王忠

（山東建筑大學，山東濟南250022）

一種基于2.4 GHz射頻卡和煤礦巷道布置圖的井下避險導航方法

王忠

（山東建筑大學，山東濟南250022）

由于傳統(tǒng)的通過GPS信號進行導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航的方案，在沒有GPS衛(wèi)星定位信號的情況下實現(xiàn)礦井下的路徑導航一直是研究的熱點。這里利用礦用智能終端和2.45 GHz RFID射頻技術，結合煤礦巷道布置圖，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；導航

0 引言

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

目前井工煤礦仍沒有一套完整的井下避險導航方案，傳統(tǒng)的通過GPS信號進行導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行定位的系統(tǒng)，但是需要部署基站設置傳輸網(wǎng)絡，這種方式代價高、部署復雜，基站間距大，無法覆蓋全礦井，尤其是人員相對集中的采掘工作面等重點生產(chǎn)區(qū)域，不同巷道對無線信號的吸收程度不同，定位精度差，無法實現(xiàn)精確的避險導航[1?2]。因此，需要建立一套經(jīng)濟實用的井下避險導航系統(tǒng)，為井下作業(yè)人員提供避險導航。

1 避險導航系統(tǒng)原理

1.1 基于RFID數(shù)據(jù)定位

RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸[3?4]。

RFID射頻卡有很多頻段，分為有源和無源兩種，發(fā)射射頻信號的距離也差別很大，經(jīng)過綜合分析，認為射頻卡的識別距離至少在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標識卡，每隔一定時間發(fā)送一次存儲于RFID設備中的惟一標識。智能終端中的RFID讀取模塊接收到RFID設備發(fā)送的信息后，通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取與RFID設備關聯(lián)的地點信息。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，每個射頻卡對應一個地點。射頻卡每隔幾秒鐘發(fā)射一次信號[5?6]。煤礦作業(yè)人員的手持設備上有射頻卡與地點的對應關系數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。通過手持設備接收到射頻卡發(fā)射的信號，告訴作業(yè)人員當前的位置，并在手持設備的地圖上標注當前所在的位置。當作業(yè)人員需要路線導航時，在手持設備上選擇出發(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)人員行進過程中手持設備不斷接收射頻卡發(fā)射的信號，更新作業(yè)人員的位置，并根據(jù)被選中的路線的相關信息，提示下一地點的信息，指導作業(yè)人員到達目的地。

1.3 導航實現(xiàn)步驟

為了讓井下作業(yè)人員可以在復雜的巷道里，以安全為準則，以節(jié)省時間為目的安全的從當前位置到達目的地，井下避險導航方法實現(xiàn)步驟如下：

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

（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求，所述查詢請求包括出發(fā)地和目的地；

（3）根據(jù)查詢請求從路線庫中查找滿足所述查詢要求的所有避險路線；

（4）顯示查找到的可用的井下避險路線；

（5）獲取作業(yè)人員路線選擇請求；

（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）當作業(yè)人員到達某一射頻卡附近時，礦用智能終端接收到射頻信號；

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

2 具體實施方法

具體實施方案可以通過如下步驟實現(xiàn)：

（1）一種基于射頻技術和煤礦巷道布置平面圖的井下避險導航方法的部署實施方式參照圖1示意圖。

（2）根據(jù)不同地點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別的地圖[10]。可編寫批處理文件或自動處理工具實現(xiàn)定期更新的煤礦巷道布置平面圖的自動轉(zhuǎn)化[7]。

圖1 系統(tǒng)部署方法示意圖

（4）在正式導航之前，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聯(lián)。讀取射頻卡的惟一標識，并與地點信息關聯(lián)，將關聯(lián)數(shù)據(jù)保存至礦用智能終端的數(shù)據(jù)庫中。

（5）地點與射頻卡關聯(lián)的數(shù)據(jù)結構見表1。

表1 數(shù)據(jù)結構

表2是射頻卡與地點關聯(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求，進行路線查詢時用到的數(shù)據(jù)結構如表3所示。

表3 路線查詢時的用到的數(shù)據(jù)表結構

（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，繪制路線時需要查詢的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構如表4所示。

表4 繪制路線時查詢數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構

3 結語

通過這種井下避險導航方式，能對作業(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航服務。通過射頻技術和煤礦巷道布置平面圖的避險導航方法，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航終端，不僅費用低，而且定位和導航的精度都比較高，解決了煤礦井下避險導航的難題[8?9]。

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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，工學碩士，講師。主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)、圖形圖像處理。

2014?10?31