礦井人員定位系統(tǒng)中RFID技術(shù)應(yīng)用的探究

【摘 要】礦井人員定位系統(tǒng)是對(duì)煤礦坑道遠(yuǎn)距離移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、車、物在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別，及時(shí)、準(zhǔn)確的將人員及設(shè)備的動(dòng)態(tài)情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，方便管理人員進(jìn)行合理的調(diào)度安排。因此，如何能準(zhǔn)確定位井下人員狀況顯得尤為重要。

【關(guān)鍵詞】人員定位系統(tǒng) RFID 電磁波定位

礦井人員定位系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和地理信息系統(tǒng)，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，定位專利技術(shù)及煤礦井下通信基站專利技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了井下人員的精確定位和其他各業(yè)務(wù)的需要。

井下無線通信是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難題，但相對(duì)于地面無線通信來說進(jìn)展緩慢，主要原因是井下無線通信條件復(fù)雜，直接進(jìn)行理論研究相當(dāng)困難，主要是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)緩慢發(fā)展起來的。一系列實(shí)驗(yàn)表明：在中短波頻段，井下巷道對(duì)電波衰減最大，通信距離最近。在超短波，通信距離隨著頻率升高而增加，電波傳播衰減逐漸減少。在微波頻段，隨著頻率升高衰減變得很小，因此井下巷道可認(rèn)為是微波通信的波導(dǎo)型通道。這是由于巷道直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，微波信號(hào)在巷道中獲得了相對(duì)較大的自由傳播空間形成的。因此，巷道端面尺寸決定了電磁波傳播的截止頻率。端面大，截止頻率低，通信效果就好，端面小，截止頻率高，則必須選擇更高頻率的信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)井下無線通信。

一、RFID人員定位系統(tǒng)工作原理

最基本的射頻識(shí)別由射頻卡/標(biāo)簽（Tag），RFID讀寫器（Reader Writer Device），天線（Antenna）以及應(yīng)用支撐軟件組成，如圖1所示。

首先由井上監(jiān)控中心定位系統(tǒng)軟件將固定監(jiān)控點(diǎn)的位置信息進(jìn)行登記、存儲(chǔ)，同時(shí)為每個(gè)下井人員裝配一個(gè)電子標(biāo)簽并編號(hào)。作業(yè)人員進(jìn)入井下，當(dāng)?shù)竭_(dá)放置在巷道內(nèi)任何一個(gè)閱讀器的識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器感應(yīng)到信號(hào)，接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)并立即上傳到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)就可判斷出具體信息，同時(shí)將信息顯示在監(jiān)控中心電腦顯示屏上并在數(shù)據(jù)庫(kù)中存檔備查。

二、礦井人員定位系統(tǒng)中RFID技術(shù)的定位方法探索

電磁波定位是建立在電磁波測(cè)距基礎(chǔ)上的。電磁波測(cè)距的方法主要有三種，即基于接收?qǐng)鰪?qiáng)的RSS （received signal strength）方法、基于來波到達(dá)時(shí)間的TOA （time of arrival）方法、基于來波到達(dá)角度的AOA （angle of arrival）方法。

（一）RSS方法的可行性分析

場(chǎng)強(qiáng)值隨距離變化存在強(qiáng)烈起伏，在一個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)可以出現(xiàn)30-40dB的變化，所以用場(chǎng)強(qiáng)信息實(shí)現(xiàn)定位是困難的；但是考慮到場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量最易實(shí)現(xiàn)，對(duì)硬件要求低，在定位精度要求不高的情況下可以利用。因此國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在這一領(lǐng)域做了大量的工作，提出了一些基于RSS的定位解決方案以及算法：1.最大似然估計(jì)法、最小均方誤差估計(jì)法。這類方法建立在概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)之上，利用事先建立的信道模型或者統(tǒng)計(jì)規(guī)律，得到似然函數(shù)進(jìn)行位置估計(jì)；2.開窗平均值方法。在每個(gè)定位點(diǎn)上利用長(zhǎng)度為幾十個(gè)波長(zhǎng)的空間窗，將該窗口內(nèi)采樣得到的場(chǎng)強(qiáng)值取均值作為該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值用于位置估計(jì)；3.指紋識(shí)別法。該算法只適合于靜態(tài)情況下應(yīng)用，而且先期工作十分艱巨。

