摘 要
選煤廠是煤炭生產(chǎn)加工中的重要環(huán)節(jié),人員精確定位系統(tǒng)是智能化選煤廠建設(shè)的重要組成部分,人員精確定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地在安全管控平臺和作業(yè)系統(tǒng)顯示各區(qū)域人員的分布和位置,管理人員實(shí)時(shí)掌握全廠人員分布狀況和行進(jìn)軌跡動態(tài),便于科學(xué)合理的調(diào)度管理。針對選煤廠人員精確定位需求,研發(fā)了基于地磁定位技術(shù)的選煤廠人員精確定位系統(tǒng),基于地磁定位技術(shù)所構(gòu)建的人員定位系統(tǒng)施工量小、無需安裝定位基站、不受遮擋,比較適合選煤廠復(fù)雜的作業(yè)場景。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,定位精度小于1 m,為選煤廠人員的定位管理應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案和途徑。
文章來源:《智能礦山》2025年第12期“選煤廠智能化建設(shè)成果專欄”
第一作者:張旭可,高級工程師,現(xiàn)任中選智控(天津)科技有限公司副總經(jīng)理,主要從事選煤廠智能化相關(guān)研究工作。E-mail:173753136@qq.com
通訊作者:劉克顏,高級工程師,主要從事選煤廠智能化相關(guān)研究工作。E-mail:peak_wind@sina.com
作者單位:中選智控(天津)科技有限公司
引用格式:張旭可,劉克顏.基于地磁定位技術(shù)的選煤廠人員精確定位系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].智能礦山,2025,6(12):36-42.
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選煤廠是煤炭生產(chǎn)加工中的重要環(huán)節(jié),隨著智能礦山建設(shè)的推進(jìn),高效、節(jié)能、智能化選煤廠的建設(shè)理念和技術(shù)也逐漸得到推廣和應(yīng)用。人員精確定位系統(tǒng)是智能化選煤廠建設(shè)的重要組成部分,人員精確定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地在安全管控平臺和作業(yè)系統(tǒng)顯示各區(qū)域人員的分布和位置,管理人員實(shí)時(shí)掌握全廠人員分布狀況和行進(jìn)軌跡動態(tài),便于科學(xué)合理的調(diào)度管理。當(dāng)人員發(fā)現(xiàn)異常情況,觸發(fā)報(bào)警時(shí),管理人員可根據(jù)定位系統(tǒng)提供的位置數(shù)據(jù)和圖形,及時(shí)采取相應(yīng)救援措施,實(shí)現(xiàn)選煤廠安全、高效的安全生產(chǎn)。
智能化選煤廠對人員定位的安全性和精準(zhǔn)度要求高,采用UWB技術(shù)的定位精度為0.1~1 m,滿足精確定位需求,但選煤廠主廠房、篩分破碎車間等建筑內(nèi)的大型設(shè)備立體空間分布復(fù)雜,眾多運(yùn)行的變頻電氣設(shè)備存在大量諧波及電磁干擾,使得UWB無線定位技術(shù)存在遮擋、屏蔽、操作平臺間無線信號串?dāng)_等情況,導(dǎo)致間斷地出現(xiàn)畫面人員漂移、穿越設(shè)備或墻體等現(xiàn)象,部分大型設(shè)備密集地方,存在人員數(shù)量不準(zhǔn)確等情況。為了解決此類問題,在UWB定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,融合IMU技術(shù),采用UWB+IMU組合定位方法,通過輔以慣性測量單元,將UWB位置和定位標(biāo)簽的速度作為擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的觀測數(shù)據(jù),更新IMU的推算值,輔助解決UWB定位技術(shù)在選煤廠應(yīng)用時(shí),受到現(xiàn)場電磁環(huán)境干擾及非視距誤差影響的問題,選煤廠主廠房如圖1所示。
圖1 選煤廠主廠房
UWB定位技術(shù)需在現(xiàn)場部署大量的無線定位基站,施工和維護(hù)成本較高,借鑒飛行器地磁定位研究成果,采用地磁定位技術(shù)與IMU融合,選煤廠主廠房內(nèi)的定位精度優(yōu)于1 m。地磁定位系統(tǒng)施工量小、無需安裝定位基站、不受遮擋干擾,特別適合復(fù)雜的工業(yè)場景,為選煤廠人員定位管理和應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案和途徑,并在國能包頭能源有限責(zé)任公司李家壕煤礦、陜煤集團(tuán)神木紅柳林礦業(yè)有限公司(簡稱紅柳林選煤廠)、陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司等選煤廠得到了應(yīng)用。
基于地磁定位技術(shù)的人員定位系統(tǒng)原理
