摘 要： 由于傳統(tǒng)的通過GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)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(dǎo)航的方案，在沒有GPS衛(wèi)星定位信號(hào)的情況下實(shí)現(xiàn)礦井下的路徑導(dǎo)航一直是研究的熱點(diǎn)。這里利用礦用智能終端和2.45 GHz RFID射頻技術(shù)，結(jié)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(dǎo)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。

關(guān)鍵詞： 智能終端； ArcGIS； RFID； 導(dǎo)航

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0050?02

0 引 言

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

目前井工煤礦仍沒有一套完整的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方案，傳統(tǒng)的通過GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)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(jìn)行定位的系統(tǒng)，但是需要部署基站設(shè)置傳輸網(wǎng)絡(luò)，這種方式代價(jià)高、部署復(fù)雜，基站間距大，無法覆蓋全礦井，尤其是人員相對(duì)集中的采掘工作面等重點(diǎn)生產(chǎn)區(qū)域，不同巷道對(duì)無線信號(hào)的吸收程度不同，定位精度差，無法實(shí)現(xiàn)精確的避險(xiǎn)導(dǎo)航[1?2]。因此，需要建立一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，為井下作業(yè)人員提供避險(xiǎn)導(dǎo)航。

1 避險(xiǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)原理

1.1 基于RFID數(shù)據(jù)定位

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)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(hào)的距離也差別很大，經(jīng)過綜合分析，認(rèn)為射頻卡的識(shí)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(biāo)識(shí)卡，每隔一定時(shí)間發(fā)送一次存儲(chǔ)于RFID設(shè)備中的惟一標(biāo)識(shí)。智能終端中的RFID讀取模塊接收到RFID設(shè)備發(fā)送的信息后，通過查詢數(shù)據(jù)庫獲取與RFID設(shè)備關(guān)聯(lián)的地點(diǎn)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(gè)射頻卡對(duì)應(yīng)一個(gè)地點(diǎn)。射頻卡每隔幾秒鐘發(fā)射一次信號(hào)[5?6]。煤礦作業(yè)人員的手持設(shè)備上有射頻卡與地點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。通過手持設(shè)備接收到射頻卡發(fā)射的信號(hào)，告訴作業(yè)人員當(dāng)前的位置，并在手持設(shè)備的地圖上標(biāo)注當(dāng)前所在的位置。當(dāng)作業(yè)人員需要路線導(dǎo)航時(shí)，在手持設(shè)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(jìn)過程中手持設(shè)備不斷接收射頻卡發(fā)射的信號(hào)，更新作業(yè)人員的位置，并根據(jù)被選中的路線的相關(guān)信息，提示下一地點(diǎn)的信息，指導(dǎo)作業(yè)人員到達(dá)目的地。

1.3 導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)步驟

為了讓井下作業(yè)人員可以在復(fù)雜的巷道里，以安全為準(zhǔn)則，以節(jié)省時(shí)間為目的安全的從當(dāng)前位置到達(dá)目的地，井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 根據(jù)煤礦巷道布置平面圖中的地點(diǎn)坐標(biāo)和功能屬性，生成地點(diǎn)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(qǐng)求，所述查詢請(qǐng)求包括出發(fā)地和目的地；

（3） 根據(jù)查詢請(qǐng)求從路線庫中查找滿足所述查詢要求的所有避險(xiǎn)路線；

（4） 顯示查找到的可用的井下避險(xiǎn)路線；

（5） 獲取作業(yè)人員路線選擇請(qǐng)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(dāng)作業(yè)人員到達(dá)某一射頻卡附近時(shí)，礦用智能終端接收到射頻信號(hào)；

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

2 具體實(shí)施方法

具體實(shí)施方案可以通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：

（1） 一種基于射頻技術(shù)和煤礦巷道布置平面圖的井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方法的部署實(shí)施方式參照?qǐng)D1示意圖。

（2） 根據(jù)不同地點(diǎn)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(shí)別的地圖[10]?？删帉懪幚砦募蜃詣?dòng)處理工具實(shí)現(xiàn)定期更新的煤礦巷道布置平面圖的自動(dòng)轉(zhuǎn)化[7]。

圖1 系統(tǒng)部署方法示意圖

（4） 在正式導(dǎo)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(guān)聯(lián)。讀取射頻卡的惟一標(biāo)識(shí)，并與地點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)，將關(guān)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(diǎn)與射頻卡關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2是射頻卡與地點(diǎn)關(guān)聯(lián)的示例數(shù)據(jù)。

表2 示例數(shù)據(jù)

表3 路線查詢時(shí)的用到的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

（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(shí)需要查詢的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 繪制路線時(shí)查詢數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 語

通過這種井下避險(xiǎn)導(dǎo)航方式，能對(duì)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(dǎo)航服務(wù)。通過射頻技術(shù)和煤礦巷道布置平面圖的避險(xiǎn)導(dǎo)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(dǎo)航終端，不僅費(fèi)用低，而且定位和導(dǎo)航的精度都比較高，解決了煤礦井下避險(xiǎn)導(dǎo)航的難題[8?9]。

參考文獻(xiàn)

[1] 武廣臣，劉艷.基于ArcGIS Engine的數(shù)字校園導(dǎo)航系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（1）：12?13.

[2] 馬新亞，許劍劍.基于ArcGIS的導(dǎo)航道路網(wǎng)絡(luò)的制作和網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2011（10）：112?113.

[3] 王雪莉，盧才武.無線定位技術(shù)及其在地下礦山中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2009（4）：121?125.

[4] 楚敬龍，王金生.基于GIS的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，32（4）：409?415.

[5] 田洪現(xiàn)，楊維.基于無線局域網(wǎng)的礦山井下定位技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（5）：72?76.

[6] 趙永翔，周懷北.卡爾曼濾波在室內(nèi)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，55（6）：69?70.

[7] 吳功和，叢明日.基于ArcGIS Server的分布式GIS應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（1）：18?23.

[8] 肖瀟.GIS應(yīng)用軟件開發(fā)模式分析[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2007（9）：12?13.

[9] 王一軍.城市應(yīng)急最優(yōu)路徑算法[J].系統(tǒng)工程，2008（7）：34?35.

[10] 龍倩，周新志.基于ArcGIS Server開發(fā)的Web應(yīng)用研究[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）：22?23.