论文部分内容阅读
摘要：为了解决智能化选煤厂建设带来的人员减少、岗位工巡检区域扩大、作业范围广，日常管理困难问题。本文对常用的基于ZigBee定位及WiFi定位系统的优缺点进行比较，基于上湾选煤厂现有的智能照明人员定位系统，提出了一种基于通讯网络及智能照明系统相结合的人员定位系统，结果表明该系统可以有效提高人员定位准确度，能实现选煤厂人员定位全域覆盖，实现照明的动态调节、自动控制，摄像头联动及录制等一系列功能。
关键字：人员定位;通信网络;智能照明;宽带集群
引言
近年来各煤炭企业智能化选煤厂建设不断深入，设备自动化、智能化控制水平不断提升，选煤厂岗位工巡视区域逐渐变大，一个人需要巡视多个作业点，人员在厂区流动性大，给选煤厂人员安全管理，带来很大困难。上湾选煤厂由于近几年智能化改造，岗位巡检人员不断减少，在突发状况时无法决定人员具体位置，无法查看岗位巡视轨迹，对岗位人员的安全定位及无人巡检区域的管理显得尤其重要。为解决上述问题上湾选煤厂在选煤厂智能化建设过程中将原有照明系统更换为带有人员定位功能的智能LED照明系统，该系统可以通过人员随身携带的定位卡进行照明控制，实现人走灯灭且能对人员进行定位，达到最大程度降低能耗及员工管理的目的。本文在现有的智能照明系统基础上，分析几种定位系统优缺点，提出了一种适用于选煤厂的人员定位系统。
1选煤厂人员定位系统
1.1选煤厂人员定位特点
人员定位技术已经在煤矿及其他行业应用多年，但选煤厂人员定位具有以下特点：
1） 厂区区域大，上湾选煤厂厂区覆盖面积约1平方公里，且装车车间涉及铁路周边区域。
2）生产车间多，各种结构的建筑物多，如厂房、筒仓、栈桥、工业广场、浓缩池等，定位应仅能覆盖生产区域及厂区其他区域。
3）仓下、浓缩池泵坑等位置GPS等信号收不到。
4）生产车间内飞尘、瓦斯等有害气体及水汽、振动等因素，要求可靠性高的定位设备[1]。
针对选煤厂环境特点，需要研究适用于选煤厂的人员定位系统。
1.2 ZigBee人员定位系统
人们比较熟知的定位系统一般是GPS定位，目前蓝牙定位、RFID定位、WiFi定位、基站定位、ZigBee定位等无线技术定位系统已经应用到各行业。而RFID射频定位、ZigBee定位常用于工矿厂区人员定位。ZigBee定位具有成本低、能耗低、短距离、低速率、安全系数高等性能，广泛应用于工业自动化、家庭自动化等领域。但由于数据速率比较低，不适合做视频传输。容易受到电磁干扰和多径效应的影响，使所测得距离产生较大误差[2-4]，且存在信号易受到遮挡消失、无法精确定位问题，全覆盖的成本高、多套网络的不兼容问题。由于ZigBee随机接入MAC层，时分复用的信道接入方式无法实现，故针对一些实时的业务不能很好的支持。
1.3 WiFi人员定位
WiFi是一种宽带无线网络技术，相对ZigBee，传输距离远、传输速率高、传输带宽宽，最高能够达到300m，且能够接入网络，满足生产现场的数据传输、视频监控传输。WiFi传输信号时，会根据周围环境的情况调整传输速率[5]，网络的可靠性和稳定性有一定保障，具有以下特点：
1）覆盖范围广。在厂区开阔区域，覆盖范围可达300m;在封闭的环境下，覆盖范围能够达到100m左右.
