人員定位將成煤礦行業(yè)強制標準，UWB定位產(chǎn)業(yè)迎來大利好

          煤礦，在中國是一個充滿傳奇色彩的名詞。

          作為中國工業(yè)的"糧食"，煤礦在過去幾十年有太多的記憶，比如說，

           一座座拔地而起的工廠；

          一個個富得流油的"煤老板"；

           當(dāng)然，還有一件件駭人聽聞的礦難事故。

          "高危"與"財富"是煤礦行業(yè)兩個最主要的標簽，而后一次次的政策整頓，以及其他能源的興起，社會對于煤礦的關(guān)注度也逐漸下降。

           時至今日，煤礦依然是主要的工業(yè)能源之一，

           根據(jù)統(tǒng)計，中國原煤的產(chǎn)量相較于早些年有所下降，但是在最近幾年，卻呈現(xiàn)出上升的趨勢。

來源：中國煤炭工業(yè)協(xié)會

          火力發(fā)電是消耗煤炭最大的應(yīng)用領(lǐng)域，此外，鋼廠與焦化廠也是煤炭消耗的重要領(lǐng)域?？梢哉f，煤炭對于工業(yè)的貢獻并沒有減少。

          安全問題，煤炭行業(yè)揮之不去的傷痛

          談到煤礦，就不得不說，煤礦的安全事故，作為一個高危行業(yè)，再加上開發(fā)與管理的不規(guī)范，導(dǎo)致中國的煤礦行業(yè)經(jīng)常會出現(xiàn)令人咋舌的礦難，每年因煤礦安全事故死亡的人數(shù)都是一個龐大的數(shù)字。

          中國煤礦歷年死亡人數(shù)：

          中間有幾年的數(shù)據(jù)網(wǎng)上沒有找到權(quán)威的數(shù)字，不過從上表的統(tǒng)計也可以看出，煤礦的死亡數(shù)字相較于10多年已經(jīng)有了極大的改善，這也說明了煤礦規(guī)范化管理之后，每年因礦難而死亡的數(shù)據(jù)有了明顯的下降。

          但是這并不夠，相較于歐美國家的煤礦安全水平，中國還有較大的差距。

          物聯(lián)網(wǎng)時代下，為降低煤礦安全事故提供技術(shù)支撐

          如何提升煤礦安全水平呢，除了管理手段之外，就需要依靠技術(shù)手段。

          在物聯(lián)網(wǎng)時代，各項技術(shù)的發(fā)展為煤礦安全水平的提升提供了契機，尤其是礦井人員的實時定位管理，對于煤礦場景的人員身份識別、作業(yè)規(guī)范、逃生與搜救都有著重要的意義，是煤礦技術(shù)安全的核心部分。這也引起了國家監(jiān)管層面的重視。

          近日，國家煤監(jiān)局網(wǎng)站發(fā)布消息稱，根據(jù)《應(yīng)急管理標準化工作管理辦法》，國家煤監(jiān)局組織全國安標委煤礦安全分標委編制了安全生產(chǎn)行業(yè)標準《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件（征求意見稿）》，現(xiàn)向社會公開征求意見。

          據(jù)介紹，2015年原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《關(guān)于下達2015年安全生產(chǎn)行業(yè)制修訂項目計劃的通知》，批準安全生產(chǎn)行業(yè)標準研究制定項目"煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件"，項目計劃編號為AQ-2015-23，并確定中國礦業(yè)大學(xué)（北京）為主要起草單位，負責(zé)標準的編寫制定工作。

          標準按照GB/T1.1的規(guī)定和實際內(nèi)容的需要，分成術(shù)語和定義、產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等七章，對煤礦井下人員定位系統(tǒng)進行標準化。標準主要內(nèi)容包括最大靜態(tài)定位誤差、最大動態(tài)定位誤差、定位卡與分站之間的無線傳輸距離等方面。

         國家煤監(jiān)局指出，煤礦井下人員定位系統(tǒng)在遏制煤礦井下和采掘工作面等重點區(qū)域超定員生產(chǎn)，遏制重特大事故發(fā)生，防止人員進入盲巷等限制區(qū)域，防止超層越界盜采和礦井水災(zāi)、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等事故發(fā)生，控制作業(yè)人員超時下井，加強特種作業(yè)人員管理，加強領(lǐng)導(dǎo)下井帶班管理，加強考勤管理和應(yīng)急救援等方面發(fā)揮著重要作用。建議該標準為強制性行業(yè)標準。

