Smarteye® 数字化煤场高精度定位及防碰撞系统解决方案

发布时间: 2023-07-27 11:41:56

1 背景与现状

随着电力体制改革的不断深入，电力生产已经从计划经济逐步向市场经济转变，发电成本控制已经成为发电企业增强核心竞争力的关键因素。虽然近些年我国大力发展清洁能源，火电装机占比有所下降，但依然能占到70%左右，而燃料作为火电企业的主要生产原料，占发电企业总成本的65%-70%以上，耗煤量直接影响发电企业的经营效益。另外，如何充分调动煤场中的人员与设备，实现资源合理利用，并最大程度上确保作业过程中的人员安全及运行有序，则直接反映了电力企业煤场管理的能力。目前，大多数电力企业煤场管理中缺乏高精度定位技术的应用，使得管理粗放且极容易发生移动设备运行时的碰撞碾压等重大安全事故问题，给电厂的效益及安全带来具体影响，主要体现在以下几个方面：

一是，由于斗轮机定位精度差与管理程序落后，严重影响燃煤管理精细化程序。目前在燃料入厂、入炉的计量、采样、制样、化验、存样等环节，通过燃料智能化管理系统已经实现了自动化、智能化、信息化，规范化、标准化管理，然而燃煤在煤场管理还处于刚起步阶段，少数电厂已摸索建设了数字化煤场管理系统。建成的数字化煤场管理系统已实现了煤场分区管理、煤场出入库管理、煤场盘点管理、煤场三维图形展示、配煤掺烧等部分功能，而在实际应用过程中由于斗轮机定位精度差、管理程序落后，严重影响了燃煤堆放管理、燃煤取煤管理、配煤掺烧等多个功能的使用效果，使得数字化煤场管理系统的功能应用和经济效益受到很大程度的制约。

二是，煤场密闭空间高粉尘、强遮挡，作业秩序及安全问题得不到根本保障。火电企业密闭煤场作业环境粉尘较大，且部分遮蔽，极易发生人与设备、设备与设备、设备与煤场基础设施之间的相互碰撞问题，例如推煤机、斗轮机碰撞煤场马道与隔离墙，大型装载机司机因为盲区疲劳等原因造成撞人碾压等恶性事故等。另外，如何充分调动煤场内人员与设备，实现高效、有序、规范化运行也是数字化煤场需要大幅提升的重点。

三是，煤场空间位置大数据得不到有效采集、挖掘与利用，与煤场其他数据融合程度亟待提高。多数传统煤场进煤、出煤等作业环节设备自动化程度较低，需要司机以及其他辅助人员的才能完成精确进煤取料等。视频监控只完成了视频捕获、存储等相对单一的功能，对工作场景中的盲区缺乏必要的识别与监控，即便部分煤场已经引进计量统计技术、无线射频技术等，但是缺乏精确、实时的空间位置，使得煤场管理人员、输煤运行人员、发电运行人员在及时掌握煤场的人员、设备等动态信息方面有所欠缺，使得煤场在指导装卸煤、行驶轨迹动态监测、精确监管与调度等环节的精细化管理水平大打折扣。将UWB定位技术与无线射频技术、北斗定位技术、计量统计技术、视频识别技术等高效融合应用已经越发成为煤场实现科学分析和运算，不断优化管理，实现智能型三维数字化煤场的关键。

AIoT万物智联，智能安全帽、智能头盔、头盔记录仪、执法记录仪、车载DVR/NVR、布控球、智能眼镜、智能手电、无人机4G补传系统等统一接入大型融合通信可视指挥调度平台VMS/smarteye 。

2 UWB定位技术原理及优势

2.1 技术原理及特点

超宽带（UltraWideBand，UWB）技术是一种无线载波通信技术，采用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。作为智慧电厂泛在物联的关键技术应用，其具有传输速率高、抗干扰性强、发送功率小等优势，可以在功耗、造价、精度、实时性、通信能力以及可扩展性等众多方面满足智慧电厂不同场景的定位应用。另外，UWB定位技术在室内等密集多径场所的高速无线接入，与RFID、wifi、ZigBee等定位技术相比，具有较大的相对优势，同时UWB又能与这些技术形成互补。

