基于通訊網(wǎng)絡(luò)及智能照明系統(tǒng)的選煤廠人員的定位系統(tǒng)

侯強(qiáng) 王俊峰 南朝云

摘要：為了解決智能化選煤廠建設(shè)帶來的人員減少、崗位工巡檢區(qū)域擴(kuò)大、作業(yè)范圍廣，日常管理困難問題。本文對(duì)常用的基于ZigBee定位及WiFi定位系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，基于上灣選煤廠現(xiàn)有的智能照明人員定位系統(tǒng)，提出了一種基于通訊網(wǎng)絡(luò)及智能照明系統(tǒng)相結(jié)合的人員定位系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效提高人員定位準(zhǔn)確度，能實(shí)現(xiàn)選煤廠人員定位全域覆蓋，實(shí)現(xiàn)照明的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制，攝像頭聯(lián)動(dòng)及錄制等一系列功能。

關(guān)鍵字：人員定位;通信網(wǎng)絡(luò);智能照明;寬帶集群

引言

近年來各煤炭企業(yè)智能化選煤廠建設(shè)不斷深入，設(shè)備自動(dòng)化、智能化控制水平不斷提升，選煤廠崗位工巡視區(qū)域逐漸變大，一個(gè)人需要巡視多個(gè)作業(yè)點(diǎn)，人員在廠區(qū)流動(dòng)性大，給選煤廠人員安全管理，帶來很大困難。上灣選煤廠由于近幾年智能化改造，崗位巡檢人員不斷減少，在突發(fā)狀況時(shí)無法決定人員具體位置，無法查看崗位巡視軌跡，對(duì)崗位人員的安全定位及無人巡檢區(qū)域的管理顯得尤其重要。為解決上述問題上灣選煤廠在選煤廠智能化建設(shè)過程中將原有照明系統(tǒng)更換為帶有人員定位功能的智能LED照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過人員隨身攜帶的定位卡進(jìn)行照明控制，實(shí)現(xiàn)人走燈滅且能對(duì)人員進(jìn)行定位，達(dá)到最大程度降低能耗及員工管理的目的。本文在現(xiàn)有的智能照明系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分析幾種定位系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種適用于選煤廠的人員定位系統(tǒng)。

1選煤廠人員定位系統(tǒng)

1.1選煤廠人員定位特點(diǎn)

人員定位技術(shù)已經(jīng)在煤礦及其他行業(yè)應(yīng)用多年，但選煤廠人員定位具有以下特點(diǎn)：

1） 廠區(qū)區(qū)域大，上灣選煤廠廠區(qū)覆蓋面積約1平方公里，且裝車車間涉及鐵路周邊區(qū)域。

2）生產(chǎn)車間多，各種結(jié)構(gòu)的建筑物多，如廠房、筒倉、棧橋、工業(yè)廣場(chǎng)、濃縮池等，定位應(yīng)僅能覆蓋生產(chǎn)區(qū)域及廠區(qū)其他區(qū)域。

3）倉下、濃縮池泵坑等位置GPS等信號(hào)收不到。

4）生產(chǎn)車間內(nèi)飛塵、瓦斯等有害氣體及水汽、振動(dòng)等因素，要求可靠性高的定位設(shè)備[1]。

針對(duì)選煤廠環(huán)境特點(diǎn)，需要研究適用于選煤廠的人員定位系統(tǒng)。

1.2 ZigBee人員定位系統(tǒng)

人們比較熟知的定位系統(tǒng)一般是GPS定位，目前藍(lán)牙定位、RFID定位、WiFi定位、基站定位、ZigBee定位等無線技術(shù)定位系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到各行業(yè)。而RFID射頻定位、ZigBee定位常用于工礦廠區(qū)人員定位。ZigBee定位具有成本低、能耗低、短距離、低速率、安全系數(shù)高等性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域。但由于數(shù)據(jù)速率比較低，不適合做視頻傳輸。容易受到電磁干擾和多徑效應(yīng)的影響，使所測(cè)得距離產(chǎn)生較大誤差[2-4]，且存在信號(hào)易受到遮擋消失、無法精確定位問題，全覆蓋的成本高、多套網(wǎng)絡(luò)的不兼容問題。由于ZigBee隨機(jī)接入MAC層，時(shí)分復(fù)用的信道接入方式無法實(shí)現(xiàn)，故針對(duì)一些實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)不能很好的支持。