          下面是該標準的部分主要技術(shù)指標：

          最大靜態(tài)定位誤差

          煤礦井下人員定位系統(tǒng)最大靜態(tài)定位誤差應(yīng)不大于 3 m。煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)最大靜態(tài)定位誤差應(yīng)不大于 0.3 m。

          最大動態(tài)定位誤差

          煤礦井下人員定位系統(tǒng)最大動態(tài)定位誤差應(yīng)不大于 10 m。煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)最大動態(tài)定位誤差應(yīng)不大于 7.3 m。

          最大位移速度

          最大位移速度應(yīng)不小于 7 m/s。

          并發(fā)識別數(shù)量

          單分站并發(fā)識別數(shù)量應(yīng)不小于 80 個。

          漏/誤讀率

          漏/誤讀率應(yīng)不大于 10-4。

          最大傳輸距離

          最大傳輸距離應(yīng)滿足下列要求：

          定位卡與分站之間的無線傳輸距離應(yīng)不小于 400 m；

          分站至主機之間最大傳輸距離應(yīng)不小于 10 km。

          最大監(jiān)控容量

          最大監(jiān)控容量應(yīng)滿足下列要求：

          系統(tǒng)允許接入的分站數(shù)量宜在 8、 16、 32、 64、 128、 256 中選??；被中繼器等設(shè)備分隔成多段的系統(tǒng)， 每段允許接入的分站數(shù)量宜在 8、 16、 32、 64、 128、 256 中選取；

          定位卡數(shù)量應(yīng)不小于 8000 個。

          哪些無線定位技術(shù)將會迎來良機

          根據(jù)這些技術(shù)要求指標，多類無線定位技術(shù)都將找到應(yīng)用場景

          01、有源RFID

          有源射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學(xué)接觸。

          上世紀 90 年代開始服務(wù)于礦山定位行業(yè)。廣泛應(yīng)用于人員、車輛等位置定位。

          其技術(shù)特點：覆蓋距離30 米-300 米不等。功耗低，成本低，技術(shù)較成熟，廣泛應(yīng)用于井下的人員定位。有源的 RFID 技術(shù)因其覆蓋距離在 30 米-300 米左右，且區(qū)域間不能有交叉，不能信號間連續(xù)覆蓋。

          想要做到比較好的區(qū)間定位效果，必須站與站之間留有空白區(qū)域。其基于覆蓋區(qū)域的定位無法完成精確測速，只能利用兩個基站之間或多個基站基站完成區(qū)域測速?；靖采w模型如下圖：

          有源射頻技術(shù)，因其定位主要對象為有源的電子標簽，基站和定位卡能夠交互的數(shù)據(jù)很小，除定位外，幾乎無法傳輸其他信息，延展性較差。

          02、Zigbee

           ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

          采用Zigbee 定位，最大的優(yōu)勢是其功耗低，另外，Zigbee 支持自組網(wǎng)，其傳輸通道更為簡單。在國內(nèi)，用Zigbee 的方式，廣泛應(yīng)用于煤礦定位、監(jiān)獄人員定位等。

          03、Wi-Fi 定位技術(shù)

          Wi-Fi 定位技術(shù)一般采用 Cell-ID 定位或指紋定位。Cell-ID 定位是最先實現(xiàn)規(guī)模化的技術(shù)，一般采用"鄰近法"判斷，即終端距離哪臺AP 最近或者連著哪臺 AP 釋放出來的網(wǎng)絡(luò)，則認為定位終端就在該AP 附近，簡單實用，但精度低。指紋定位技術(shù)是指將實際環(huán)境中的位置和接收到的無線信號的"指紋"特征聯(lián)系起來，一個位置對應(yīng)一個獨特的指紋。

           Wi-Fi 定位的終端一般為智能設(shè)備，如智能手機，筆記本等。Wi-Fi 由于其功耗高，并不適合制作成 Wi-Fi Tag 去實現(xiàn)資產(chǎn)定位等應(yīng)用。利用現(xiàn)場已有的Wi-Fi 設(shè)備，部署成本低，但是為了提高定位精度， 有時需要提高Wi-Fi 設(shè)備的部署數(shù)量和密度。