2）组网方便。网络的构建无需铺设电缆，且与现有的有线以太网能整合到一起，实现方式简单、易行，普及性较强。
3）工作效率高。对数据交换和分组采用TCP/IP协议，网络工作效率高。
鉴于WIFI的人员定位系统具有强大的功能性与实用性，在选煤厂厂区安装WIFI基站，实现WIFI覆盖全厂形成一个无线局域网，现场岗位人员每人手持专用设备通过WIFI网络传输到人员定位系统，车间管理人员可以通过人员定位系统查询现场作业人员的实时位置信息、系统报警以及在某段时间内改岗位工的位移信息。数据接入互联网后调度指挥中心、厂领导等可以通过互联网查询相关信息。因WiFi定位精度有限，且选煤厂厂区范围大，部分区域WiFi信号弱或无法接收信号，按上湾厂区面积需要布置基站较多，且需要联网情况下才能进行定位，成本过高。
2 上湾选煤厂智能照明人员定位系统
2.1智能照明系统原理
上湾厂自动化程度高，岗位人员少，厂区大，要求巡视人员离开巡视区域时灯具能自动调低亮度或关闭以到达节能。巡检人员随身携带的定位终端會发送人来消息给灯具，灯具接收到定位消息后，根据设定决定是否开灯，巡视人员离开后，灯具一定时间内检测不到终端，则灯具关闭或调暗。
上湾选煤厂智能照明系统通过给每台灯内内置无线通讯天线，各灯具之间基于ZigBee技术组网。巡检人员随身佩带有源定位卡，通过对各个区域预先人为定义，系统会统计各区域人数、轨迹回放，在实现智能照明的，实现人员定位。
定位终端实时测算其与灯具的距离信息，并将距离数据传输给灯具，灯具通过无线网络将收到的数据上传至集中控制器。集中控制器将收集到的所有灯具定位数据通过光纤网络传输至服务器，服务器软件结合参考点的坐标与收到的定位数据，计算出人员位置。灯具在定位系统每一个都有固定坐标，定位终端实时扫描灯具，在最优的点集合进行距离测试。终端通过分析与处理测试结果选定最优的参考点，并将相关信息数据最终传送至服务器，软件系统根据终端与灯具的位置信息，结合厂区地图得出人员坐标。
两个zigbee节点运行机制为Ttof，即本地节点发送一个Ttof报文给远端节点，针对这个Ttof报文，远端节点会回复一个应答。从发送Ttof信息到接收到应答信息的时间为TTOT，减去回复ACK耗费时间TTAT，即为信号在两节点间总的来回时间TRTT。假设信号在两节点间来回的时间相等，则计算公式如下： Ttof——飞行时间
TRTT——信号在两节点间来回总的时间
TTOT——发送信息到接收应答时间
TTAT——远端节点回复数据确认所耗费的时间
2.2上湾智能照明系统组成
该厂智能照明人员定位系统分为：由控制中心、节能LED灯控制管理终端（LCM）、智能控制终端（RTU）、路灯单灯节能控制器（LCU）、通讯系统等组成。通过在各个生产区域厂房、栈桥内部署定位分站，实现生产区域定位信号覆盖，能判别人员在生产区域内部还是外部。通过每层设立的分站能够判别具体楼层。因为覆盖范围有5-10m的距离，当某个或几个子站故障，不影响其他子站定位。但由于其需要布置设备较多，存在施工难，维护难，具有一定局限性，故只能在照明灯具用量大的厂房内布置，而厂区室外等位置无法实现人员定位，故该系统只能完成生产区域人员定位，一些未部署灯具的位置及厂区生活区域则无法定位。
2.3上湾智能照明系统功能
该单位智能照明人员定位系统可以实时查看位置信息、历史轨迹、灯具亮度实时调节等功能。
1）人员实时位置查看。根据人员定位卡，实现对各区域人员定位，统计该区域人员数量。厂领导、车间带班人员、调度室可以实时看到全厂生产系统总人数及各区域人数，可以查看某个区域人员实时动态信息，实现根据人员位置信息完成考勤。