1.3 WiFi人員定位

WiFi是一種寬帶無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相對(duì)ZigBee，傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、傳輸帶寬寬，最高能夠達(dá)到300m，且能夠接入網(wǎng)絡(luò)，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控傳輸。WiFi傳輸信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)周圍環(huán)境的情況調(diào)整傳輸速率[5]，網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性有一定保障，具有以下特點(diǎn)：

1）覆蓋范圍廣。在廠區(qū)開闊區(qū)域，覆蓋范圍可達(dá)300m;在封閉的環(huán)境下，覆蓋范圍能夠達(dá)到100m左右.

2）組網(wǎng)方便。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建無需鋪設(shè)電纜，且與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)能整合到一起，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、易行，普及性較強(qiáng)。

3）工作效率高。對(duì)數(shù)據(jù)交換和分組采用TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)工作效率高。

鑒于WIFI的人員定位系統(tǒng)具有強(qiáng)大的功能性與實(shí)用性，在選煤廠廠區(qū)安裝WIFI基站，實(shí)現(xiàn)WIFI覆蓋全廠形成一個(gè)無線局域網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)崗位人員每人手持專用設(shè)備通過WIFI網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饺藛T定位系統(tǒng)，車間管理人員可以通過人員定位系統(tǒng)查詢現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的實(shí)時(shí)位置信息、系統(tǒng)報(bào)警以及在某段時(shí)間內(nèi)改崗位工的位移信息。數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)后調(diào)度指揮中心、廠領(lǐng)導(dǎo)等可以通過互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)信息。因WiFi定位精度有限，且選煤廠廠區(qū)范圍大，部分區(qū)域WiFi信號(hào)弱或無法接收信號(hào)，按上灣廠區(qū)面積需要布置基站較多，且需要聯(lián)網(wǎng)情況下才能進(jìn)行定位，成本過高。

2 上灣選煤廠智能照明人員定位系統(tǒng)

2.1智能照明系統(tǒng)原理

上灣廠自動(dòng)化程度高，崗位人員少，廠區(qū)大，要求巡視人員離開巡視區(qū)域時(shí)燈具能自動(dòng)調(diào)低亮度或關(guān)閉以到達(dá)節(jié)能。巡檢人員隨身攜帶的定位終端會(huì)發(fā)送人來消息給燈具，燈具接收到定位消息后，根據(jù)設(shè)定決定是否開燈，巡視人員離開后，燈具一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到終端，則燈具關(guān)閉或調(diào)暗。

上灣選煤廠智能照明系統(tǒng)通過給每臺(tái)燈內(nèi)內(nèi)置無線通訊天線，各燈具之間基于ZigBee技術(shù)組網(wǎng)。巡檢人員隨身佩帶有源定位卡，通過對(duì)各個(gè)區(qū)域預(yù)先人為定義，系統(tǒng)會(huì)統(tǒng)計(jì)各區(qū)域人數(shù)、軌跡回放，在實(shí)現(xiàn)智能照明的，實(shí)現(xiàn)人員定位。

定位終端實(shí)時(shí)測(cè)算其與燈具的距離信息，并將距離數(shù)據(jù)傳輸給燈具，燈具通過無線網(wǎng)絡(luò)將收到的數(shù)據(jù)上傳至集中控制器。集中控制器將收集到的所有燈具定位數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器軟件結(jié)合參考點(diǎn)的坐標(biāo)與收到的定位數(shù)據(jù)，計(jì)算出人員位置。燈具在定位系統(tǒng)每一個(gè)都有固定坐標(biāo)，定位終端實(shí)時(shí)掃描燈具，在最優(yōu)的點(diǎn)集合進(jìn)行距離測(cè)試。終端通過分析與處理測(cè)試結(jié)果選定最優(yōu)的參考點(diǎn)，并將相關(guān)信息數(shù)據(jù)最終傳送至服務(wù)器，軟件系統(tǒng)根據(jù)終端與燈具的位置信息，結(jié)合廠區(qū)地圖得出人員坐標(biāo)。