          04、藍牙 4.2 定位技術(shù)

          藍牙4.2定位技術(shù)分為網(wǎng)絡(luò)測量定位與終端測量定位兩種模式。

          網(wǎng)絡(luò)測量定位：

          該模式下，定位終端發(fā)送藍牙信號，由藍牙網(wǎng)關(guān)進行信號測量，回傳至服務(wù)器進行定位。

藍牙網(wǎng)絡(luò)測定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

          終端測量定位：

          該模式下，定位信標發(fā)送藍牙信號，由定位終端進行信號測量，回傳至服務(wù)器進行定位。

藍牙終端測量定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

          終端測量定位方案中，藍牙信標一般采用電池供電，1-2 年需要更換電池，大幅度增加了網(wǎng)絡(luò)后期維護成本。網(wǎng)絡(luò)測量定位方案中，藍牙網(wǎng)關(guān)需要通過 PoE 網(wǎng)線供電，大幅增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和施工復(fù)雜度。

          藍牙定位技術(shù)規(guī)模應(yīng)用時的精度多在 3m 以上。市場中有部分場景需求為 1m 精度，該場景用藍牙定位精度略顯不足。用UWB 等高精度定位，成本又過高，難以實施。隨著藍牙AOA 技術(shù)的逐漸成熟，將有望解決該問題。

          05、藍牙 5.1 定位技術(shù)

          定位方式及性能：

          藍牙 5.1 相比藍牙 4.2，最大的變化就是定位精度提升到厘米級別，且引入了尋向功能。目前高精度的室內(nèi)定位需求很多，例如通過導(dǎo)航軟件找到酒店門口，但是最后的 100 米其實也很關(guān)鍵，藍牙尋向功能就可以解決這個問題，從酒店門口可以直接導(dǎo)航到客房。

          藍牙 5.1 基于 AoA 或 AoD 技術(shù)將定位精度提升到厘米級，它的基本原理就是利用無線電的相位差換算出位置信息。

          AoA 測量技術(shù)通過測試發(fā)射器和接收器直接的到達方向，然后通過三角定位獲得發(fā)射 器和目的物的方位和距離的技術(shù)。

          AoD 測量也是利用信號相位差技術(shù)， 它的工作原理是發(fā)射器在以陣列排布的有源天線之間切換時，發(fā)送特 殊的數(shù)據(jù)封包，而接收器通過單一天線接收信號，然后從接收到的信 號中獲取 IQ 樣本，在了解發(fā)射器內(nèi)的天線排布后，通過數(shù)據(jù)計算得出信號的相對方向和距離。該技術(shù)定位精度最小可達到 10 厘米。

          安裝難：由于藍牙 5.1 技術(shù)是基于角度測量，基站功率消耗大， 無法使用電池供電，需要PoE 供電，且藍牙 5.1 基站布放密度為十米量級，因此每個基站都需要解決直流供電問題，為安裝造成了困難。

          06、UWB定位技術(shù)

          基于UWB 技術(shù)的無線定位系統(tǒng)一般由定位標簽、定位基站及解算軟件構(gòu)成。通過在特定區(qū)域布設(shè)合理數(shù)量的定位基站，并不間斷地采集人員、車輛、資產(chǎn)、工具上的定位標簽回傳的各個要素的時空坐標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)室內(nèi)空間實時精確定位、監(jiān)控、引導(dǎo)、預(yù)警等功能。

           UWB 主要采用飛行時間（TOA/TOF）、飛行時間差（TDOA）、到達角度（AOA）三種定位方法。三種定位方法各具優(yōu)劣，其性能對照如下：

          為什么是UWB？

          在該規(guī)范中，并沒有限制使用某種特定的無線定位技術(shù)，事實上，規(guī)范中也有提到UWB、ZigBee、WiFi甚至是4G、5G都可以，但綜合考慮定位精度的要求，以及在煤礦場景中的定位穩(wěn)定性與可靠性等因素之后，可以發(fā)現(xiàn)，UWB定位技術(shù)將是最為值得期待的定位技術(shù)。

