王忠

（山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南250022）

一種基于2.4 GHz射頻卡和煤礦巷道布置圖的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方法

王忠

（山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南250022）

由于傳統(tǒng)的通過GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航的方式在井下并不適用，目前煤礦仍沒有一套完整的井下導(dǎo)航的方案，在沒有GPS衛(wèi)星定位信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)礦井下的路徑導(dǎo)航一直是研究的熱點(diǎn)。這里利用礦用智能終端和2.45 GHz RFID射頻技術(shù)，結(jié)合煤礦巷道布置圖，開發(fā)了一套電子地圖，提供路徑查詢、分析、導(dǎo)航等功能，能精確定位到作業(yè)人員的位置，在礦用智能終端上顯示。

智能終端；ArcGIS；RFID；導(dǎo)航

0 引言

煤礦井下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，巷道長達(dá)幾千米，井下人員流動(dòng)性大，在井下作業(yè)時(shí)，很難清楚自己所處的位置，怎么從當(dāng)前的位置到想去的位置，在井下發(fā)生事故時(shí)，該選擇哪一條避災(zāi)路線，都是井下作業(yè)人員會(huì)遇到的問題。

目前井工煤礦仍沒有一套完整的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方案，傳統(tǒng)的通過GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航的方式在井下并不適用。煤礦井下目前雖然有通過基站進(jìn)行定位的系統(tǒng)，但是需要部署基站設(shè)置傳輸網(wǎng)絡(luò)，這種方式代價(jià)高、部署復(fù)雜，基站間距大，無法覆蓋全礦井，尤其是人員相對(duì)集中的采掘工作面等重點(diǎn)生產(chǎn)區(qū)域，不同巷道對(duì)無線信號(hào)的吸收程度不同，定位精度差，無法實(shí)現(xiàn)精確的避險(xiǎn)導(dǎo)航[1?2]。因此，需要建立一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，為井下作業(yè)人員提供避險(xiǎn)導(dǎo)航。

1 避險(xiǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)原理

1.1 基于RFID數(shù)據(jù)定位

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸[3?4]。

RFID射頻卡有很多頻段，分為有源和無源兩種，發(fā)射射頻信號(hào)的距離也差別很大，經(jīng)過綜合分析，認(rèn)為射頻卡的識(shí)別距離至少在10～20 m之間，綜合各種性能，選擇了2.45 GHz有源射頻卡。

在井下巷道中布置的RFID標(biāo)識(shí)卡，每隔一定時(shí)間發(fā)送一次存儲(chǔ)于RFID設(shè)備中的惟一標(biāo)識(shí)。智能終端中的RFID讀取模塊接收到RFID設(shè)備發(fā)送的信息后，通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取與RFID設(shè)備關(guān)聯(lián)的地點(diǎn)信息。有了這些信息，井下作業(yè)人員就可以清楚地了解自己所處的地理位置。

1.2 系統(tǒng)工作原理

將2.45 GHz射頻卡部署到井下巷道中，每個(gè)射頻卡對(duì)應(yīng)一個(gè)地點(diǎn)。射頻卡每隔幾秒鐘發(fā)射一次信號(hào)[5?6]。煤礦作業(yè)人員的手持設(shè)備上有射頻卡與地點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。通過手持設(shè)備接收到射頻卡發(fā)射的信號(hào)，告訴作業(yè)人員當(dāng)前的位置，并在手持設(shè)備的地圖上標(biāo)注當(dāng)前所在的位置。當(dāng)作業(yè)人員需要路線導(dǎo)航時(shí)，在手持設(shè)備上選擇出發(fā)地與目的地，然后篩選路線，并在地圖上畫出路線。根據(jù)作業(yè)人員選擇的路線，在作業(yè)人員行進(jìn)過程中手持設(shè)備不斷接收射頻卡發(fā)射的信號(hào)，更新作業(yè)人員的位置，并根據(jù)被選中的路線的相關(guān)信息，提示下一地點(diǎn)的信息，指導(dǎo)作業(yè)人員到達(dá)目的地。

1.3 導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)步驟

為了讓井下作業(yè)人員可以在復(fù)雜的巷道里，以安全為準(zhǔn)則，以節(jié)省時(shí)間為目的安全的從當(dāng)前位置到達(dá)目的地，井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）根據(jù)煤礦巷道布置平面圖中的地點(diǎn)坐標(biāo)和功能屬性，生成地點(diǎn)和路線信息；