兩個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)運(yùn)行機(jī)制為Ttof，即本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)Ttof報(bào)文給遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)，針對(duì)這個(gè)Ttof報(bào)文，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答。從發(fā)送Ttof信息到接收到應(yīng)答信息的時(shí)間為TTOT，減去回復(fù)ACK耗費(fèi)時(shí)間TTAT，即為信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間總的來回時(shí)間TRTT。假設(shè)信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間來回的時(shí)間相等，則計(jì)算公式如下：

Ttof——飛行時(shí)間

TRTT——信號(hào)在兩節(jié)點(diǎn)間來回總的時(shí)間

TTOT——發(fā)送信息到接收應(yīng)答時(shí)間

TTAT——遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)回復(fù)數(shù)據(jù)確認(rèn)所耗費(fèi)的時(shí)間

2.2上灣智能照明系統(tǒng)組成

該廠智能照明人員定位系統(tǒng)分為：由控制中心、節(jié)能LED燈控制管理終端（LCM）、智能控制終端（RTU）、路燈單燈節(jié)能控制器（LCU）、通訊系統(tǒng)等組成。通過在各個(gè)生產(chǎn)區(qū)域廠房、棧橋內(nèi)部署定位分站，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域定位信號(hào)覆蓋，能判別人員在生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)部還是外部。通過每層設(shè)立的分站能夠判別具體樓層。因?yàn)楦采w范圍有5-10m的距離，當(dāng)某個(gè)或幾個(gè)子站故障，不影響其他子站定位。但由于其需要布置設(shè)備較多，存在施工難，維護(hù)難，具有一定局限性，故只能在照明燈具用量大的廠房?jī)?nèi)布置，而廠區(qū)室外等位置無法實(shí)現(xiàn)人員定位，故該系統(tǒng)只能完成生產(chǎn)區(qū)域人員定位，一些未部署燈具的位置及廠區(qū)生活區(qū)域則無法定位。

2.3上灣智能照明系統(tǒng)功能

該單位智能照明人員定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查看位置信息、歷史軌跡、燈具亮度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等功能。

1）人員實(shí)時(shí)位置查看。根據(jù)人員定位卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域人員定位，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域人員數(shù)量。廠領(lǐng)導(dǎo)、車間帶班人員、調(diào)度室可以實(shí)時(shí)看到全廠生產(chǎn)系統(tǒng)總?cè)藬?shù)及各區(qū)域人數(shù)，可以查看某個(gè)區(qū)域人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)根據(jù)人員位置信息完成考勤。

2）人員歷史軌跡查看及回放。可以對(duì)選定人員的歷史軌跡進(jìn)行回放，對(duì)某個(gè)時(shí)間段歷史軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行播放。

3）燈具狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。能實(shí)現(xiàn)照明遠(yuǎn)程控制，對(duì)區(qū)域內(nèi)照明燈具的狀態(tài)巡檢、查詢、調(diào)整，故障情況能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，節(jié)約維護(hù)成本。燈具用電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能耗的分析。

4）自動(dòng)定時(shí)調(diào)光及關(guān)燈。通過判斷巡檢人員定位卡的位置，當(dāng)定位終端檢測(cè)接近燈具時(shí)，來控制現(xiàn)場(chǎng)燈具的開關(guān)及亮度，實(shí)現(xiàn)“人來燈亮、人走燈滅”，降低電耗。

3 基于4G網(wǎng)絡(luò)及智能照明技術(shù)的選煤廠全域人員定位系統(tǒng)