2.1.1 基于AOA的定位算法

图 AOA定位原理

到达角（Angle of Arrival, AOA）定位法需要测量未知点（即定位卡）到参考点（即定位基站）的电磁波入射角度，这通常由接收机通过天线阵列检测信号能量峰值的来源方向得到，或者由天线阵列通过信号的相位差得到。设参考点个数为 M，坐标分别为，未知点坐标为（x，y），各个参考点的 AOA估计值相互独立，根据和计算得到目标的距离，如上图所示。采用到达角（Angle of Arrival, AOA）在视距传播时精度较，在非视距传播时显著降低。

2.1.2 基于TOA的定位算法

TOA（Time of Arrival）又称TOF（Time of Flight），一般又分为基于时钟同步的TOA测距和双向测距。

（1）基于时钟同步的TOA测距

基于时钟同步的TOA测距，需要预先将未知点（即定位卡）和参考点（即定位基站）的时钟精确同步，分别测量未知点发送的信号到达各参考点的时间，根据电磁波在空气中的传输速度，可确定未知点与多个参考点的距离，以三个定位基站为例，如图下图所示：

图 TOA定位原理

参考上图，未知点于时刻发送信号，参考点A、B、C分别于、、接收到该信号，由于未知点和参考点的时钟是精确同步的，因此飞行时间分别为（-）、（-）、（-），分别乘以电磁波在空气中的传输速度，即可得到距离、、，以距离为半径画圈，交点即为未知点的位置。

TOA测距充分的利用了UWB信号时间分辨率高的特点，能有效抵抗一定的环境干扰，达到良好的定位效果。难点是需要严格保持定位卡和所有定位基站的时钟同步。

（2）双向测距

双向测距法不需要定位卡和定位基站之间严格时钟同步，但需要未知点（即定位卡）向参考点（即定位基站）发送信号，定位基站也向定位卡发送信号，如下图所示：

图 TOA定位原理

参考点于时刻（参考点本地时钟的）向未知点发送信号，未知点于时刻（未知点本地时钟的）接收到该信号；未知点于时刻（未知点本地时钟的）向该参考点发送信号，参考点于时刻（参考点本地时钟的）接收到该信号。则有乘以电磁波在空气中的传输速度，即可得到该未知点和该参考点之间的距离，同理，确定该未知点与其他参考点之间的距离，根据至少三个距离即可确定该未知点的位置。

双向测距法不需要精准的时间同步，但需要未知点和参考点之间发送更多的信号。

2.1.3 基于TDOA的定位算法

基于时间到达差(TDOA，Time Deference of Arrival)的定位法不像上述TOA定位法中需要参考点与未知点之间的时钟严格同步，但仍要求参考点之间的时钟严格同步。不需要未知点的时钟严格同步能相对简化定位系统，降低定位系统成本。

TDOA 定位法的定位过程：预先将所有参考点之间时钟同步，未知点发出信号，不同参考点在不同时刻接收到该信号，选取某参考点接收到信号的时刻作为基准，其他参考点收到信号的时刻减去该基准得到定位信号到达时间差，该到达时间差即为TDOA 值。根据未知点与两个参考点之间的TDOA值可以建立一条双曲线，实现二维定位需要至少三个参考点建立一组双曲线方程求解得到未知点的位置估计。如下图：

图 TDOA定位原理图

由于根据距离差作出的双曲线相较于根据距离作出的圆而言，其呈发散型，因此，实际应用中通常需要至少4个基站来获得多条双曲线来获取冗余TDOA值，并将误差较大的TDOA值剔除之后再确定未知点的坐标，这样可提供TODA定位的精度。

2.1.4 TOF-TDOA混合定位算法

结合了TDOA容量大功耗低的优点、TOF精度高稳定性强的优点；自适应根据信号复杂度和信道容量选择TOF和TDOA比例，获得更高的精度、更低的功耗、更大的刷新率；TOF-TDOA混合自适应定位方式，科实现在区域内精度均匀，区域外周边也可定位，一维可以出区域定位；功耗优化提升、容量极限为TODA的上限；无同步基站实现TDOA，小房间单基站可做存在性检测。

1.1 技术优势

UWB作为一种高速率、低功耗、高容量的新兴无线局域定位技术，与RFID、wifi、ZigBee等定位技术相比，具有较大的相对优势，同时UWB又能与这些技术形成互补。

