人员定位将成煤矿行业强制标准，UWB定位产业能否抓住机会

本文来源:物联传媒

本文作者:银匠

煤矿,在中国是一个充满传奇色彩的名词。

作为中国工业的"粮食",煤矿在过去几十年有太多的记忆,比如说,

一座座拔地而起的工厂;

一个个富得流油的"煤老板";

当然,还有一件件骇人听闻的矿难事故。

"高危"与"财富"是煤矿行业两个最主要的标签,而后一次次的政策整顿,以及其他能源的兴起,社会对于煤矿的关注度也逐渐下降。

时至今日,煤矿依然是主要的工业能源之一,

根据统计,中国原煤的产量相较于早些年有所下降,但是在最近几年,却呈现出上升的趋势。

来源:中国煤炭工业协会

火力发电是消耗煤炭最大的应用领域,此外,钢厂与焦化厂也是煤炭消耗的重要领域。可以说,煤炭对于工业的贡献并没有减少。

安全问题,

煤炭行业挥之不去的伤痛

谈到煤矿,就不得不说,煤矿的安全事故,作为一个高危行业,再加上开发与管理的不规范,导致中国的煤矿行业经常会出现令人咋舌的矿难,每年因煤矿安全事故死亡的人数都是一个庞大的数字。

中国煤矿历年死亡人数:

2000年

5798人

2001年

5670人

2002年

6995人

2003年

6702人

2004年

6027人

2005年

5491人

2006年

6072人

2007年

3786人

2008年

3210人

2009年

2700人

2010年

2433人

2011年

1973人

2012年

1384人

2013年

1049人

2014年

475人

2017年

375人

2018年

333人

2019年

316人

中间有几年的数据网上没有找到权威的数字,不过从上表的统计也可以看出,煤矿的死亡数字相较于10多年已经有了极大的改善,这也说明了煤矿规范化管理之后,每年因矿难而死亡的数据有了明显的下降。

但是这并不够,相较于欧美国家的煤矿安全水平,中国还有较大的差距。

物联网时代下,

为降低煤矿安全事故提供技术支撑

如何提升煤矿安全水平呢,除了管理手段之外,就需要依靠技术手段。

在物联网时代,各项技术的发展为煤矿安全水平的提升提供了契机,尤其是矿井人员的实时定位管理,对于煤矿场景的人员身份识别、作业规范、逃生与搜救都有着重要的意义,是煤矿技术安全的核心部分。这也引起了国家监管层面的重视。

近日,国家煤监局网站发布消息称,根据《应急管理标准化工作管理办法》,国家煤监局组织全国安标委煤矿安全分标委编制了安全生产行业标准《煤矿井下人员定位系统通用技术条件(征求意见稿)》,现向社会公开征求意见。　　

据介绍,2015年原国家安全生产监督管理总局《关于下达2015年安全生产行业制修订项目计划的通知》,批准安全生产行业标准研究制定项目"煤矿井下人员定位系统通用技术条件",项目计划编号为AQ-2015-23,并确定中国矿业大学(北京)为主要起草单位,负责标准的编写制定工作。　

标准按照GB/T1．1的规定和实际内容的需要,分成术语和定义、产品分类、技术要求、试验方法、检验规则等七章,对煤矿井下人员定位系统进行标准化。标准主要内容包括最大静态定位误差、最大动态定位误差、定位卡与分站之间的无线传输距离等方面。

国家煤监局指出,煤矿井下人员定位系统在遏制煤矿井下和采掘工作面等重点区域超定员生产,遏制重特大事故发生,防止人员进入盲巷等限制区域,防止超层越界盗采和矿井水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压等事故发生,控制作业人员超时下井,加强特种作业人员管理,加强领导下井带班管理,加强考勤管理和应急救援等方面发挥着重要作用。建议该标准为强制性行业标准。

下面是该标准的部分主要技术指标:

最大静态定位误差

煤矿井下人员定位系统最大静态定位误差应不大于 3 m。煤矿井下人员精确定位系统最大静态定位误差应不大于 0．3 m。

最大动态定位误差

煤矿井下人员定位系统最大动态定位误差应不大于 10 m。煤矿井下人员精确定位系统最大动态定位误差应不大于 7．3 m。

最大位移速度

最大位移速度应不小于 7 m/s。

并发识别数量

单分站并发识别数量应不小于 80 个。

漏/误读率

漏/误读率应不大于 10-4。

最大传输距离

最大传输距离应满足下列要求:

定位卡与分站之间的无线传输距离应不小于 400 m;