選煤廠地磁定位原理為先測量工作區(qū)域的地磁場數(shù)據(jù)作為地磁基準(zhǔn)圖。作業(yè)人員佩戴定位終端內(nèi)的磁傳感器隨人員行走,采集行走路線上的地磁場數(shù)據(jù),構(gòu)成實(shí)時(shí)圖;將實(shí)際測量的地磁場實(shí)時(shí)圖數(shù)據(jù)與地磁基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索匹配,測量實(shí)時(shí)圖數(shù)據(jù)最相似的數(shù)據(jù)所在的匹配位置,確定為作業(yè)人員所在位置,選煤廠內(nèi)地磁定位工作原理如圖2所示。
圖2 選煤廠內(nèi)地磁定位工作原理
選煤廠內(nèi)測量不同的2條路線地磁場分布曲線如圖3所示,其中綠色曲線為2023年1月27日測量的路線磁場數(shù)據(jù),紅色曲線為2023年6月12日測量的同1條路線的磁場數(shù)據(jù)??v坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度,橫坐標(biāo)為道路長度,圖3a所示路線1長度為25 m;圖3b所示路線2長度為40 m。
圖3 選煤廠室內(nèi)2條道路磁場分布
圖3表明不同路線的地磁場存在明顯差異,利用此差異可計(jì)算人員當(dāng)前所在路線及具體位置。當(dāng)時(shí)間不同時(shí),磁場特征穩(wěn)定,不會隨時(shí)間發(fā)生較大改變;如圖3中同一條路線,1月27日測量的磁場分布特征和6月12日測量的磁場特征基本相同,證明了磁場特征隨時(shí)間的穩(wěn)定性,表明磁場地圖測繪建立后,無需頻繁更新。
地磁定位技術(shù)的人員定位系統(tǒng)設(shè)備組成
基于地磁定位技術(shù)的選煤廠人員定位系統(tǒng)設(shè)備組成如圖4所示,主要包括定位終端(硬件設(shè)備)和定位引擎(軟件算法),系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示,主要包括用戶層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用管理層、表現(xiàn)層和用戶層。
圖4 人員地磁精確定位系統(tǒng)組成
圖5 人員地磁精確定位系統(tǒng)架構(gòu)
定位終端屬于感知層,用于獲取現(xiàn)場環(huán)境的磁場和定位需要的其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。定位終端內(nèi)的數(shù)據(jù)通過企業(yè)已經(jīng)建立的無線通信網(wǎng)絡(luò)(包括但不限于WiFi、4G、5G或其他內(nèi)網(wǎng))發(fā)送給部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的定位引擎。
定位引擎屬于應(yīng)用管理層,在定位引擎內(nèi)完成所有人員定位卡的位置解算,并通過定位接口把計(jì)算得到的三維位置數(shù)據(jù)推送至其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)。理論上不同高度平面的地磁場存在差異,但若進(jìn)行高度測量,需測繪每米高度切面的磁場數(shù)據(jù),工作量較大,因此本系統(tǒng)采用先把人員定位到某具體平臺,平臺高度為已知,以實(shí)現(xiàn)間接的高度測量,滿足現(xiàn)場安全管理要求。
地磁定位系統(tǒng)的定位過程無需定位基站,只需提前采集定位區(qū)域磁場數(shù)據(jù),采集過程可以和室內(nèi)三維掃描建模合并進(jìn)行,提高可視化人員定位系統(tǒng)的實(shí)施和部署效率,減少人員定位系統(tǒng)施工對企業(yè)生產(chǎn)的影響。
2.1 人員地磁精確定位終端
定位終端包括只具備定位功能的人員定位卡和具備對講功能的智能終端。智能終端內(nèi)裝有磁傳感器,通過安裝APP獲取智能終端內(nèi)的磁場數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)地磁精確定位并同時(shí)運(yùn)行其他業(yè)務(wù)系統(tǒng),減少了作業(yè)人員佩戴的終端數(shù)量和質(zhì)量,企業(yè)可根據(jù)需求靈活配置。
人員地磁精確定位卡如圖6所示,可實(shí)時(shí)采集環(huán)境磁場信號,測量人員加速度和姿態(tài)信息,經(jīng)打包組合后,通過WiFi或4G發(fā)送到定位引擎。定位卡正面紅色按鍵為SOS按鍵,當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí),可通過長按SOS按鍵觸發(fā)報(bào)警。報(bào)警時(shí),定位終端按照固定時(shí)間間隔上報(bào)報(bào)警信息,同時(shí)蜂鳴器按照標(biāo)準(zhǔn)的SOS信號方式報(bào)警,左側(cè)紅燈按照標(biāo)準(zhǔn)的SOS信號方式閃爍,當(dāng)收到服務(wù)器下發(fā)的“停止報(bào)警”的指令后,停止報(bào)警。當(dāng)人員在作業(yè)區(qū)域內(nèi)一段時(shí)間內(nèi)未移動或發(fā)生高空跌落時(shí),可根據(jù)人員定位卡內(nèi)部的IMU數(shù)據(jù),計(jì)算識別出作業(yè)人員動作行為異常,自動觸發(fā)報(bào)警,向值守人員發(fā)出緊急提示,以便迅速了解并處理相關(guān)情況。