表室内定位几种技术对比

定位技术	定位精度	安全性	穿透性	抗干扰	功耗	辐射	传输距离	建设成本
UWB	0.1-0.15m	非常高	强	强	低	低	200m	较高
Wifi	3-10m	较高	强	较强	高	较高	30-50m	较高
蓝牙	3-5m	较高	弱	弱	较低	较低	10m	较高
地磁	2-5m	较高	无关	极弱	较低	无	无关	低
RFID	1-8m	低	弱	弱	低或无	低	5m	较高
ZigBee	3-10m	较低	弱	弱	低	较高	70m	较高
红外	5-10m	高	无	弱	高	低	5m	高
超声波	0.01-0.1m	高	无	强	高	低	5m	极高
计算机视觉	1-2m	较高	无	弱	高	无	10m	高

3 系统设计方案

3.1 系统介绍

合肥优视以空间位置大数据为切入点，打造的smarteye® 数字化煤场高精度定位及防碰撞系统，采用smarteye® 无线脉冲专利技术，通过在煤场中移动车辆及设备上布设合理数量的smarteye®微基站，在基础设施、设备及作业人员上布设或佩戴合理数量的微标签，从而进行实时精确定位。与此同时，将位置数据零延时地传输到数字化煤场管理系统，实现储煤装卸管理，作业车辆及设备管理，作业人员管理，设施与设备、设备与设备、设备与人员之间的防撞管理以及通过斗轮机精确定位为配煤掺烧提供有效的数据支持等。另外，可以结合煤场视频监控画面，形成三维数字化煤场，以便煤场管理人员、输煤运行人员、发电运行人员能够及时掌握煤场的动态信息，实现煤场信息的精细管理。

3.2 系统功能布局

功能	功能详细介绍
唯一ID标识	对定位的每个人员、设施设备、车辆、测温杆等指定唯一ID。
人员管理	对人员进行定位，实时显示或查看人员的位置及轨迹，实现任意区域内人员动态点名、缺勤人员快速定位等。
装卸车辆与移动设备管理	对煤场内装卸车辆与移动设备等进行定位，实时显示或查看其位置及轨迹，合理调度及指导装卸作业。
斗轮机精确定位	将UWB定位技术与斗轮机三维识址装置等相结合，实现对斗轮机无人值守提供行走、回转、俯仰的精确控制，让斗轮机在指定的位置、设定的角度范围和特定的煤层自动取煤。
防碰撞	测距报警，避免煤场基础设施与设备、设备与设备、设备与人之间发生碰撞，避免事故的发生。
组织架构管理	组织机构式分级人员管理，建立部门/个人信息数据库，实现多维搜索以及图形化界面展示等。
视频联动	系统可以与主流摄像监控系统匹配，通过在定位区域内安装相应的摄像头，实现重点区域视频联动、视频跟随、报警联动等，真正做到可视化管理。
电子周界及提示	划定燃煤堆放区域，并利用精确定位信息设定燃煤堆放区域的电子周界，智能导引装载车辆在指定区域装卸煤，实时定位装载车辆位置，记录其运行轨迹，一旦装载车辆在未指定的装卸区域停留，则会发出预警信息并通过语音播报给予正确提示，确保对不同品质煤炭的准确装卸管理，有效降低错装错卸煤事件发生的概率。
大数据分析	系统可以做到综合分析人员、装卸设备等的作业数据统计，并间接实现煤炭用量情况。
历史数据回放	位置服务器存储历史位置数据，可回访查询关键时间节点人、车、设备等的动态情况。
AI智能决策	可以根据终端采集的数据进行智能分析，优化煤场管理流程并根据现存问题做出一系列智能决策。
日常工作支持	支持管理者对权限进行设定，查看整个煤场作业任意区域人、车、物、料的活动情况，并可进行报表打印，历史数据查询。
集中智能管控	对于集团客户，总部可远程集中查询、有权限地管控厂内人、车、物的位置及作业情况等相关信息。
开放的API接口	可与煤场现有管理系统进行无缝对接、集成应用。
移动端查询	场区实地查询，可手持平板手机在煤场内移动查询，根据手机、平板的地图显示现场管理办公。

4 系统构成及部署

1.2 系统构成

smarteye® 数字化煤场高精度定位及防碰撞系统构成如下图所示。系统包括：

l 主机(Host)即smarteye®定位微基站，安装在斗轮机、推煤机等移动设备上，实现测距功能;

l 标签(Tag)即smarteye®定位微标签，布设在煤场马道立柱上，实现斗轮机与煤场基础设施、以及斗轮机与斗轮机之间的测距；另外人员佩戴定位标签，实现实时精确定位，进行人员工作管理以及与移动设备之间的测距，近距离预警以防止碰撞碾压等。

l 报警器(Alarm), 发出警示声音，提示司机减速或者再进一步靠近其他被定位设施设备人员等，以免发生碰撞;

l 连接线缆(Wire), 连接系统的各个部分。

数字化煤场基于UWB的人员高精度定位系统方案，https://www.besovideo.com/detail?t=2&i=997

室内定位（UWB/蓝牙等）技术方案概述，https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=205