分站至主机之间最大传输距离应不小于 10 km。

最大监控容量

最大监控容量应满足下列要求:

系统允许接入的分站数量宜在 8、 16、 32、 64、 128、 256 中选取;被中继器等设备分隔成多段的系统, 每段允许接入的分站数量宜在 8、 16、 32、 64、 128、 256 中选取;

定位卡数量应不小于 8000 个。

哪些无线定位技术将会迎来良机

根据这些技术要求指标,多类无线定位技术都将找到应用场景

01

有源RFID

有源射频识别,RFID(Radio Frequency Identification)技术,又称无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

上世纪 90 年代开始服务于矿山定位行业。广泛应用于人员、车辆等位置定位。

其技术特点:覆盖距离30 米-300 米不等。功耗低,成本低,技术较成熟,广泛应用于井下的人员定位。有源的 RFID 技术因其覆盖距离在 30 米-300 米左右,且区域间不能有交叉,不能信号间连续覆盖。

想要做到比较好的区间定位效果,必须站与站之间留有空白区域。其基于覆盖区域的定位无法完成精确测速,只能利用两个基站之间或多个基站基站完成区域测速。基本覆盖模型如下图:

有源射频技术,因其定位主要对象为有源的电子标签,基站和定位卡能够交互的数据很小,除定位外,几乎无法传输其他信息,延展性较差。

02

Zigbee

ZigBee是基于IEEE802．15．4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。

采用Zigbee 定位,最大的优势是其功耗低,另外,Zigbee 支持自组网,其传输通道更为简单。在国内,用Zigbee 的方式,广泛应用于煤矿定位、监狱人员定位等。

03

Wi-Fi 定位技术

Wi-Fi 定位技术一般采用 Cell-ID 定位或指纹定位。Cell-ID 定位是最先实现规模化的技术,一般采用"邻近法"判断,即终端距离哪台AP 最近或者连着哪台 AP 释放出来的网络,则认为定位终端就在该AP 附近,简单实用,但精度低。指纹定位技术是指将实际环境中的位置和接收到的无线信号的"指纹"特征联系起来,一个位置对应一个独特的指纹。

Wi-Fi 定位的终端一般为智能设备,如智能手机,笔记本等。Wi-Fi 由于其功耗高,并不适合制作成 Wi-Fi Tag 去实现资产定位等应用。利用现场已有的Wi-Fi 设备,部署成本低,但是为了提高定位精度, 有时需要提高Wi-Fi 设备的部署数量和密度。

04

蓝牙 4．2 定位技术

蓝牙4．2定位技术分为网络测量定位与终端测量定位两种模式。

网络测量定位:

该模式下,定位终端发送蓝牙信号,由蓝牙网关进行信号测量,回传至服务器进行定位。

蓝牙网络测定位网络架构

终端测量定位:

该模式下,定位信标发送蓝牙信号,由定位终端进行信号测量,回传至服务器进行定位。

蓝牙终端测量定位网络架构

终端测量定位方案中,蓝牙信标一般采用电池供电,1-2 年需要更换电池,大幅度增加了网络后期维护成本。网络测量定位方案中,蓝牙网关需要通过 PoE 网线供电,大幅增加了网络建设成本和施工复杂度。

蓝牙定位技术规模应用时的精度多在 3m 以上。市场中有部分场景需求为 1m 精度,该场景用蓝牙定位精度略显不足。用UWB 等高精度定位,成本又过高,难以实施。随着蓝牙AOA 技术的逐渐成熟,将有望解决该问题。

05

蓝牙 5．1 定位技术

定位方式及性能:

蓝牙 5．1 相比蓝牙 4．2,最大的变化就是定位精度提升到厘米级别,且引入了寻向功能。目前高精度的室内定位需求很多,例如通过导航软件找到酒店门口,但是最后的 100 米其实也很关键,蓝牙寻向功能就可以解决这个问题,从酒店门口可以直接导航到客房。

蓝牙 5．1 基于 AoA 或 AoD 技术将定位精度提升到厘米级,它的基本原理就是利用无线电的相位差换算出位置信息。

AoA 测量技术通过测试发射器和接收器直接的到达方向,然后通过三角定位获得发射 器和目的物的方位和距离的技术。

AoD 测量也是利用信号相位差技术, 它的工作原理是发射器在以阵列排布的有源天线之间切换时,发送特 殊的数据封包,而接收器通过单一天线接收信号,然后从接收到的信 号中获取 IQ 样本,在了解发射器内的天线排布后,通过数据计算得出信号的相对方向和距离。该技术定位精度最小可达到 10 厘米。