圖6 人員地磁精確定位卡
2.2 人員地磁精確定位引擎
人員地磁精確定位引擎是地磁定位系統(tǒng)的核心,地磁定位數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。首先誤差校正磁傳感器測量的原始磁場數(shù)據(jù),濾波測量數(shù)據(jù)的外界工頻等干擾磁場,提高測量數(shù)據(jù)信噪比。再根據(jù)MemsIMU提供的數(shù)據(jù)點(diǎn)間的相對方向和距離,提取路線磁場,與預(yù)先存儲的參考地磁圖進(jìn)行特征匹配,計(jì)算當(dāng)前位置所在路線及具體位置。通過定位接口把計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)推送到需要展示、應(yīng)用人員位置數(shù)據(jù)的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)(應(yīng)用管理層、表現(xiàn)層和用戶層)。
圖7 地磁定位數(shù)據(jù)處理流程
定位引擎內(nèi)的地磁定位算法采用相關(guān)算法通過計(jì)算場景內(nèi)和實(shí)時(shí)測得的路線磁場最相似的磁場所在的位置,即為定位終端(人員)所在的位置。
選煤廠人員精確定位系統(tǒng)的實(shí)施和驗(yàn)證
3.1 采集和制作地磁基準(zhǔn)圖
基于地磁定位技術(shù)的選煤廠人員精確定位系統(tǒng)實(shí)施過程主要包括地磁基準(zhǔn)圖的采集和制作、定位系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)等。為確保地磁基準(zhǔn)圖測量精度、地磁圖測量和制作階段重點(diǎn)關(guān)注測量基準(zhǔn)圖的位置坐標(biāo)、磁場測量、地磁圖數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。
采用基于激光雷達(dá)的專業(yè)地磁測量裝置進(jìn)行地磁場數(shù)據(jù)采集,磁圖測量裝置如圖8所示。磁圖測量裝置由無磁小車、激光雷達(dá)、磁傳感器、工控板等組成。無磁小車是磁圖測量裝置的載體,所有設(shè)備都在無磁小車上安裝,推動小車在測量場地內(nèi)行走,實(shí)現(xiàn)位置和磁場數(shù)據(jù)的同步采集。采集以車作為載體,避免人為操作習(xí)慣差異導(dǎo)致的測量誤差;激光雷達(dá),通過SLAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)地圖及位置信息的測量,定位精度優(yōu)于0.1 m;磁傳感器測量磁場信息;磁場數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在工控板內(nèi)進(jìn)行同步和存儲。
圖8 磁圖測量裝置
激光雷達(dá)記錄的采集路線(圖9)底圖為激光雷達(dá)生成的平面點(diǎn)云圖。通過采圖裝置獲得采集路線的地磁場數(shù)據(jù),通過雙線性插值方法,將原始磁場數(shù)據(jù)均勻網(wǎng)格化,得到路線上均勻分布的磁場數(shù)據(jù),均勻網(wǎng)格化后的地磁場等值線分布如圖10所示,網(wǎng)格化的磁場三維剖面如圖11所示。
圖9 地磁圖采集路線
圖10 均勻網(wǎng)格化后的地磁場等值線分布
圖11 網(wǎng)格化的磁場三維剖面
激光雷達(dá)建立平面直角相對坐標(biāo)系,為融合地磁定位與室外定位,將激光雷達(dá)建立的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到cgcs2000或其他地理坐標(biāo)系下,得到地理坐標(biāo)系的地磁圖。地磁圖存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括(Lat,Lon,B),Lan和Lon為cgcs2000坐標(biāo)系下的緯度和經(jīng)度。
3.2 地磁定位精度測試驗(yàn)證
在紅柳林選煤廠部署了1套地磁定位系統(tǒng),地磁定位精度測試路線如圖12所示,對2號主廠房的1~6層,按照如下步驟測試地磁定位精度,設(shè)定好測試路線,實(shí)際測試1~6層,為了節(jié)省篇幅,給出其中2層的具體測試圖例。
圖12 地磁定位精度測試路線
(1)在測試路線中選擇用于定位測試的關(guān)鍵點(diǎn)位,1~6層共111個(gè)測試點(diǎn)位。其中1層和3層關(guān)鍵點(diǎn)位標(biāo)識如圖13所示,記錄所有測試點(diǎn)位的實(shí)際位置坐標(biāo)。
圖13 關(guān)鍵測試點(diǎn)位