室内定位之蓝牙信标配合安卓系统的智能安全帽、电力作业记录仪， https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=267

内置RTK北斗高精度定位的智能安全帽测试报告（MQTT通信），https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=132

内置UWB室内高精度定位的智能安全帽-软件说明， https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=131

危险气体检测仪，通过4G/5G执法记录仪或者4G/5G智能安全帽上报到平台，https://www.besovideo.com/detail?t=1&i=273

1.3 系统部署

基于无线脉冲技术的防撞报警系统部署方式如下图所示，其中，测距报警主机安装在斗轮机或者推煤机等移动设备上，直接使用被安装设备供电；测距报警标签则由作业人员佩戴，或者布设在煤场马道等基础设施上。其中根据作业人员工作特点，标签形式可以为安全帽式、工卡式或腕带式。布设在煤场马道基础设施上的定位标签采用工卡式。测距报警主机即定位微基站部署后，以该设备为中心，半径R米（R的范围从1~32可调）的范围内，形成防撞报警区。当有人员或车辆进入该区域时，测距报警主机能够迅速检测到该事件，并驱动声光报警器报警，以提示司机注意危险，及时减速或停止设备运行，同时，人员所佩戴的标签发出蜂鸣声音并震动，以提示人员注意避让车辆。

此外，测距报警还可以设置免报警范围。以该设备为中心，半径为r米(r的范围从0~31米可调，并且r<R)的范围内，形成免报警区域。当人员或其他移动设备进入免报警区域时，测距报警主机和标签均停止报警。该功能用于避免佩戴了标签的该移动设备的司机与安装在该移动设备上的测距报警基站产生误报警。

1.4 报警功能设置

4.0.1 接近报警功能

一旦有移动设备或人员进入报警区域，测距报警基站立即控制报警器配件鸣响报警信号，一方面提醒行人注意安全，另一方面提醒司机注意安全。

4.0.2 双向报警功能

当人员靠近移动作业设备时，人员佩戴的标签设备会发出蜂鸣振动的声音，提醒行人注意安全，大大提高报警的针对性。

4.0.3 级别报警功能

系统报警类型可选择为渐变报警和持续报警。当选择渐变报警时，报警声音的频率随着距离的接近而升高，以区分不同的报警级别。

4.0.4 免报警功能

为了避免佩戴了标签的作业设备司机与安装在本设备上的测距报警基站产生误报警，可以设置免报警。处于免报警范围内的标签不会报警。免报警范围的数值小于报警范围的数值。

4.0.5 双报警范围调整方式

系统支持对报警范围和免报警范围的两种调整方式，即档位调整和无级别调整。档位调整通过测距报警基站的旋钮开关实现，能够迅速调整报警范围，使用方便快捷；无级调整通过上位机软件配置实现，以支持复杂场景下对各种报警距离的设置要求。

4.0.6 距离输出功能

测距报警基站支持串口功能，并可以通过串口输出其所能检测到的标签及距离。用户可以使用该串口进行二次开发。

1.5 系统配置

4.0.7 测距报警基站

ü 测距精度高，最高测距精度为10cm；

ü 单基站覆盖面积大，半径超过32平米；

ü 天线全内置，360°无死角检测；

ü 报警范围支持两种调整方式，调整范围从1~32米；

ü 超宽供电范围，12V DC-48V DC；

ü 快速响应，时间延迟小于330ms；

ü 模块化防呆设计，易于安装。

类型	测距报警类型
型号	MA2000
外形
尺寸	120mm120mm70mm
数据接口	航插接口
电源接口	DC 12V -48V
基站功率	<3W(不含报警器)
工作温度	-20-70℃
防水等级	IP67
覆盖范围	32m

