礦井RFID人員定位跟蹤系統(tǒng)的介紹

1、 礦井RFID人員定位跟蹤系統(tǒng)一 概述井下煤炭開采作業(yè)安全生產(chǎn)會(huì)遇到所謂的四大害：瓦斯、煤粉塵、透水、塌方，導(dǎo)致了大部分井下事故，例如瓦斯爆炸，透水或塌方等事故。和國外礦井相比，國大部分煤礦的生產(chǎn)條件和環(huán)境更為惡劣，加上煤炭需求非常強(qiáng)烈，短期安全生產(chǎn)措施往往跟不上，使得煤炭安全生產(chǎn)非常不樂觀，嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全保障。當(dāng)務(wù)之急，積極利用現(xiàn)代高新技術(shù)，改造煤炭安全生產(chǎn)的老舊技術(shù)，確實(shí)保障煤炭安全生產(chǎn)。射頻識(shí)別RFID是繼互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展之后涌現(xiàn)的新一代技術(shù)，被譽(yù)為21世紀(jì)十大新技術(shù)之一。中低頻RFID技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于一卡通、門禁、票證等領(lǐng)域，取得了很好的社會(huì)效果。然而，這種被動(dòng)式RFID閱讀距離

2、短，閱讀率低等限制了更為廣泛的應(yīng)用。無源RFID技術(shù)主要朝降低單品管理的標(biāo)簽成本方向發(fā)展。主動(dòng)有源RFID技術(shù)近年來成為世界各國研發(fā)的重點(diǎn)和新方向，主動(dòng)式RFID標(biāo)簽克服了無源標(biāo)簽的操作距離短、識(shí)別率低等缺點(diǎn)。不僅如此，主動(dòng)式RFID標(biāo)簽技術(shù)具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，開始和傳感技術(shù)以與通訊等技術(shù)融合，為RFID技術(shù)開辟了新的應(yīng)用前景。例如，微波段的RFID技術(shù)和無線保真Wi-Fi通訊技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)無線區(qū)域定位，填補(bǔ)了GPS定位不能在地下和復(fù)雜環(huán)境下工作的空缺。主動(dòng)式RFID的新技術(shù)和新功能包括：雙向通訊功能、主動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)報(bào)警、無線傳感、無線定位、環(huán)境記錄等等?？梢哉f，RFID技術(shù)已經(jīng)超

3、越了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的原始疇，還具備了自動(dòng)報(bào)警等智能化因素，在資源開采、生產(chǎn)制造、安防和生命保障等領(lǐng)域發(fā)揮以前不可想象的作用。我們公司在有源RFID基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)上投入了大量的研發(fā)資金，創(chuàng)造性地融合無線保真Wi-Fi技術(shù)和微波RFID射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域無線精確定位，和無線傳感等技術(shù)。在多信道、超寬帶、調(diào)頻技術(shù)上獲得了一些列的突破，保證RFID標(biāo)簽在復(fù)雜環(huán)境下正常工作，在世界上處于領(lǐng)先地位。目前，已經(jīng)完成礦井RFID人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別，井下人員定位，瓦斯無線報(bào)警等功能。二 RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用特征1、 定位：RFID身份識(shí)別和井下定位技術(shù)幫助實(shí)現(xiàn)礦井下作業(yè)人員的跟蹤管理，并且為

4、礦難援救提供定位等科學(xué)依據(jù)；2、 預(yù)警：RFID井下無線報(bào)警技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)井下災(zāi)害的預(yù)警，進(jìn)行災(zāi)害預(yù)報(bào)，并配合井下人員跟蹤系統(tǒng)，組織礦工安全疏散；3、 統(tǒng)一指揮調(diào)度：RFID技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，可以在地面上對(duì)井下作業(yè)環(huán)境，生產(chǎn)管理，災(zāi)害預(yù)警，和應(yīng)急事件處理等整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，為礦上領(lǐng)導(dǎo)統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一調(diào)度提供強(qiáng)有力的工具；4、 政府安全管理：如果煤炭生產(chǎn)單位和政府相關(guān)機(jī)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)，可以在政府的監(jiān)控中心對(duì)全省的所有礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在第一時(shí)間獲得災(zāi)害預(yù)報(bào)和發(fā)生的信息，對(duì)災(zāi)害發(fā)生應(yīng)急反應(yīng)。三 RFID定位原理無線實(shí)時(shí)定位跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作頻率為2.45GHz，是基于無線網(wǎng)中的到達(dá)時(shí)

5、間差TDOA（Time Difference Of Arrival）和接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI（ Receiver Signal Strength Indicator）兩種定位算法，并與無線保真（Wi-Fi）技術(shù)和射頻識(shí)別（RFID）相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和跟蹤。 )fference O置。信號(hào)干擾的影響，精度和可靠性都比較好，TDOA（Time Difference Of Arrival）到達(dá)時(shí)間差定位技術(shù)是根據(jù)不同基站接收到的同一移動(dòng)終端信號(hào)在傳輸路徑上的時(shí)延差異實(shí)現(xiàn)終端定位。TDOA算法不是直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間，而是用多個(gè)基站接收到信號(hào)的時(shí)間差來確定移動(dòng)臺(tái)位置。移動(dòng)臺(tái)定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)