          為什么是UWB能夠在這么多的定位技術(shù)脫穎而出？

          首先是定位精度方面，該規(guī)范明確指出了"煤礦井下人員精確定位系統(tǒng)最大靜態(tài)定位誤差不大于 0.3 米"，而目前市場上，能達到這個定位精度的無線定位技術(shù)也只有UWB定位技術(shù)，事實上，在該規(guī)范的最后編制說明內(nèi)容中，也明確指出了，規(guī)范規(guī)定"0.3米"定位精度數(shù)值，就是參考了UWB定位技術(shù)的精度。

          其次，UWB定位技術(shù)已經(jīng)在包括煤礦行業(yè)的諸多垂直應(yīng)用領(lǐng)域進行了多年的應(yīng)用，一項技術(shù)要得到市場乃至監(jiān)管部門的認可，有豐富并且長久穩(wěn)定的應(yīng)用案例是必不可少的一個環(huán)節(jié)，UWB定位技術(shù)的性能已經(jīng)得到了監(jiān)管部門的認可。

          最后，就是UWB的成本也在降低與優(yōu)化，最近一兩年，UWB技術(shù)在蘋果、三星、小米等大廠的推動之下，走向了風(fēng)口，目前整個UWB定位技術(shù)產(chǎn)業(yè)在快速的發(fā)展與完善，包括芯片方案、基站方案、標簽產(chǎn)品等等產(chǎn)品在市場上的選擇也會越來越多，整體的價格也將會迅速優(yōu)化。

           當(dāng)然，其他的定位技術(shù)也不是沒有市場，在定位技術(shù)行業(yè)里大家都認可一句話：技術(shù)沒有絕對的優(yōu)劣之分，只不過是不同的定位技術(shù)適合不同的應(yīng)用場景。

           就煤礦場景而言，除了在礦井里面對人員進行定位之外，還需要在礦井外面對人員進行管理，此外除了人員，還會有車輛、重要物資的管理，再加上不同的煤礦環(huán)境、不同的煤礦規(guī)模大小等等條件的不同，對于定位技術(shù)的需求也會有差異。

          很多時候，一個煤礦的定位方案，是多種技術(shù)的融合方案，集多種技術(shù)之長，才能形成最有性價比的方案。

          煤礦定位的市場容量有多少？

          行業(yè)的痛點需求+政策的推動雙重作用之下，煤礦行業(yè)的定位應(yīng)用鋪開已經(jīng)肉眼可見，但是煤礦行業(yè)對于定位技術(shù)的需求市場潛力到底有多大呢？這是大家所關(guān)注的。

           能源局2019年3月26日發(fā)布公告，截至2018年12月底，安全生產(chǎn)許可證等證照齊全的生產(chǎn)煤礦3373處，產(chǎn)能35.3億噸/年。

          煤礦人員定位市場規(guī)模分析

          按照安監(jiān)總局的要求，單套產(chǎn)品每年投入價格的20%進行維護，每5年更新一次，全國一共10000家將安全監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)的維護及替換需求做出估算。

          按照目前接觸到的煤礦基站與標簽的需求數(shù)量，單一煤礦的基站的需求數(shù)量在100+左右，標簽的數(shù)量在1000+，綜合來看，全國煤礦需要的基站總數(shù)為33萬+，標簽數(shù)量為337萬以上。

          按照調(diào)研數(shù)據(jù)，系統(tǒng)集成商出貨價格：基站的價格10K左右，標簽價格300上下估計，全國基站市場容量為33億，標簽的市場容量為10億以上。

          故煤礦市場，定位硬件總體市場為43億左右。當(dāng)然這只是UWB的硬件部分，還有軟件部分，以及新建的煤礦增量市場，整體的市場體量將會更大。

          物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與方案最終都需要落到應(yīng)用場景才會有意義，尤其是政策的刺激之下，效果更為明顯，煤礦市場已經(jīng)打開，下一個市場又在哪里呢？

鳴謝：

           感謝成都四相致新科技有限公司的副總裁劉洪宇先生對本文提供的素材參考與建議，本文部分內(nèi)容也有引用由中國移動精準定位聯(lián)盟編制的《室內(nèi)定位白皮書（2020年）》，感謝！