4.0.8 定位微标签

客户可根据需要同时定位的人员和设备数量，选购相应数量的标签。smarteye® 提供多种标签形式，以满足不同的因公场合。

序号	类型	外形	型号
1	腕带型		Tb1000-w
3	安全帽型		Tb1000-h
4	工牌型		Tb1000-g

产品特点：

ü 测距精度高，最高定位精度为10cm；

ü 型号丰富，适应多种行业场景；

ü 支持双向报警，支持振动和蜂鸣；

ü 支持RFID内置。

B. 【实际选用微标签参数】

类型	工牌标签
型号	Tb1000-g
外形
尺寸	8.5cm5.4cm6mm
电池种类	充电锂电池
工作时间	4-6周一充（1Hz）
蜂鸣器	标配
按键报警	标配
内置RFID	标配
工作温度	-20~70℃
储存温度	-40~85℃
工作湿度	10~90%无结霜
类型	腕带型
型号	Tb1000-w
外形
尺寸	5.5cm3.5mm1.4cm
电池种类	充电锂电池
工作时间	4-6周一充（1Hz）
蜂鸣器	选配
按键报警	标配
内置RFID	标配
工作温度	-20~70℃
储存温度	-40~85℃
工作湿度	10~90%无结霜
类型	安全帽型
型号	Tb1000-h
外形
尺寸	5.5cm3.5cm1.9cm
电池种类	充电锂电池
工作时间	4-6周一充（1Hz）
蜂鸣器	选配
按键报警	标配
内置RFID	标配
工作温度	-20~70℃
储存温度	-40~85℃
工作湿度	10~90%无结霜

4.0.9 设置软件

smarteye®提供设置软件，用于无级报警范围调整、报警输出类型设置。

1 用户案例及效益分析

smarteye® 数字化煤场高精度定位及防碰撞系统，源于清华系高技术企业合肥优视，基于无线超窄脉冲波的无线定位原理，满足了火电厂煤场定位环境恶劣且危险系数较高的作业环境。到目前我们已经与国内外众多行业标杆企业进行了合作，合作企业包括但不限于以下企业：大唐集团、中国国电、中国华能、国家能源集团、粤电集团等等。

合肥优视smarteye® 数字化煤场高精度定位及防碰撞系统在火电厂煤场管理中发挥的关键作用包括以下方面：

首先，全面提升了火电厂煤场对工作人员及设备的综合管理水平。在管理中引入时空大数据分析理念，基于定位数据的实时采集，实现了人员岗位管理、考勤管理、点名统计、调度管理的智能化。

其次，极大地改善了煤场作业复杂作业环境安全监督管理可靠性低的问题，通过在移动设备上安装定位基站、在固定基础设施上安装定位微标签、人员佩戴定位标签的形式，最大程度上杜绝了设备与基础设施、设备与设备、设备与人之间发生碰撞的可能。另外，即使发生相关事故问题，也可依据历史轨迹、视频联动也能提供数据支撑，使得安全责任的有效追溯有据可依。

三是，打破以往电厂信息孤岛及数据烟囱林立的痼疾。smarteye®高精度定位系统开发了高度开放的API接口，可与其他系统之间进行无缝对接，基于定位技术，集成视频监控、图像识别、大数据等技术的三维可视化安全管理平台，管理者可以全面实时掌握人员基本信息、人员位置信息、生产作业信息等，实现了智慧煤场信息流的横向贯通与纵向集成。

1.1 大唐华阳电厂煤场定位案例

一、项目场景描述

在大唐华阳电厂的煤场与卸煤沟两个粉尘大、温度高的全封闭空间，导致人员、车辆、斗轮机管理难，基于这样的业务痛点，该电厂在煤场与卸煤沟两个作业场景中布设smarteye® 定位基站，其中煤场定位主要用来监测斗轮机的运行状态及实时位置，同时兼顾煤堆上工作人员和车辆的实时位置，人员防撞等功能。卸煤沟场景定位，主要用来监测卸煤机的实时位置和运行状态，兼顾定位人员实时位置。

二、部署实施设备数量

现场使用设备一般比较少，采用850k模式，一般煤场为300m*100m,根据实际需求使用定位基站8个或16个，采用二维定位，定位基站固定在煤场架子及中间马道上，卸煤沟使用定位基站4~6个，做一维定位。

三、现场实际定位效果

在大唐华阳电厂的煤场与卸煤沟两个粉尘大、温度高的全封闭空间内实现误差小于1m的精确定位（一般在0.5m左右）。通过精确定位，解决了现场人员作业状态以及输卸煤设备车辆运行状态监控难的问题。通过车辆定位与人员定位实现人员防撞，确保人员安全。另外，针对卸煤沟一维定位场景，通过位置实时显示，保证作业人员不串通道。