2）人员历史轨迹查看及回放。可以对选定人员的历史轨迹进行回放，对某个时间段历史轨迹数据进行播放。
3）灯具状态实时调整。能实现照明远程控制，对区域内照明灯具的状态巡检、查询、调整，故障情况能及时发现，节约维护成本。灯具用电量数据统计，实现能耗的分析。
4）自动定时调光及关灯。通过判断巡检人员定位卡的位置，当定位终端检测接近灯具时，来控制现场灯具的开关及亮度，实现“人来灯亮、人走灯灭”，降低电耗。
3 基于4G网络及智能照明技术的选煤厂全域人员定位系统
采用Witen（Wideband Trunking Enterprise Network）无线宽带集群，通过在搭建4G或5G通信网络，可以有效解决WIFI人员定位无线通信网络问题。无线宽带集群解决了语音调度、数据传输等的综合化应用问题，为了满足行业专网用户指挥调度需求开发的无线宽带集群通信网络，专用无线宽带集群通信系统面向特定行业应用。需要无线宽带集群网络实现现场作业信息采集、处理，现场监控视频长传、视频调度指挥、GIS位置定位、移动办公等信息化。打造宽带无线通信网络，与有线网络深度融合，实现集群通信、视频监控、生产辅助监控监测等功能，提高生产效率、降低生产成本。
考虑以厂区工业以太环网为主、支持运营商4G、5G公用网、厂区专网和定位基站间自组网等数据传输支撑，共同构建的全方位、立体化、综合数字化传输体系的高精度安全定位系统。可确保在某一传输系统故障时，可及时切换至其他传输系统，确保系统因意外造成的不稳定、不正常传输，保障信息的及时性，可靠性。通过在上湾洗煤厂搭建通信网络专用数据、通讯传输网络，选煤厂采用两个射频单元可以实现整个厂区无线信号全覆盖，生产人员配备4G、5G终端产品，终端开启GPS定位，启用后人员位置的经纬度数据传输给人员定位系统。
基于智能照明人员定位系统无法实现厂区其他位置人员定位，通过4G、5G网络及智能终端实现GPS定位，其适应性强，不受选煤厂特殊环境影响，可以满足厂区开阔区域的人员精确定位，可以全覆盖厂区办公楼、厂房、铁路沿线以及厂区其他区域定位，但其无法满足厂房、办公楼等室内区域精确定位，无法具体到楼层，而只能照明人员定位系统则很好解决此问题，通过将通信网络及智能照明相结合的人员定位系统，完全满足选煤厂人员定位要求，可以实现人员厂区具体区域的纵向定位以及生产现场具体地点的横向定位。同时将该定位系统与厂区照明、摄像头联动，人员定位系统可以根据岗位人员巡视轨迹，实现照明、监控联动，降低电耗。同时根据人员定位信息可以实现人员详细轨迹纪录，管理人员提前在智能终端中下达巡视任务，定位系统根据定位自动确认巡视任务，对选煤厂安全生产具有重大意义。
4结语
基于通信网络及智能照明技术的选煤厂全域人员定位系统，可以实现照明的动态调节、自动控制，人员信息定位、电子围栏报警、人员历史轨迹纪录、摄像头联动及录制、岗位考勤、签到，巡检任務确认等功能，对选煤厂安全管理具有很大提升，通过人员定位系统平台实现人员管理、保障安全生产、优化管理的目的。
参考文献
[1]. 赵彦如，苗炜丽， 一种基于RFID技术的矿井人员定位系统[J]. 自动化与仪器仪表， 2018（01）： 第191-194页.
[2]. Dan Liu，Hong Yu.Smart Control for Wireless Indoor Lighting System Based on ZigBee Technology[J]. Advanced Materials Research . 2014 （898）
[3]. 王敏等， 基于物联网架构的智能照明系统的设计与实现[J]. 电工技术学报， 2015（S1）： 第110-114页.
