井下人員定位系統(tǒng)

井下人員定位系統(tǒng)
摘要:本文主要介紹了綜合應(yīng)用WSN,RFID,WLAN,SDR技術(shù)的WMSRS系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)總體目標(biāo)、整體方案，詳細(xì)介紹了運(yùn)用射頻技術(shù)進(jìn)行井下定位的工作原理，給出了WMSRS監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件結(jié)構(gòu)體系框圖。
關(guān)鍵詞:WMSRS;RFID;定位;實(shí)時(shí)監(jiān)控

1前言
我國(guó)是世界第一產(chǎn)煤大國(guó)，煤礦礦山近3萬(wàn)多個(gè)，其中大中型煤礦500多個(gè)，小煤礦2萬(wàn)多個(gè)，井下工作人員超過(guò)100萬(wàn)人。近年來(lái)礦井危險(xiǎn)性事故時(shí)有發(fā)生，煤礦事故死亡人數(shù)是世界上其他主要采煤國(guó)家死亡人數(shù)的4倍。山西省小煤礦爆炸、北京大安山煤礦巷道塌陷、吉林省萬(wàn)寶煤礦火災(zāi)……隨著對(duì)煤炭需求量的不斷增大，近年來(lái)我國(guó)煤礦事故攀升趨勢(shì)嚴(yán)重，煤礦安全狀況令人擔(dān)憂。分析近期幾個(gè)煤礦發(fā)生的特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)最主要的原因是地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)，以至地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，難以進(jìn)行精確人員定位。井下地形復(fù)雜給人員撤離和事故搶救帶來(lái)了極大的困難。若能及早確定井下人員所處的位置，會(huì)給營(yíng)救工作帶來(lái)極大的方便，并且能節(jié)省大量的時(shí)間，將人員損失減少到最小。無(wú)線礦井生命安全與救援系統(tǒng)(WMSRS,WirelessMineSecureandRescueSystem)是基于RFID(RadioFrequencyIdentification)技術(shù)進(jìn)行井下定位，可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，其傳輸范圍大，成本低，因此備受關(guān)注。

2WMSRS系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
(1)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)考勤與井下人車查詢功能，主要包括人員以及車輛的下井統(tǒng)計(jì)與報(bào)告(AccessReport)、位置報(bào)告(PositionReport)、工作時(shí)間報(bào)告(WorkerInsiderMineReport)。
(2)實(shí)時(shí)地進(jìn)行瓦斯?jié)舛葓?bào)告(GasDensityReport).溫度與濕度報(bào)告(TemperatureandHumidityReport)、環(huán)境參數(shù)報(bào)告(OtherSurroundingParametersReport)。
(3)事故救援:出現(xiàn)任何形式的事故，比如塌方、瓦斯爆炸等，可對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)被埋人員進(jìn)行搜尋和定位，與其進(jìn)行簡(jiǎn)單通信(語(yǔ)音、數(shù)據(jù)及視頻)，以便有效準(zhǔn)確的進(jìn)行救援，最大限度的減少人員的損失，并且可以通過(guò)通訊手段將事故的發(fā)生地點(diǎn)和事故性質(zhì)進(jìn)行通知，進(jìn)而可以指揮井下工作人員選擇最合理的逃生路線及進(jìn)行自救。
(4)安全保障功能:實(shí)現(xiàn)人員定位，阻止違章事件，并將違章人員記錄在案。如出現(xiàn)人員丟失即時(shí)報(bào)警或發(fā)現(xiàn)井下人員超過(guò)規(guī)定時(shí)間，自動(dòng)報(bào)警提示并提供相關(guān)人員的名單。
(5)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控:BS可裝備帶圖像編碼的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)采礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)高清晰度圖像監(jiān)控。

