基于射頻識別的井下交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)

劉 睿

（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院，湖北武漢 430064）

0 引 言

隨著國家對礦井安全的日益重視和監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)，特別是井下安全避險“六大系統(tǒng)”相關(guān)規(guī)定的出臺，我國采礦企業(yè)已基本實現(xiàn)了井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)的建設(shè)，這些安全裝備的推廣應(yīng)用大大改善了礦井安全生產(chǎn)狀況。但針對輔助運(yùn)輸方式采用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車不轉(zhuǎn)載連續(xù)運(yùn)輸?shù)牡V井，井下作業(yè)車輛的管理還尚未完善。由于礦井的特定環(huán)境，給井下作業(yè)車輛定位、調(diào)度帶來了一定的困難，車輛一旦在井下發(fā)生問題（如車輛在井下堵塞、車輛故障等），將會造成撞車、追尾等事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，并帶來安全隱患。井上人員也難以及時掌握井下車輛的動態(tài)分布及作業(yè)情況。開發(fā)井下交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)，旨在對井下車輛進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測和定位指揮調(diào)度，保證車輛安全通行，避免車輛相互堵塞，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

設(shè)計考慮結(jié)合井下車輛作業(yè)的特點，在每一輛無軌膠輪車上安裝車輛識別卡（電子標(biāo)簽），每個識別卡的ID號碼都是唯一的，并在上位機(jī)系統(tǒng)中和司乘人員的基本信息一一對應(yīng)。利用RFID（Radio Frequency Identification）非接觸射頻識別技術(shù)通過射頻監(jiān)控點實現(xiàn)車輛的位置傳感，RFID讀卡器通過固有頻率的射頻載波向車輛識別卡傳送信號，當(dāng)攜帶識別卡的車輛進(jìn)入讀卡器天線有效工作區(qū)內(nèi)，標(biāo)簽主動將卡內(nèi)載有識別碼的信息經(jīng)卡內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射出去，讀卡器接收標(biāo)簽發(fā)射來的載波信號，經(jīng)過讀卡器內(nèi)部處理并提取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。同時，利用智能化的信號機(jī)作為指揮車輛運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而射頻監(jiān)控點、信號機(jī)與井下交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信則采用了高可靠的CAN（Controller Area Network）現(xiàn)場總線技術(shù)。

地面車隊調(diào)度室和礦井總控中心都能夠通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與井下設(shè)備實現(xiàn)交互，經(jīng)定位算法確定作業(yè)車輛位置，由上位監(jiān)控軟件處理并在屏幕上顯示，對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行判別，推演其作業(yè)進(jìn)度和安全情況，進(jìn)而可以控制信號燈進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理。使該系統(tǒng)成為融入全礦綜合自動化的一個具有相對獨立職能的子系統(tǒng)。

當(dāng)下井人員也佩戴電子標(biāo)簽作業(yè)時，本系統(tǒng)還能同時完成井下人員定位和管理的功能，無須單獨設(shè)置井下人員定位系統(tǒng)，有效利用和整合設(shè)備資源。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及傳輸機(jī)制

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)的設(shè)備包括車輛識別卡（電子標(biāo)簽）、讀卡器、信號燈、多路電源、監(jiān)控機(jī)、CAN接口卡、網(wǎng)橋及通信電纜等。交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 傳輸機(jī)制

整個井下交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)的傳輸機(jī)制由兩種網(wǎng)絡(luò)組成，即無線的傳感網(wǎng)絡(luò)和有線的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

1）傳感網(wǎng)絡(luò)一般由RFID讀卡器和車輛識別卡組成，可以看作一個無線連接的讀卡器／車輛識別卡陣列。移動目標(biāo)上攜帶有標(biāo)簽，標(biāo)簽在激活狀態(tài)下向讀卡器發(fā)送標(biāo)簽存儲的ID信息，讀卡器接收來自附件區(qū)域標(biāo)簽的信息，并根據(jù)系統(tǒng)要求獲取移動目標(biāo)的特征信息，將其存儲在讀卡器中，通過信號強(qiáng)度可以計算出目標(biāo)當(dāng)前位置。

電磁波在礦井巷道中屬于帶阻型的自由傳播。在低頻段和中頻低段，衰減隨頻率增大而增大；在中頻高段和高頻頻段，衰減達(dá)到最大；進(jìn)入甚高頻后，衰減隨頻率上升而減小。根據(jù)井下的實際需要，在甚高頻段和特高頻段頻率越高，衰減越小，因此應(yīng)盡可能選擇甚高頻和特高頻頻段。目前使用頻段2.4GHz，868MHz，915MHz均為免執(zhí)照頻段［1］?？紤]到與目前主流移動通信系統(tǒng)兼容，選擇2.4GHz為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作頻段。該頻段內(nèi)的元器件來源豐富、價格低廉，而且有關(guān)技術(shù)也比較成熟，開發(fā)較為方便［2］。