[5]. 侯强，上湾选煤厂智能化改造关键技术研究与应用[D].西安科技大学.2019
[6]. 焦尚彬等， 基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].电子测量与仪器学报， 2013（05）： 第436-442页.
作者简介：侯强（1988—），男，籍贯：陕西咸阳， 学历：本科，职称：工程师，从事机电设备管理。
关键字：人员定位;通信网络;智能照明;宽带集群
引言
近年来各煤炭企业智能化选煤厂建设不断深入，设备自动化、智能化控制水平不断提升，选煤厂岗位工巡视区域逐渐变大，一个人需要巡视多个作业点，人员在厂区流动性大，给选煤厂人员安全管理，带来很大困难。上湾选煤厂由于近几年智能化改造，岗位巡检人员不断减少，在突发状况时无法决定人员具体位置，无法查看岗位巡视轨迹，对岗位人员的安全定位及无人巡检区域的管理显得尤其重要。为解决上述问题上湾选煤厂在选煤厂智能化建设过程中将原有照明系统更换为带有人员定位功能的智能LED照明系统，该系统可以通过人员随身携带的定位卡进行照明控制，实现人走灯灭且能对人员进行定位，达到最大程度降低能耗及员工管理的目的。本文在现有的智能照明系统基础上，分析几种定位系统优缺点，提出了一种适用于选煤厂的人员定位系统。
1选煤厂人员定位系统
1.1选煤厂人员定位特点
人员定位技术已经在煤矿及其他行业应用多年，但选煤厂人员定位具有以下特点：
1） 厂区区域大，上湾选煤厂厂区覆盖面积约1平方公里，且装车车间涉及铁路周边区域。
2）生产车间多，各种结构的建筑物多，如厂房、筒仓、栈桥、工业广场、浓缩池等，定位应仅能覆盖生产区域及厂区其他区域。
3）仓下、浓缩池泵坑等位置GPS等信号收不到。
4）生产车间内飞尘、瓦斯等有害气体及水汽、振动等因素，要求可靠性高的定位设备[1]。
针对选煤厂环境特点，需要研究适用于选煤厂的人员定位系统。
1.2 ZigBee人员定位系统
人们比较熟知的定位系统一般是GPS定位，目前蓝牙定位、RFID定位、WiFi定位、基站定位、ZigBee定位等无线技术定位系统已经应用到各行业。而RFID射频定位、ZigBee定位常用于工矿厂区人员定位。ZigBee定位具有成本低、能耗低、短距离、低速率、安全系数高等性能，广泛应用于工业自动化、家庭自动化等领域。但由于数据速率比较低，不适合做视频传输。容易受到电磁干扰和多径效应的影响，使所测得距离产生较大误差[2-4]，且存在信号易受到遮挡消失、无法精确定位问题，全覆盖的成本高、多套网络的不兼容问题。由于ZigBee随机接入MAC层，时分复用的信道接入方式无法实现，故针对一些实时的业务不能很好的支持。
1.3 WiFi人员定位
WiFi是一种宽带无线网络技术，相对ZigBee，传输距离远、传输速率高、传输带宽宽，最高能够达到300m，且能够接入网络，满足生产现场的数据传输、视频监控传输。WiFi传输信号时，会根据周围环境的情况调整传输速率[5]，网络的可靠性和稳定性有一定保障，具有以下特点：
1）覆盖范围广。在厂区开阔区域，覆盖范围可达300m;在封闭的环境下，覆盖范围能够达到100m左右.
