定位精度小于1m！無需基站，無視遮擋→選煤廠人員定位新方案震撼來襲！

2026年01月08日 16:11 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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的重要組成部分，人員精確定位系統(tǒng)實時、準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,管理人員實時掌握全廠人員分布狀況和行進軌跡動態(tài)，便于科學合理的調度管理。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的選煤廠人員精確定位系統(tǒng),基于地磁定位技術所構建的人員定位系統(tǒng)施工量小、無需安裝定位基站、不受遮擋，比較適合選煤廠復雜的作業(yè)場景。經(jīng)實際驗證，定位精度小于1 m，為選煤廠人員的定位管理應用提供了新的技術方案和途徑。

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.基于地磁定位技術的選煤廠人員精確定位系統(tǒng)研發(fā)及應用[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)，隨著智能礦山建設的推進，高效、節(jié)能、智能化選煤廠的建設理念和技術也逐漸得到推廣和應用。人員精確定位系統(tǒng)是智能化選煤廠建設的重要組成部分，人員精確定位系統(tǒng)實時、準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，管理人員實時掌握全廠人員分布狀況和行進軌跡動態(tài)，便于科學合理的調度管理。當人員發(fā)現(xiàn)異常情況，觸發(fā)報警時，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，及時采取相應救援措施，實現(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度要求高，采用UWB技術的定位精度為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的大型設備立體空間分布復雜，眾多運行的變頻電氣設備存在大量諧波及電磁干擾，使得UWB無線定位技術存在遮擋、屏蔽、操作平臺間無線信號串擾等情況，導致間斷地出現(xiàn)畫面人員漂移、穿越設備或墻體等現(xiàn)象，部分大型設備密集地方，存在人員數(shù)量不準確等情況。為了解決此類問題，在UWB定位技術的基礎上，融合IMU技術，采用UWB+IMU組合定位方法，通過輔以慣性測量單元，將UWB位置和定位標簽的速度作為擴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定位技術在選煤廠應用時，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定位技術需在現(xiàn)場部署大量的無線定位基站，施工和維護成本較高，借鑒飛行器地磁定位研究成果，采用地磁定位技術與IMU融合，選煤廠主廠房內的定位精度優(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，特別適合復雜的工業(yè)場景，為選煤廠人員定位管理和應用提供了新的技術方案和途徑，并在國能包頭能源有限責任公司李家壕煤礦、陜煤集團神木紅柳林礦業(yè)有限公司（簡稱紅柳林選煤廠）、陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司等選煤廠得到了應用。

基于地磁定位技術的人員定位系統(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)作為地磁基準圖。作業(yè)人員佩戴定位終端內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)，構成實時圖；將實際測量的地磁場實時圖數(shù)據(jù)與地磁基準圖數(shù)據(jù)庫進行搜索匹配，測量實時圖數(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，選煤廠內地磁定位工作原理如圖2所示。

圖2 選煤廠內地磁定位工作原理

選煤廠內測量不同的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)。縱坐標為磁感應強度，橫坐標為道路長度，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，利用此差異可計算人員當前所在路線及具體位置。當時間不同時，磁場特征穩(wěn)定，不會隨時間發(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。

地磁定位技術的人員定位系統(tǒng)設備組成

基于地磁定位技術的選煤廠人員定位系統(tǒng)設備組成如圖4所示，主要包括定位終端（硬件設備）和定位引擎（軟件算法），系統(tǒng)架構如圖5所示，主要包括用戶層、網(wǎng)絡層、應用管理層、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

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數(shù)據(jù)。定位終端內的數(shù)據(jù)通過企業(yè)已經(jīng)建立的無線通信網(wǎng)絡（包括但不限于WiFi、4G、5G或其他內網(wǎng)）發(fā)送給部署在企業(yè)內網(wǎng)的定位引擎。

定位引擎屬于應用管理層，在定位引擎內完成所有人員定位卡的位置解算，并通過定位接口把計算得到的三維位置數(shù)據(jù)推送至其他業(yè)務系統(tǒng)。理論上不同高度平面的地磁場存在差異，但若進行高度測量，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三維掃描建模合并進行，提高可視化人員定位系統(tǒng)的實施和部署效率，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。智能終端內裝有磁傳感器，通過安裝APP獲取智能終端內的磁場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地磁精確定位并同時運行其他業(yè)務系統(tǒng)，減少了作業(yè)人員佩戴的終端數(shù)量和質量，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，可實時采集環(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，當發(fā)生緊急情況時，可通過長按SOS按鍵觸發(fā)報警。報警時，定位終端按照固定時間間隔上報報警信息，同時蜂鳴器按照標準的SOS信號方式報警，左側紅燈按照標準的SOS信號方式閃爍，當收到服務器下發(fā)的“停止報警”的指令后，停止報警。當人員在作業(yè)區(qū)域內一段時間內未移動或發(fā)生高空跌落時，可根據(jù)人員定位卡內部的IMU數(shù)據(jù)，計算識別出作業(yè)人員動作行為異常，自動觸發(fā)報警，向值守人員發(fā)出緊急提示，以便迅速了解并處理相關情況。