2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)地面監(jiān)控中心與各讀卡器之間的數(shù)據(jù)傳輸。為縮短信號燈的響應(yīng)時間，各讀卡器往監(jiān)控機(jī)傳送數(shù)據(jù)可不用輪詢方式而直接采用即時傳送方式。讀卡器的CAN接口經(jīng)網(wǎng)橋與監(jiān)控機(jī)之間考慮采用CAN總線連接，通信網(wǎng)關(guān)經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)與地面監(jiān)控中心上位機(jī)之間均為工業(yè)以太網(wǎng)連接。

CAN 總線直接通信距離可達(dá)10km／（5kbps），采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場為8個節(jié)數(shù)（CAN技術(shù)規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重發(fā)時間短。CAN的每幀數(shù)據(jù)都有CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗及其它檢錯措施，受干擾概率小，數(shù)據(jù)出錯率極低［3］，適合在井下環(huán)境中使用。特別是CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，其通訊方式具有分散仲裁和多主運(yùn)行的特點［4］，當(dāng)巷道內(nèi)車輛眾多，使多個讀卡器同時檢測到車輛識別碼，同時向總線傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點將主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效避免總線沖突。

地面監(jiān)控中心根據(jù)交通運(yùn)輸管理規(guī)則將調(diào)度指令經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送至傳感網(wǎng)絡(luò)。同時，傳感網(wǎng)絡(luò)中的讀卡器獲取移動目標(biāo)相關(guān)信息后，實時反饋給地面監(jiān)控中心。最后，由地面監(jiān)控中心執(zhí)行特定的動態(tài)定位算法得出移動目標(biāo)的位置信息。

3 系統(tǒng)軟件研究

3.1 RFID定位算法

在系統(tǒng)定位過程中，當(dāng)多個車輛識別卡同時與一處讀卡器建立通信時，車輛識別卡與車輛識別卡之間便會存在信號碰撞問題。在解決防漏碰撞方面，提高識別效率是RFID走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵［5］。因讀卡器向其覆蓋范圍內(nèi)所有車輛識別卡發(fā)出廣播指令后，收到廣播指令的所有車輛識別卡都會將自身的ID信息發(fā)送給讀卡器，但這些車輛識別卡是共享信道的，所以同時發(fā)送信息給讀卡器會產(chǎn)生通信沖突。

本系統(tǒng)考慮采用的LARNDMARC定位算法是一種基于信號強(qiáng)度的定位技術(shù)，它根據(jù)接收的信號強(qiáng)度指示來確定移動目標(biāo)的位置。該算法是基于主動RFID校驗的動態(tài)定位系統(tǒng)，引入?yún)⒖紭?biāo)簽充當(dāng)該定位系統(tǒng)的參考點，通過參考點的信號強(qiáng)度值與待定位標(biāo)簽的信號強(qiáng)度值之間的比較，計算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)［6］。

3.2 管理軟件和數(shù)據(jù)庫設(shè)計

地面監(jiān)控中心上位機(jī)所配備的管理軟件考慮采用Visual C＋＋2003和.Net開發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集與信息處理功能［7］。根據(jù)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對大量定位、調(diào)度和報警等數(shù)據(jù)集中進(jìn)行整理分析，最后采用文件結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)。

這種數(shù)據(jù)管理方案的具體管理方式是空間數(shù)據(jù)通過文件管理，非空間屬性數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫管理。其中關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server，而空間數(shù)據(jù)的管理則采用MapInfo的標(biāo)準(zhǔn)文件格式Tables（Tab，擴(kuò)展名為tab）進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的存儲［8］。本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)主要包括：基站（點圖層）、礦井巷道（線圖層）和其他用戶新建圖層。非空間屬性數(shù)據(jù)主要包括：作業(yè)車輛信息、礦井巷道信息、工作區(qū)域信息、車輛識別卡（電子標(biāo)簽）信息、基站基本信息，這些屬性數(shù)據(jù)均采用 Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

4 系統(tǒng)主要功能

井下交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)主要需要實現(xiàn)的功能包括定位、跟蹤、調(diào)度和管理。具體可分為3個方面。

4.1 井下車輛定位及在線監(jiān)視功能

1）實時顯示運(yùn)輸斜坡道巷道圖，并在圖上顯示系統(tǒng)各讀卡器、信號燈在巷道內(nèi)的分布狀況以及各信號燈的狀態(tài)；

2）實時顯示斜坡道內(nèi)各區(qū)段、錯車平臺內(nèi)當(dāng)前車輛行駛方向（箭頭長度或無箭頭），區(qū)段、錯車平臺內(nèi)有無車輛行駛及車輛數(shù)；

3）實時顯示斜坡道內(nèi)各區(qū)段當(dāng)前行駛車輛的車牌號、車型（圖標(biāo)）和行駛方向；

4）點擊某車輛圖標(biāo)彈出含有該車車牌號、車型等檔案及其運(yùn)行軌跡的近期歷史數(shù)據(jù)表格；

5）點擊某讀卡器圖標(biāo)彈出含有經(jīng)過此讀卡器的車輛車牌號、車型、經(jīng)過時刻等檔案的近期歷史數(shù)據(jù)表格；

6）顯示報警畫面。違章或車輛在巷道內(nèi)停留時間過長將引起系統(tǒng)聲、光報警。本系統(tǒng)能將所有報警信息按時間順序保存在硬盤上。每個報警項內(nèi)容包括發(fā)生報警的日期和時間、報警位置、類型等。

