叉距离过近，系统可实现自动地、精准地推送告警信息，智能化提示现场人员注意风险防范，减少安全事故。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明数据走向图；

图2为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，本发明一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法，包括物联网关、UWB定位基站、定位车载终端和定位工卡；

物联网关和UWB定位基站部署在矿区生产现场，并进行无线组网，定位车载终端安装在车辆驾驶室内，定位工卡佩戴在工作人员身上，定位工卡与定位基站之间进行交互，得到相对位置数据，由工卡将此数据上传至物联网关，每个定位基站也会将自身的工作状态、硬件信息(例如电池信息)上传至物联网关，使系统操作人员可以知晓硬件的工作情况；车载终端会与工卡进行数据交互，判断是否距离过近从而产生警报信息，车载终端同样会将自身工作状态和硬件信息(例如定位)上传至物联网关，物联网关通过有线方式与服务器控制系统进行连接。

物联网关用于，物联网关主要提供LoRa网络无线通信通道，类似于4G网络，本方案中所有终端最终的数据上报都是通过LoRa信号进行传输，由物联网关进行接收并传输到系统服务器，此外，终端的硬件信息、工作状态以及相关配置的下发，都是通过物联网关进行传输

UWB定位基站用于，定位基站的功能主要在于点位标记以及和工卡进行数据交互，从而利用算法得出与工卡之间的距离，形成一组定位数据，并且由工卡发送到物联网关，最终由服务器相关系统服务对工卡的实际位置进行计算，得出工卡实际的位置信息，并显示在系统地图上。

定位车载终端用于，安装在生产现场的工程车辆内部，通过车辆自身电池进行供电，通电开机后可上报车辆位置信息，并且配合系统功能实现车辆运行轨迹的记录和展示，此外，终端也有UWB定位模块，可以检测周围的定位工卡并进行测距，如果所测量距离小于系统所设置的安全界限距离，就发出警报声，并且警示灯闪烁，提示司机进行注意，防范人身伤害事故。

定位工卡用于，员工随身携带，可按照一定频率与周围的UWB定位基站进行数据交互，得到相对定位基站的一组距离值，并且将这组值发送至物联网关，服务器接收到这组数据之后进行解算即可得到工卡的实际位置，并且显示在系统的地图之上。

通过屏幕展示矿区三维精细地图或二维平面图纸，实现二维三维立体切换，图纸比例尺与实际位置坐标一一对应，将UWB定位基站安装的坐标点位对应地在地图上进行标定；

现场工作人员佩戴定位工卡，当检测到附近有UWB基站信号时，通过TOF(飞行时间差)测距技术，解算出定位工卡的实时位置坐标，精度可达到30CM，数据传输后显示在安全管控系统中的地图上，通过安全管控系统实时显示人员位置；

当定位工卡检测不到附近存在UWB脉冲信号时，则自动关闭UWB定位开关，自动开启北斗定位模式，通过数据传输并将员工实时位置显示在地图上，这样便实现了两种定位方式的融合，由于采用自动切换定位方式的形式，可以减少人力，提高切换效率。

现场工程车辆驾驶室安装车辆定位终端，同样具备测距技术，当检测到附近出现定位工卡信号时，判断为现场工程车辆附近有工作人员，此时定位车载终端及定位工卡同时发出告警，提示驾驶员注意规避行人，安全驾驶；也提醒工作人员注意防范车辆，避免伤害。

此外，结合现场的风险分布及危险级别划分情况，可以在安全管控系统上通过标注某几个信标的方式划定人员禁入/禁出区域，结合人员实时坐标位置，实现危险源区域的电子围栏设立，当安全管控系统检测到人员或车辆实时位置已进入危险区域或脱离安全管控区域，安全管控系统数据将通过关联员工的手机APP推送告警信息，发出声光警报，定位工卡联动进行红灯闪烁，提示现场人员危险，注意自身安全防范。

请参阅图2，本发明一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法的工作过程如下：

首先确保现场员工已佩戴定位工卡，且配有智能手持终端设备，安装有专用的APP，每个人使用自己的员工ID保持登录状态。

员工佩戴定位工卡在矿区现场行走，矿区现场部署UWB定位基站，向外发送UWB脉冲信号，当定位工卡检测到UWB脉冲信号，则通过TOF测距技术解算出定位工卡的实时坐标位置，通过数据回传，安全管控系统同步显示其实定位工卡的坐标与运动轨迹，当定位工卡检测不到附近存在UWB脉冲信号时，则自动切换至北斗定位模式，检测北斗定位卫星信号，将北斗坐标回传至定位系统服务器，如此便实现两种定位方式的融合。