（2）獲取井下作業(yè)人員從出發(fā)地到目的地的路線查詢請(qǐng)求，所述查詢請(qǐng)求包括出發(fā)地和目的地；

（3）根據(jù)查詢請(qǐng)求從路線庫中查找滿足所述查詢要求的所有避險(xiǎn)路線；

（4）顯示查找到的可用的井下避險(xiǎn)路線；

（5）獲取作業(yè)人員路線選擇請(qǐng)求；

（6）在礦用智能終端地圖中顯示被選中的路線，繪制從出發(fā)地到目的地的路線；

（7）當(dāng)作業(yè)人員到達(dá)某一射頻卡附近時(shí)，礦用智能終端接收到射頻信號(hào)；

（8）礦用智能終端根據(jù)接收到的射頻信號(hào)，查詢匹配的地點(diǎn)信息；根據(jù)查詢到的地點(diǎn)信息，顯示當(dāng)前所在的地點(diǎn)，給作業(yè)人員提示，指導(dǎo)作業(yè)人員到達(dá)目的地[7?9]。

2 具體實(shí)施方法

具體實(shí)施方案可以通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1）一種基于射頻技術(shù)和煤礦巷道布置平面圖的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方法的部署實(shí)施方式參照?qǐng)D1示意圖。

（2）根據(jù)不同地點(diǎn)的定位精度要求部署射頻卡。

（3）通過AutoCAD或ArcGIS等，將煤礦巷道布置平面圖轉(zhuǎn)為礦用智能終端可識(shí)別的地圖[10]?？删帉懪幚砦募蜃詣?dòng)處理工具實(shí)現(xiàn)定期更新的煤礦巷道布置平面圖的自動(dòng)轉(zhuǎn)化[7]。

圖1 系統(tǒng)部署方法示意圖

（4）在正式導(dǎo)航之前，通過礦用智能終端將巷道布置平面圖位置與射頻卡部署位置關(guān)聯(lián)。讀取射頻卡的惟一標(biāo)識(shí)，并與地點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)，將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)保存至礦用智能終端的數(shù)據(jù)庫中。

（5）地點(diǎn)與射頻卡關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2是射頻卡與地點(diǎn)關(guān)聯(lián)的示例數(shù)據(jù)。

表2 示例數(shù)據(jù)

（6）在礦用智能終端獲取路線查詢請(qǐng)求，進(jìn)行路線查詢時(shí)用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 路線查詢時(shí)的用到的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

（7）在作業(yè)人員選取路線完成后，礦用智能終端在地圖中繪制路線，繪制路線時(shí)需要查詢的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 繪制路線時(shí)查詢數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

通過這種井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方式，能對(duì)作業(yè)人員的位置精確定位，利用定期更新的煤礦巷道布置平面圖，并利用礦用智能終端為井下作業(yè)人員提供圖形化和語音導(dǎo)航服務(wù)。通過射頻技術(shù)和煤礦巷道布置平面圖的避險(xiǎn)導(dǎo)航方法，可以快速部署到全礦井范圍，不干擾正常生產(chǎn)。除射頻卡以外無需購買專用導(dǎo)航終端，不僅費(fèi)用低，而且定位和導(dǎo)航的精度都比較高，解決了煤礦井下避險(xiǎn)導(dǎo)航的難題[8?9]。

[1]武廣臣，劉艷.基于ArcGIS Engine的數(shù)字校園導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（1）：12?13.

[2]馬新亞，許劍劍.基于ArcGIS的導(dǎo)航道路網(wǎng)絡(luò)的制作和網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2011（10）：112?113.

[3]王雪莉，盧才武.無線定位技術(shù)及其在地下礦山中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2009（4）：121?125．

[4]楚敬龍，王金生.基于GIS的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，32（4）：409?415.

[5]田洪現(xiàn)，楊維.基于無線局域網(wǎng)的礦山井下定位技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（5）：72?76.

[6]趙永翔，周懷北.卡爾曼濾波在室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，55（6）：69?70．

[7]吳功和，叢明日.基于ArcGIS Server的分布式GIS應(yīng)用[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（1）：18?23.

[8]肖瀟.GIS應(yīng)用軟件開發(fā)模式分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007（9）：12?13.

[9]王一軍.城市應(yīng)急最優(yōu)路徑算法[J].系統(tǒng)工程，2008（7）：34?35.

[10]龍倩，周新志.基于ArcGIS Server開發(fā)的Web應(yīng)用研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：22?23.

Underground danger avoidance navigation based on coal mine tunnel map and 2.4 GHz RFID card

WANG Zhong
（Shandong Jianzhu University，Jinan 250022，China）

Since the traditional approach of navigation through the GPS signals is not applied to underground，there is still no a complete navigation solution suitable for underground coal mine.In the absence of GPS signal，the underground path navi?gation has always been a research hot spot.A set of electronic map was developed by the aid of the personal intelligent terminal system，ArcGis platform combined with 2.45 GHz RFID technology and coal mine tunnel map.It can provide the functions of path query，analysis and navigation，accurately position the workers under ground，and display them on the mine intelligent ter?minal.

intelligent terminal；ArcGIS；RFID；navigation

TN911?34

A

1004?373X（2015）07?0050?02

王忠（1977—），男，工學(xué)碩士，講師。主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)軟件開發(fā)、圖形圖像處理。

2014?10?31