3WMSRS系統(tǒng)整體方案
WMSRS綜合應(yīng)用WSN(WirelessSensorNetwork無(wú)線傳感器網(wǎng))、RFID,WLAN,SDR(ShortDistanceRadio短距離無(wú)線通信設(shè)備)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一套高效、高可靠性、低成本、布設(shè)容易的無(wú)線礦井安全與救援系統(tǒng)。它是采用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)井下人員進(jìn)行識(shí)別，利用無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
WMSRS系統(tǒng)分為地上和地下兩個(gè)部分。其地上部分主要為WMSRS信息監(jiān)控中心以及與其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與硬軟件平臺(tái)。位于WMSRS信息監(jiān)控中心的WMSRSSeve:主要是基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)適時(shí)采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，同時(shí)該軟件也具備考勤記錄功能，環(huán)境數(shù)據(jù)分析與比較以及通過(guò)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)礦區(qū)報(bào)警等功能。WMSRS系統(tǒng)的地下部分有兩種設(shè)備，一種是WMSRSBS(WMSRS無(wú)線基站)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，BS實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的AP功能，收集與采集同樣裝備有SDR設(shè)備的礦工、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和礦車的位置信息、狀態(tài)信息以及礦井下瓦斯、CO、溫度、濕度等環(huán)境信息，并將這些信息作本地的壓縮、加密處理，向Sever實(shí)時(shí)提交數(shù)據(jù)。另一種是WMSRSSDR，它的功能類似于一般的RFID(RadioFrequencyIdentification)標(biāo)簽，利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別目的。SDR設(shè)備采用ISM頻段的短距離無(wú)線電通信技術(shù)，主要裝備在礦工、礦車以及環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備三個(gè)實(shí)體上。結(jié)構(gòu)如圖3所示，在礦工在井下工作時(shí)通過(guò)與BS的通信，監(jiān)測(cè)其位置以及持續(xù)工作時(shí)間;必要時(shí)，礦工可控制其向BS發(fā)送呼救、請(qǐng)求、應(yīng)答等預(yù)設(shè)信息。并且可以將各種傳感器采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹S.

4井下定位原理
WMSRS系統(tǒng)將BS安裝在井下需要監(jiān)控的地方，分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定，SDR設(shè)備插在礦工的礦帽上。采用信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)井下人員的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下重要儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)報(bào)。SDR設(shè)備RF芯片選用了Chipcon公司的CC1010無(wú)線收發(fā)芯片，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。CC1010是Chipcon公司推出的單片機(jī)可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipcon’sSmartRF技術(shù)，可工作在ism頻段(300-1OOOMHz)。CCIO10集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、可編程控制等多種功能。它配置最常用的通信參數(shù)，如接收/發(fā)射方式、射頻輸出的功率、射頻輸出頻率、數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)編碼等。
系統(tǒng)采用的定位算法主要是基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)，在已知發(fā)射功率的情況下，在接收點(diǎn)測(cè)量接收功率，通過(guò)測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以推算出井下移動(dòng)物體到基站的距離，計(jì)算傳播損耗，使用理論和經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。得到SDR與BS之間的大概距離后，采用三邊測(cè)距法計(jì)算出SDR的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個(gè)SDR設(shè)備到三個(gè)BS的距離來(lái)確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測(cè)距法在二維平面上用幾何圖形表示出來(lái)的意義是:當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓心、以距離為半徑的圓上;得到未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。

5管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
位于WMSRS信息監(jiān)控中心的WMSRSSever主要是基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)適時(shí)采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，是一套綜合性的煤礦監(jiān)控軟件，監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、處理數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高、控制能力強(qiáng)、功能多。
基于人員定位的WMSRS系統(tǒng)綜合應(yīng)用WSN,RFID,WLAN技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一套高效、高可靠性、低成本、布設(shè)容易的無(wú)線礦井安全與救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，對(duì)井下重要儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)報(bào)，可快速指導(dǎo)礦井突發(fā)性事故的救護(hù)工作，是一種先進(jìn)實(shí)用的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)。WMSRS系統(tǒng)有著非常大的社會(huì)意義和市場(chǎng)前景。