電磁波的傳播環(huán)境比室內(nèi)環(huán)境還要復(fù)雜的多，多徑效應(yīng)比室內(nèi)環(huán)境更加嚴(yán)重，電磁波的場(chǎng)強(qiáng)衰減規(guī)律更難掌握，從而導(dǎo)致更大的定位誤差，精度較低。

（二）TOA方法的可行性分析

TOA方法利用收、發(fā)天線間電磁波的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)距、定位，需要對(duì)接收脈沖的波形進(jìn)行分析，以便確定脈沖到達(dá)時(shí)刻是否精確可測(cè)。也就是需要對(duì)井下信道的脈沖響應(yīng)——寬帶特性有充分的分析與研究。對(duì)每一個(gè)發(fā)射脈沖，信道會(huì)產(chǎn)生多個(gè)沿不同路徑，不同延遲到達(dá)的脈沖，并在接收點(diǎn)上進(jìn)行矢量疊加，這種現(xiàn)象也可以理解為波導(dǎo)色散，不同的模式沿不同的路徑、不同的時(shí)間到達(dá)，造成脈沖展寬。這種效應(yīng)可等價(jià)為線性低通濾波器對(duì)發(fā)射脈沖的低通濾波效應(yīng)。

借助于TOA算法來實(shí)現(xiàn)井下定位是一種可行的方案。在DLOS和 OLOS兩種情況下均能測(cè)出脈沖到達(dá)時(shí)刻，從而可以確定收發(fā)天線間的距離：1.DLOS情況。在接收點(diǎn)上可以接收到直射波到達(dá)脈沖，且這個(gè)脈沖是最先到達(dá)的，具有最大幅值，通過確定該脈沖到達(dá)時(shí)刻，就可以確定收發(fā)天線之間的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位；2.OLOS情況。接收點(diǎn)處也有直射波到達(dá)脈沖，但是這個(gè)脈沖是經(jīng)歷極大衰減的脈沖，只有在接收器具有足夠高的靈敏度，足夠高的動(dòng)態(tài)范圍的情況下才能檢測(cè)出來，否則，接收器將最先到達(dá)的幅值超過其靈敏度的脈沖作為直射波到達(dá)脈沖，產(chǎn)生定位誤差。

（三）AOA方法的可行性分析

AOA算法只需要2個(gè)基站就可以確定位置，而2條直線只有一個(gè)交點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)軌跡有多個(gè)交點(diǎn)的現(xiàn)象，即定位的模糊性。但為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)的天線需要改進(jìn)，必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。這導(dǎo)致接收機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大，適合于在地面蜂窩小區(qū)基站應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)人員定位，對(duì)井下利用來說是不利的。

通過上述比較得出：RSS方法和TOA方法可應(yīng)用于井下移動(dòng)通信定位，RSS方法的定位誤差相對(duì)較大，TOA方法更為適合井下移動(dòng)通信定位，而OAO方法主要適合于在地面蜂窩小區(qū)基站應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)人員定位。由于礦井人員定位系統(tǒng)由地上部分和地下部分組成，同時(shí)兩部分的工作環(huán)境差別很大，因此，通過三種方法的有機(jī)結(jié)合增加井下通信的安全性和穩(wěn)定性，確保煤礦生產(chǎn)安全，合理減少相應(yīng)的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣樹青。礦用井下人員定位管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電子科技大學(xué)，2012.9

[2]徐宏雷。井下人員定位系統(tǒng)研究，遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009.12