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)點間的相對方向和距離，提取路線磁場，與預先存儲的參考地磁圖進行特征匹配，計算當前位置所在路線及具體位置。通過定位接口把計算得到的位置數(shù)據(jù)推送到需要展示、應用人員位置數(shù)據(jù)的其他業(yè)務系統(tǒng)（應用管理層、表現(xiàn)層和用戶層）。

圖7 地磁定位數(shù)據(jù)處理流程

定位引擎內的地磁定位算法采用相關算法通過計算場景內和實時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)的實施和驗證

3.1 采集和制作地磁基準圖

基于地磁定位技術的選煤廠人員精確定位系統(tǒng)實施過程主要包括地磁基準圖的采集和制作、定位系統(tǒng)與其他業(yè)務系統(tǒng)的聯(lián)調等。為確保地磁基準圖測量精度、地磁圖測量和制作階段重點關注測量基準圖的位置坐標、磁場測量、地磁圖數(shù)據(jù)處理的準確性。

采用基于激光雷達的專業(yè)地磁測量裝置進行地磁場數(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、磁傳感器、工控板等組成。無磁小車是磁圖測量裝置的載體，所有設備都在無磁小車上安裝，推動小車在測量場地內行走，實現(xiàn)位置和磁場數(shù)據(jù)的同步采集。采集以車作為載體，避免人為操作習慣差異導致的測量誤差；激光雷達，通過SLAM技術實現(xiàn)室內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)、激光雷達數(shù)據(jù)在工控板內進行同步和存儲。

圖8 磁圖測量裝置

激光雷達記錄的采集路線（圖9）底圖為激光雷達生成的平面點云圖。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

激光雷達建立平面直角相對坐標系，為融合地磁定位與室外定位，將激光雷達建立的坐標系轉換到cgcs2000或其他地理坐標系下，得到地理坐標系的地磁圖。地磁圖存儲的數(shù)據(jù)內容包括（Lat，Lon，B），Lan和Lon為cgcs2000坐標系下的緯度和經(jīng)度。

3.2 地磁定位精度測試驗證

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，設定好測試路線，實際測試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鍵點位，1～6層共111個測試點位。其中1層和3層關鍵點位標識如圖13所示，記錄所有測試點位的實際位置坐標。

圖13 關鍵測試點位

（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)過測試點位附近時候的位置坐標，并和測試點位實際坐標進行對比，計算定位誤差，定位軌跡路線如圖14所示，測試結果表明計算得到的定位結果和實際行走路線吻合，44號位置參考點實景和三維對比如圖15所示。

圖14 定位軌跡路線

圖15 44號位置參考點實景和三維對比

選定的111個測試點位的定位誤差結果如圖16所示，定位精度統(tǒng)計方式采用定位誤差的均值和1 σ指標（66.7%概率的落點范圍），累積誤差概率分布結果如圖17所示，表明90%以上的點位誤差小于1 m，定位誤差統(tǒng)計見表1。

圖16 定位誤差結果

圖17 累積誤差概率分布

表1 定位精度統(tǒng)計結果

地磁人員定位系統(tǒng)在選煤廠的應用效果

（1）工作區(qū)域內人員分布實時查看

在三維地圖（模型）通過地磁人員定位系統(tǒng)可實時查看工作區(qū)域內人員的數(shù)量統(tǒng)計、位置顯示、跟蹤人員；查看各區(qū)域人員出/入工作區(qū)域時刻、出/入重點區(qū)域時刻等信息，并生成報表；查看系統(tǒng)報警事件及處理情況。通過關聯(lián)監(jiān)控大屏幕，可對關鍵數(shù)據(jù)進行全面展示，實現(xiàn)選煤廠的智能化安全管理，人員分布實時查看界面如圖18所示。

圖18 人員分布實時查看界面

（2）異常報警

當工作人員出現(xiàn)異常情況，可通過定位終端向系統(tǒng)發(fā)出報警求救信號，平臺監(jiān)控界面立即顯示報警提示，第一時間掌握警報發(fā)出人和所在地點，提升應急響應效率；增加了墜落等人員異常行為識別和報警，完善了SOS報警和響應機制；實現(xiàn)了基于人員定位系統(tǒng)的聚集風險監(jiān)測預警功能，可有效識別和跟蹤進入生產(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)行為進行監(jiān)控報警，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，隨時調看人員出入工作區(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）將地磁定位技術應用于選煤廠，在復雜工業(yè)環(huán)境中實現(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)場鋪設基站、抗干擾能力強，在鋼結構分布廣泛、設備布置復雜的分層工業(yè)環(huán)境中，定位精度高，為選煤廠復雜環(huán)境提供了穩(wěn)定、高效且抗干擾的人員精確定位系統(tǒng)。

結語

基于地磁定位技術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、維護簡單、不易受遮擋和金屬干擾、適合復雜多高度平臺的選煤廠人員定位管理和應用。經(jīng)實際應用驗證，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、昏迷等自動報警功能，為人員安全提供保障。該方法也可在其他室內定位的工業(yè)場景推廣應用，為解決復雜工業(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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