当员工佩戴工卡进入危险区域时，系统检测到其实时坐标与设立了电子围栏的区域坐标点重合，表明此时员工已进入危险源区域范围，此时定位基站向上级物联网关回传此定位工卡数据信息，包括：员工信息、位置坐标、触发时间等，系统收到信息后，会根据人员信息判定是哪一位员工，通过实时位置坐标判定此时员工所处的电子围栏内部的风险等级，自动地组织告警提示信息。

定位系统将提示信息下发，此时同步调用一次APP的后台服务器接口，将该条告警提示信息发送给APP后台服务器，传输的数据包括：员工ID、区域ID、风险等级、风险告知资料ID等。

APP后台服务器接收到定位系统服务器传来的数据后将其插入并存储在数据库中，新插入的数据的状态默认设置为“未接收”状态。App终端采用“长轮询”方式向服务器发出HTTP请求，建立连接，服务器会阻塞请求直到有数据传递或请求超时才返回，如数据库表中存在有状态为“未接收”的信息记录，则服务器将根据该条记录中的员工ID、区域ID、风险告知资料ID等字段查询到对应员工和资料，并最终将该告警提示作为待办消息推送到该名员工的手持终端上，随即本次连接关闭并建立新的连接，通过这种方式实现高实时性与可用性兼顾的消息推送和告警下发机制。当员工点击该条待办消息后，即可接收并查看该告警信息。在员工完成点击查看信息后，APP后台会将对该条告警消息的状态置为“已接收”，此时告警提示解除，员工也了解了本区域内各种风险及防范措施，可正常进行工作开展。

如此便通过此方案实现了两种定位方式的融合与告警消息联动提示的功能。

综上所述，本发明一种基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统及方法具有以下特点：

通过融合UWB与北斗两种定位方式，能够综合节省企业成本，不仅可以实现大范围内的定位需求，节省企业综合成本，还可以取得极高的定位精准度；

采用无线的方式进行基站部署和设备组网，节省成本与施工时间；

对现场人员车辆进行实时管控，加强企业安全管理水平。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，包括UWB定位基站，UWB定位基站与物联网关连接构成无线网络，用于检测进入网络设定范围内的定位车载终端和定位工卡，定位车载终端和定位工卡之间采用无线方式连接用于实现距离测量，定位工卡内设置有UWB定位开关和北斗定位模块，定位工卡通过UWB定位开关或北斗定位模块与UWB定位基站连接，UWB定位基站通过物联网关与定位系统服务器连接。

2.根据权利要求1所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，定位工卡和定位车载终端上均设置有报警装置。

3.根据权利要求1所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，定位系统服务器与手持终端连接。

4.根据权利要求1所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，UWB定位基站包括多个，多个UWB定位基站设置在矿区生产现场。

5.根据权利要求4所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，UWB定位基站采用电池供电，与物联网关之间通过LoRa网络连接实现无线组网。

6.根据权利要求1所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，定位工卡与UWB定位基站之间通过双向测距方法连接。

7.根据权利要求6所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统，其特征在于，双向测距方法采用TOF测距方法。

8.根据权利要求1所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

UWB定位基站发送UWB脉冲信号，当定位工卡检测到UWB脉冲信号后，通过TOF测距技术解算定位工卡的实时坐标位置，通过数据回传，安全管控系统同步显示定位工卡的坐标与运动轨迹，当定位工卡检测不到附近存在UWB脉冲信号时，切换至北斗定位模式，检测北斗定位卫星信号，将北斗坐标回传至定位系统服务器，实现坐标与运动轨迹定位。

9.根据权利要求8所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统的工作方法，其特征在于，当定位工卡进入危险区域时，安全管控系统检测实时坐标与设立了电子围栏的区域坐标点重合，UWB定位基站向上级物联网关回传定位工卡的数据信息，通过实时位置坐标判定定位工卡所处的电子围栏内部的风险等级，向手持终端和定位工卡发出告警提示信息。

10.根据权利要求9所述的基于UWB和北斗定位的煤矿人员车辆安全管控系统的工作方法，其特征在于，定位系统服务器向APP后台服务器发送数据并存储在数据库中，新插入的数据状态默认设置为未接收状态，App终端采用长轮询方式向定位系统服务器发出HTTP请求，建立连接，定位系统服务器阻塞请求直到有数据传递或请求超时才返回，当定位系统服务器数据库表中存在有状态为未接收的信息记录，定位系统服务器根据对应记录中的员工ID、区域ID、风险告知资料ID字段查询到对应员工信息，并将告警提示作为待办消息推送到对应员工的手持终端，本次连接关闭并建立新的连接，对应手持终端接收并查看告警信息，APP后台将告警消息的状态置为已接收。

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