采用Witen（Wideband Trunking Enterprise Network）無線寬帶集群，通過在搭建4G或5G通信網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決WIFI人員定位無線通信網(wǎng)絡(luò)問題。無線寬帶集群解決了語音調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊木C合化應(yīng)用問題，為了滿足行業(yè)專網(wǎng)用戶指揮調(diào)度需求開發(fā)的無線寬帶集群通信網(wǎng)絡(luò)，專用無線寬帶集群通信系統(tǒng)面向特定行業(yè)應(yīng)用。需要無線寬帶集群網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息采集、處理，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻長傳、視頻調(diào)度指揮、GIS位置定位、移動(dòng)辦公等信息化。打造寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，與有線網(wǎng)絡(luò)深度融合，實(shí)現(xiàn)集群通信、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)輔助監(jiān)控監(jiān)測(cè)等功能，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

考慮以廠區(qū)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為主、支持運(yùn)營商4G、5G公用網(wǎng)、廠區(qū)專網(wǎng)和定位基站間自組網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸支撐，共同構(gòu)建的全方位、立體化、綜合數(shù)字化傳輸體系的高精度安全定位系統(tǒng)?？纱_保在某一傳輸系統(tǒng)故障時(shí)，可及時(shí)切換至其他傳輸系統(tǒng)，確保系統(tǒng)因意外造成的不穩(wěn)定、不正常傳輸，保障信息的及時(shí)性，可靠性。通過在上灣洗煤廠搭建通信網(wǎng)絡(luò)專用數(shù)據(jù)、通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)，選煤廠采用兩個(gè)射頻單元可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠區(qū)無線信號(hào)全覆蓋，生產(chǎn)人員配備4G、5G終端產(chǎn)品，終端開啟GPS定位，啟用后人員位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳輸給人員定位系統(tǒng)。

基于智能照明人員定位系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)廠區(qū)其他位置人員定位，通過4G、5G網(wǎng)絡(luò)及智能終端實(shí)現(xiàn)GPS定位，其適應(yīng)性強(qiáng)，不受選煤廠特殊環(huán)境影響，可以滿足廠區(qū)開闊區(qū)域的人員精確定位，可以全覆蓋廠區(qū)辦公樓、廠房、鐵路沿線以及廠區(qū)其他區(qū)域定位，但其無法滿足廠房、辦公樓等室內(nèi)區(qū)域精確定位，無法具體到樓層，而只能照明人員定位系統(tǒng)則很好解決此問題，通過將通信網(wǎng)絡(luò)及智能照明相結(jié)合的人員定位系統(tǒng)，完全滿足選煤廠人員定位要求，可以實(shí)現(xiàn)人員廠區(qū)具體區(qū)域的縱向定位以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)具體地點(diǎn)的橫向定位。同時(shí)將該定位系統(tǒng)與廠區(qū)照明、攝像頭聯(lián)動(dòng)，人員定位系統(tǒng)可以根據(jù)崗位人員巡視軌跡，實(shí)現(xiàn)照明、監(jiān)控聯(lián)動(dòng)，降低電耗。同時(shí)根據(jù)人員定位信息可以實(shí)現(xiàn)人員詳細(xì)軌跡紀(jì)錄，管理人員提前在智能終端中下達(dá)巡視任務(wù)，定位系統(tǒng)根據(jù)定位自動(dòng)確認(rèn)巡視任務(wù)，對(duì)選煤廠安全生產(chǎn)具有重大意義。

4結(jié)語

基于通信網(wǎng)絡(luò)及智能照明技術(shù)的選煤廠全域人員定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)照明的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制，人員信息定位、電子圍欄報(bào)警、人員歷史軌跡紀(jì)錄、攝像頭聯(lián)動(dòng)及錄制、崗位考勤、簽到，巡檢任務(wù)確認(rèn)等功能，對(duì)選煤廠安全管理具有很大提升，通過人員定位系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人員管理、保障安全生產(chǎn)、優(yōu)化管理的目的。

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作者簡(jiǎn)介：侯強(qiáng)（1988—），男，籍貫：陜西咸陽， 學(xué)歷：本科，職稱：工程師，從事機(jī)電設(shè)備管理。