2）组网方便。网络的构建无需铺设电缆，且与现有的有线以太网能整合到一起，实现方式简单、易行，普及性较强。
3）工作效率高。对数据交换和分组采用TCP/IP协议，网络工作效率高。
鉴于WIFI的人员定位系统具有强大的功能性与实用性，在选煤厂厂区安装WIFI基站，实现WIFI覆盖全厂形成一个无线局域网，现场岗位人员每人手持专用设备通过WIFI网络传输到人员定位系统，车间管理人员可以通过人员定位系统查询现场作业人员的实时位置信息、系统报警以及在某段时间内改岗位工的位移信息。数据接入互联网后调度指挥中心、厂领导等可以通过互联网查询相关信息。因WiFi定位精度有限，且选煤厂厂区范围大，部分区域WiFi信号弱或无法接收信号，按上湾厂区面积需要布置基站较多，且需要联网情况下才能进行定位，成本过高。
2 上湾选煤厂智能照明人员定位系统
2.1智能照明系统原理
上湾厂自动化程度高，岗位人员少，厂区大，要求巡视人员离开巡视区域时灯具能自动调低亮度或关闭以到达节能。巡检人员随身携带的定位终端會发送人来消息给灯具，灯具接收到定位消息后，根据设定决定是否开灯，巡视人员离开后，灯具一定时间内检测不到终端，则灯具关闭或调暗。
上湾选煤厂智能照明系统通过给每台灯内内置无线通讯天线，各灯具之间基于ZigBee技术组网。巡检人员随身佩带有源定位卡，通过对各个区域预先人为定义，系统会统计各区域人数、轨迹回放，在实现智能照明的，实现人员定位。
定位终端实时测算其与灯具的距离信息，并将距离数据传输给灯具，灯具通过无线网络将收到的数据上传至集中控制器。集中控制器将收集到的所有灯具定位数据通过光纤网络传输至服务器，服务器软件结合参考点的坐标与收到的定位数据，计算出人员位置。灯具在定位系统每一个都有固定坐标，定位终端实时扫描灯具，在最优的点集合进行距离测试。终端通过分析与处理测试结果选定最优的参考点，并将相关信息数据最终传送至服务器，软件系统根据终端与灯具的位置信息，结合厂区地图得出人员坐标。
两个zigbee节点运行机制为Ttof，即本地节点发送一个Ttof报文给远端节点，针对这个Ttof报文，远端节点会回复一个应答。从发送Ttof信息到接收到应答信息的时间为TTOT，减去回复ACK耗费时间TTAT，即为信号在两节点间总的来回时间TRTT。假设信号在两节点间来回的时间相等，则计算公式如下： Ttof——飞行时间
TRTT——信号在两节点间来回总的时间
TTOT——发送信息到接收应答时间
TTAT——远端节点回复数据确认所耗费的时间
2.2上湾智能照明系统组成
该厂智能照明人员定位系统分为：由控制中心、节能LED灯控制管理终端（LCM）、智能控制终端（RTU）、路灯单灯节能控制器（LCU）、通讯系统等组成。通过在各个生产区域厂房、栈桥内部署定位分站，实现生产区域定位信号覆盖，能判别人员在生产区域内部还是外部。通过每层设立的分站能够判别具体楼层。因为覆盖范围有5-10m的距离，当某个或几个子站故障，不影响其他子站定位。但由于其需要布置设备较多，存在施工难，维护难，具有一定局限性，故只能在照明灯具用量大的厂房内布置，而厂区室外等位置无法实现人员定位，故该系统只能完成生产区域人员定位，一些未部署灯具的位置及厂区生活区域则无法定位。
2.3上湾智能照明系统功能
该单位智能照明人员定位系统可以实时查看位置信息、历史轨迹、灯具亮度实时调节等功能。
1）人员实时位置查看。根据人员定位卡，实现对各区域人员定位，统计该区域人员数量。厂领导、车间带班人员、调度室可以实时看到全厂生产系统总人数及各区域人数，可以查看某个区域人员实时动态信息，实现根据人员位置信息完成考勤。
2）人员历史轨迹查看及回放。可以对选定人员的历史轨迹进行回放，对某个时间段历史轨迹数据进行播放。
3）灯具状态实时调整。能实现照明远程控制，对区域内照明灯具的状态巡检、查询、调整，故障情况能及时发现，节约维护成本。灯具用电量数据统计，实现能耗的分析。