安装难:由于蓝牙 5．1 技术是基于角度测量,基站功率消耗大, 无法使用电池供电,需要PoE 供电,且蓝牙 5．1 基站布放密度为十米量级,因此每个基站都需要解决直流供电问题,为安装造成了困难。

06

UWB定位技术

基于UWB 技术的无线定位系统一般由定位标签、定位基站及解算软件构成。通过在特定区域布设合理数量的定位基站,并不间断地采集人员、车辆、资产、工具上的定位标签回传的各个要素的时空坐标数据,实现室内空间实时精确定位、监控、引导、预警等功能。

UWB 主要采用飞行时间(TOA/TOF)、飞行时间差(TDOA)、到达角度(AOA)三种定位方法。三种定位方法各具优劣,其性能对照如下:

为什么是UWB?

在该规范中,并没有限制使用某种特定的无线定位技术,事实上,规范中也有提到UWB、ZigBee、WiFi甚至是4G、5G都可以,但综合考虑定位精度的要求,以及在煤矿场景中的定位稳定性与可靠性等因素之后,可以发现,UWB定位技术将是最为值得期待的定位技术。

为什么是UWB能够在这么多的定位技术脱颖而出?

首先是定位精度方面,该规范明确指出了"煤矿井下人员精确定位系统最大静态定位误差不大于 0．3 米",而目前市场上,能达到这个定位精度的无线定位技术也只有UWB定位技术,事实上,在该规范的最后编制说明内容中,也明确指出了,规范规定"0．3米"定位精度数值,就是参考了UWB定位技术的精度。

其次,UWB定位技术已经在包括煤矿行业的诸多垂直应用领域进行了多年的应用,一项技术要得到市场乃至监管部门的认可,有丰富并且长久稳定的应用案例是必不可少的一个环节,UWB定位技术的性能已经得到了监管部门的认可。

最后,就是UWB的成本也在降低与优化,最近一两年,UWB技术在苹果、三星、小米等大厂的推动之下,走向了风口,目前整个UWB定位技术产业在快速的发展与完善,包括芯片方案、基站方案、标签产品等等产品在市场上的选择也会越来越多,整体的价格也将会迅速优化。

当然,其他的定位技术也不是没有市场,在定位技术行业里大家都认可一句话:技术没有绝对的优劣之分,只不过是不同的定位技术适合不同的应用场景。

就煤矿场景而言,除了在矿井里面对人员进行定位之外,还需要在矿井外面对人员进行管理,此外除了人员,还会有车辆、重要物资的管理,再加上不同的煤矿环境、不同的煤矿规模大小等等条件的不同,对于定位技术的需求也会有差异。

很多时候,一个煤矿的定位方案,是多种技术的融合方案,集多种技术之长,才能形成最有性价比的方案。

煤矿定位的市场容量有多少?

行业的痛点需求+政策的推动双重作用之下,煤矿行业的定位应用铺开已经肉眼可见,但是煤矿行业对于定位技术的需求市场潜力到底有多大呢?这是大家所关注的。

能源局2019年3月26日发布公告,截至2018年12月底,安全生产许可证等证照齐全的生产煤矿3373处,产能35．3亿吨/年。

煤矿人员定位市场规模分析

按照安监总局的要求,单套产品每年投入价格的20%进行维护,每5年更新一次,全国一共10000家将安全监控系统和人员定位系统的维护及替换需求做出估算。

按照目前接触到的煤矿基站与标签的需求数量,单一煤矿的基站的需求数量在100+左右,标签的数量在1000+,综合来看,全国煤矿需要的基站总数为33万+,标签数量为337万以上。

按照调研数据,系统集成商出货价格:基站的价格10K左右,标签价格300上下估计,全国基站市场容量为33亿,标签的市场容量为10亿以上。

故煤矿市场,定位硬件总体市场为43亿左右。当然这只是UWB的硬件部分,还有软件部分,以及新建的煤矿增量市场,整体的市场体量将会更大。

物联网的技术与方案最终都需要落到应用场景才会有意义,尤其是政策的刺激之下,效果更为明显,煤矿市场已经打开,下一个市场又在哪里呢?

鸣谢:

感谢成都四相致新科技有限公司的副总裁刘洪宇先生对本文提供的素材参考与建议,本文部分内容也有引用由中国移动精准定位联盟编制的《室内定位白皮书(2020年)》,感谢!