4.2 調(diào)度管理功能

1）信號燈自動控制功能。系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)輸斜坡道內(nèi)各車輛的當(dāng)前位置，經(jīng)由行車規(guī)則確定的算法，自主地改變信號燈的顏色，通過信號燈的自動控制指揮車輛有序地進(jìn)入某一區(qū)段或停留在錯車平臺等候，從而大大提高巷道的車輛通過能力。

2）信號燈人工干預(yù)功能。當(dāng)巷道內(nèi)出現(xiàn)某種非正常運(yùn)行狀態(tài)，或者工作需要，如有一車輛在巷道內(nèi)發(fā)生故障而造成堵車，調(diào)度員可進(jìn)行人工干預(yù)：當(dāng)調(diào)度員點擊相應(yīng)的信號機(jī)圖標(biāo)，即可人工切換信號機(jī)的狀態(tài)，指揮車輛故障處理完畢后，可按同樣的操作將信號機(jī)的狀態(tài)從人工控制切換到自動控制。

3）入口處車輛準(zhǔn)入控制。在井口房入口處通過設(shè)置柵欄，在監(jiān)測到車輛出井時自動開啟，監(jiān)測到登記車輛（配置有車輛識別卡）門口等待時自動放行，未監(jiān)測到車輛信號自動關(guān)閉閘門，也可人工控制閘門。

4.3 車輛行駛軌跡重演功能

系統(tǒng)可存儲行車數(shù)據(jù)并重演（回放）指定時間段的各行駛車輛的運(yùn)行軌跡。系統(tǒng)可存儲完整的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)度員可隨時回放任一時段的車輛運(yùn)行情況，以便為事故分析提供依據(jù)。

5 井下具體設(shè)置原則

井下交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)通過信號燈對車輛行駛進(jìn)行調(diào)度指揮，因此需要在井下避讓硐室、彎道和丁字路口等位置放置信號燈指引車輛行駛，保證運(yùn)輸暢通。以不同巷道情況為例說明設(shè)備布置和控制原則如圖2所示。

圖2 井下系統(tǒng)設(shè)備布置示意圖

信號燈以不同顏色信號指示車輛運(yùn)行，其紅色燈光為禁行信號，綠色燈光為通行信號，綠色箭頭為按箭頭指示的方向通行。各種情況的具體設(shè)置原則如下：

1）較窄直行巷道避讓硐室信號燈的設(shè)置。井下巷道寬度有限時（如輔運(yùn)順槽等），行車過程依靠避讓硐室進(jìn)行錯車保證運(yùn)輸通暢。巷道較窄車輛必須依靠避讓硐室時，系統(tǒng)則必須將每處避讓硐室設(shè)為雙向區(qū)間，其它僅允許1輛車通過的部分設(shè)為單向區(qū)間，在單向區(qū)間入口放置信號燈，保證單向區(qū)間內(nèi)只有單方向車輛行駛，信號燈前方和信號燈后方均放置讀卡器進(jìn)行監(jiān)測。

2）較寬直行巷道避讓硐室信號燈的設(shè)置。井下巷道較寬時（如輔運(yùn)大巷等），允許一般車輛自由錯車，但特種車輛錯車必須依靠避讓硐室時，信號燈設(shè)置過于密集反而影響行車流暢。因此，當(dāng)巷道寬度容許普通車輛交錯時，平直巷道內(nèi)可以每間隔500～800m進(jìn)行信號燈設(shè)置，其它部分僅作車輛信息監(jiān)測。

3）彎道信號燈的設(shè)置。行車巷道中彎道嚴(yán)重影響車輛駕駛?cè)藛T視線，需要在進(jìn)入彎道區(qū)域前放置信號燈，避免對向車輛進(jìn)入。信號燈前方和后方的彎道內(nèi)均放置車輛讀卡器。

4）交叉路口信號燈的設(shè)置。交叉路口作為雙向區(qū)間，叉路口至避讓硐室之間的區(qū)域作為需要控制的單向區(qū)間，信號燈布置在叉路口通往不同方向的巷道口，其對向信號燈放置在單向區(qū)間的出口位置。交叉路口中央放置位置識別讀卡器，作為多臺信號燈共用的接近信號；信號燈后方也需放置車輛讀卡器。

6 結(jié) 語

隨著射頻識別和總線技術(shù)的高速發(fā)展，在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。通過信息化手段為礦井的安全生產(chǎn)提供及時有效的井下交通運(yùn)輸管理，能夠滿足礦井對下井作業(yè)車輛管理的實際需求，進(jìn)一步改善礦井安全生產(chǎn)狀況。

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