4）自动定时调光及关灯。通过判断巡检人员定位卡的位置，当定位终端检测接近灯具时，来控制现场灯具的开关及亮度，实现“人来灯亮、人走灯灭”，降低电耗。
3 基于4G网络及智能照明技术的选煤厂全域人员定位系统
采用Witen（Wideband Trunking Enterprise Network）无线宽带集群，通过在搭建4G或5G通信网络，可以有效解决WIFI人员定位无线通信网络问题。无线宽带集群解决了语音调度、数据传输等的综合化应用问题，为了满足行业专网用户指挥调度需求开发的无线宽带集群通信网络，专用无线宽带集群通信系统面向特定行业应用。需要无线宽带集群网络实现现场作业信息采集、处理，现场监控视频长传、视频调度指挥、GIS位置定位、移动办公等信息化。打造宽带无线通信网络，与有线网络深度融合，实现集群通信、视频监控、生产辅助监控监测等功能，提高生产效率、降低生产成本。
考虑以厂区工业以太环网为主、支持运营商4G、5G公用网、厂区专网和定位基站间自组网等数据传输支撑，共同构建的全方位、立体化、综合数字化传输体系的高精度安全定位系统。可确保在某一传输系统故障时，可及时切换至其他传输系统，确保系统因意外造成的不稳定、不正常传输，保障信息的及时性，可靠性。通过在上湾洗煤厂搭建通信网络专用数据、通讯传输网络，选煤厂采用两个射频单元可以实现整个厂区无线信号全覆盖，生产人员配备4G、5G终端产品，终端开启GPS定位，启用后人员位置的经纬度数据传输给人员定位系统。
基于智能照明人员定位系统无法实现厂区其他位置人员定位，通过4G、5G网络及智能终端实现GPS定位，其适应性强，不受选煤厂特殊环境影响，可以满足厂区开阔区域的人员精确定位，可以全覆盖厂区办公楼、厂房、铁路沿线以及厂区其他区域定位，但其无法满足厂房、办公楼等室内区域精确定位，无法具体到楼层，而只能照明人员定位系统则很好解决此问题，通过将通信网络及智能照明相结合的人员定位系统，完全满足选煤厂人员定位要求，可以实现人员厂区具体区域的纵向定位以及生产现场具体地点的横向定位。同时将该定位系统与厂区照明、摄像头联动，人员定位系统可以根据岗位人员巡视轨迹，实现照明、监控联动，降低电耗。同时根据人员定位信息可以实现人员详细轨迹纪录，管理人员提前在智能终端中下达巡视任务，定位系统根据定位自动确认巡视任务，对选煤厂安全生产具有重大意义。
4结语
基于通信网络及智能照明技术的选煤厂全域人员定位系统，可以实现照明的动态调节、自动控制，人员信息定位、电子围栏报警、人员历史轨迹纪录、摄像头联动及录制、岗位考勤、签到，巡检任務确认等功能，对选煤厂安全管理具有很大提升，通过人员定位系统平台实现人员管理、保障安全生产、优化管理的目的。
参考文献
[1]. 赵彦如，苗炜丽， 一种基于RFID技术的矿井人员定位系统[J]. 自动化与仪器仪表， 2018（01）： 第191-194页.
[2]. Dan Liu，Hong Yu.Smart Control for Wireless Indoor Lighting System Based on ZigBee Technology[J]. Advanced Materials Research . 2014 （898）
[3]. 王敏等， 基于物联网架构的智能照明系统的设计与实现[J]. 电工技术学报， 2015（S1）： 第110-114页.
[5]. 侯强，上湾选煤厂智能化改造关键技术研究与应用[D].西安科技大学.2019
[6]. 焦尚彬等， 基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统[J].电子测量与仪器学报， 2013（05）： 第436-442页.
作者简介：侯强（1988—），男，籍贯：陕西咸阳， 学历：本科，职称：工程师，从事机电设备管理。