(2)測試人員佩戴好定位終端,按照如圖12所示軌跡行走。
(3)完成后提取定位軌跡,得到測試人員經(jīng)過測試點(diǎn)位附近時(shí)候的位置坐標(biāo),并和測試點(diǎn)位實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行對比,計(jì)算定位誤差,定位軌跡路線如圖14所示,測試結(jié)果表明計(jì)算得到的定位結(jié)果和實(shí)際行走路線吻合,44號位置參考點(diǎn)實(shí)景和三維對比如圖15所示。
圖14 定位軌跡路線
圖15 44號位置參考點(diǎn)實(shí)景和三維對比
選定的111個(gè)測試點(diǎn)位的定位誤差結(jié)果如圖16所示,定位精度統(tǒng)計(jì)方式采用定位誤差的均值和1 σ指標(biāo)(66.7%概率的落點(diǎn)范圍),累積誤差概率分布結(jié)果如圖17所示,表明90%以上的點(diǎn)位誤差小于1 m,定位誤差統(tǒng)計(jì)見表1。
圖16 定位誤差結(jié)果
圖17 累積誤差概率分布
表1 定位精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果
地磁人員定位系統(tǒng)在選煤廠的應(yīng)用效果
(1)工作區(qū)域內(nèi)人員分布實(shí)時(shí)查看
在三維地圖(模型)通過地磁人員定位系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看工作區(qū)域內(nèi)人員的數(shù)量統(tǒng)計(jì)、位置顯示、跟蹤人員;查看各區(qū)域人員出/入工作區(qū)域時(shí)刻、出/入重點(diǎn)區(qū)域時(shí)刻等信息,并生成報(bào)表;查看系統(tǒng)報(bào)警事件及處理情況。通過關(guān)聯(lián)監(jiān)控大屏幕,可對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行全面展示,實(shí)現(xiàn)選煤廠的智能化安全管理,人員分布實(shí)時(shí)查看界面如圖18所示。
圖18 人員分布實(shí)時(shí)查看界面
(2)異常報(bào)警
當(dāng)工作人員出現(xiàn)異常情況,可通過定位終端向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警求救信號,平臺監(jiān)控界面立即顯示報(bào)警提示,第一時(shí)間掌握警報(bào)發(fā)出人和所在地點(diǎn),提升應(yīng)急響應(yīng)效率;增加了墜落等人員異常行為識別和報(bào)警,完善了SOS報(bào)警和響應(yīng)機(jī)制;實(shí)現(xiàn)了基于人員定位系統(tǒng)的聚集風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警功能,可有效識別和跟蹤進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)以及特定區(qū)域的人員位置,對人員聚集和人員離崗、串崗、越界、靜止、缺員、消失等違規(guī)行為進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警,并輔助特殊作業(yè)全過程管控。
(3)路線管理
可視化展現(xiàn)人員行走軌跡、歷史軌跡,隨時(shí)調(diào)看人員出入工作區(qū)域的記錄,更直觀地觀察企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)行情況,李家壕選煤廠歷史軌跡如圖19 所示。
圖19 李家壕選煤廠歷史軌跡
(4)將地磁定位技術(shù)應(yīng)用于選煤廠,在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了精確的亞米級定位精度水平,定位系統(tǒng)不需要在現(xiàn)場鋪設(shè)基站、抗干擾能力強(qiáng),在鋼結(jié)構(gòu)分布廣泛、設(shè)備布置復(fù)雜的分層工業(yè)環(huán)境中,定位精度高,為選煤廠復(fù)雜環(huán)境提供了穩(wěn)定、高效且抗干擾的人員精確定位系統(tǒng)。
結(jié) 語
基于地磁定位技術(shù)的選煤廠人員定位系統(tǒng)滿足選煤廠人員精確定位需求。地磁定位系統(tǒng)免基站安裝、維護(hù)簡單、不易受遮擋和金屬干擾、適合復(fù)雜多高度平臺的選煤廠人員定位管理和應(yīng)用。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,定位精度優(yōu)于1 m,滿足選煤廠人員精確定位需求。增加了人員意外跌落、昏迷等自動報(bào)警功能,為人員安全提供保障。該方法也可在其他室內(nèi)定位的工業(yè)場景推廣應(yīng)用,為解決復(fù)雜工業(yè)場景的人員精確定位問題提供了更多選擇。
編輯丨李莎
審核丨趙瑞
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