6、的雙曲線方程上。確定移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用最小均方誤差算法，通過使非線性誤差函數(shù)的平方和取得最小這一非線性最優(yōu)化來估計(jì)移動(dòng)臺(tái)位置。圖2 TDOA基本原理圖RFID電子標(biāo)簽、信號(hào)接收器、和定位引擎服務(wù)器等組成定位系統(tǒng)，根據(jù)三點(diǎn)決定坐標(biāo)定位原理，實(shí)現(xiàn)平面定位。RFID電子標(biāo)簽每2秒發(fā)射一次信號(hào)，信號(hào)接收器接收數(shù)字信號(hào)，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳到定位引擎。定位引擎則用TDOA或者RSSI算法快速計(jì)算出標(biāo)簽的空間坐標(biāo)（X，Y）。圖 1 定位圖四 主要設(shè)備RFID電子標(biāo)簽，定位接受器，卡口偵測器：圖2a RFID標(biāo)簽 圖2b定位接

7、收器圖2c RFID卡口偵測器五 系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)主要包括終端子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、監(jiān)控中心子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)四級(jí)系統(tǒng)組成。六 井下部署圖10：井下射頻定位示意圖七 系統(tǒng)功能入口：在礦井入口安裝必要的卡口設(shè)備，可以進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的自動(dòng)化人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)工作，給收工時(shí)離開礦井的人數(shù)統(tǒng)計(jì)作必要的參照，防止不必要的工作失誤?？拥溃涸趪艽蟮目拥?，安裝必要的數(shù)量的定位接收器，接收設(shè)備發(fā)送的信號(hào)，每時(shí)每刻都在進(jìn)行著人員的定位工作，并把必要的信息已高度可視化的方式反饋到指揮中心，方便后勤管理人員進(jìn)行人員安全的實(shí)時(shí)管理。作業(yè)面：在最容易發(fā)生危險(xiǎn)的作業(yè)面，由于每個(gè)礦井工作人員都攜帶報(bào)警標(biāo)簽，當(dāng)突發(fā)安全事故的時(shí)候

8、，可以通過按下標(biāo)簽上的緊急按鈕，將信息發(fā)送到指揮中心，有關(guān)人員的所有相關(guān)重要信息就都會(huì)顯示在后勤管理的大屏幕上了。一般情況下，作業(yè)面相對(duì)安全，作業(yè)面的工人也處在坑道定位接收器的定位圍。如果作業(yè)面的圍也很大，為了確位精確與快速，可以加裝一定數(shù)量定位器。這樣在信號(hào)比較弱的地方，對(duì)井下工作人員的人身安全也有了更大保障。應(yīng)急避難地：返回地上：當(dāng)工作一天結(jié)束時(shí)，人員返回地上，如果發(fā)生卡口處人員統(tǒng)計(jì)與進(jìn)入是不符合的情況，將發(fā)生應(yīng)急報(bào)警機(jī)制，通知指揮人員，快速找出丟失人員所在。對(duì)于丟失統(tǒng)計(jì)的核對(duì)出的人員，根據(jù)其工作編號(hào)進(jìn)行定位查找工作，可以發(fā)現(xiàn)他的所在位置，不會(huì)造成混亂。預(yù)警機(jī)制：預(yù)警機(jī)制分被動(dòng)預(yù)警和主動(dòng)預(yù)

9、警兩種，前一種是當(dāng)特定的危險(xiǎn)條件接近要發(fā)生的情況是舉發(fā)出警報(bào)，顯示在報(bào)警的大屏幕上，主動(dòng)式報(bào)警則是更多通過管理人員進(jìn)行自主式的找到工作手動(dòng)報(bào)警：手動(dòng)報(bào)警主要用于已經(jīng)發(fā)生了事故和可能發(fā)生事故的情況下，通過標(biāo)簽上的按鈕觸發(fā)報(bào)警，快速通知指揮中心。定位分析：實(shí)時(shí)定位可以保證系統(tǒng)每時(shí)每刻都能檢測到在它的圍人員的移動(dòng)情況，并可以進(jìn)行查詢。準(zhǔn)確地知道工人所在位置。人員歷史移動(dòng)軌跡與最近記錄：系統(tǒng)除了可以看到當(dāng)前的工作人員坐在位置，還可以通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫查詢每個(gè)攜帶標(biāo)簽的井下工人的歷史移動(dòng)軌跡記錄。當(dāng)系統(tǒng)和井下人員失去聯(lián)系的時(shí)候，可以查詢最近1分鐘的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，查找到特定人員最接近的所在位置，進(jìn)行援救。歷史記錄的另外一個(gè)好處是它能夠在平時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)井下人員下工作人員移動(dòng)狀況礦難救援人員的查找：發(fā)生礦難事故的時(shí)候，查找失蹤人員一致時(shí)比較頭疼的問題，偵測器直接針對(duì)失蹤人員身上的標(biāo)簽進(jìn)行主動(dòng)式探測，只要在它的接收圍50米，人員都可以被快速的查找到。礦難人員可以按紐報(bào)警，系統(tǒng)接收到報(bào)警信號(hào)，表明人員生命存在，最大限度地提高活人救援的成功率。各