王忠

（山东建筑大学，山东济南250022）

一种基于2.4 GHz射频卡和煤矿巷道布置图的井下避险导航方法

王忠

（山东建筑大学，山东济南250022）

由于传统的通过GPS信号进行导航的方式在井下并不适用，目前煤矿仍没有一套完整的井下导航的方案，在没有GPS卫星定位信号的情况下实现矿井下的路径导航一直是研究的热点。这里利用矿用智能终端和2.45 GHz RFID射频技术，结合煤矿巷道布置图，开发了一套电子地图，提供路径查询、分析、导航等功能，能精确定位到作业人员的位置，在矿用智能终端上显示。

智能终端；ArcGIS；RFID；导航

0 引言

煤矿井下地质条件非常复杂，巷道长达几千米，井下人员流动性大，在井下作业时，很难清楚自己所处的位置，怎么从当前的位置到想去的位置，在井下发生事故时，该选择哪一条避灾路线，都是井下作业人员会遇到的问题。

目前井工煤矿仍没有一套完整的井下避险导航方案，传统的通过GPS信号进行导航的方式在井下并不适用。煤矿井下目前虽然有通过基站进行定位的系统，但是需要部署基站设置传输网络，这种方式代价高、部署复杂，基站间距大，无法覆盖全矿井，尤其是人员相对集中的采掘工作面等重点生产区域，不同巷道对无线信号的吸收程度不同，定位精度差，无法实现精确的避险导航[1⁃2]。因此，需要建立一套经济实用的井下避险导航系统，为井下作业人员提供避险导航。

1 避险导航系统原理

1.1 基于RFID数据定位

RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触[3⁃4]。

RFID射频卡有很多频段，分为有源和无源两种，发射射频信号的距离也差别很大，经过综合分析，认为射频卡的识别距离至少在10～20 m之间，综合各种性能，选择了2.45 GHz有源射频卡。

在井下巷道中布置的RFID标识卡，每隔一定时间发送一次存储于RFID设备中的惟一标识。智能终端中的RFID读取模块接收到RFID设备发送的信息后，通过查询数据库获取与RFID设备关联的地点信息。有了这些信息，井下作业人员就可以清楚地了解自己所处的地理位置。

1.2 系统工作原理

将2.45 GHz射频卡部署到井下巷道中，每个射频卡对应一个地点。射频卡每隔几秒钟发射一次信号[5⁃6]。煤矿作业人员的手持设备上有射频卡与地点的对应关系数据和地图数据。通过手持设备接收到射频卡发射的信号，告诉作业人员当前的位置，并在手持设备的地图上标注当前所在的位置。当作业人员需要路线导航时，在手持设备上选择出发地与目的地，然后筛选路线，并在地图上画出路线。根据作业人员选择的路线，在作业人员行进过程中手持设备不断接收射频卡发射的信号，更新作业人员的位置，并根据被选中的路线的相关信息，提示下一地点的信息，指导作业人员到达目的地。

1.3 导航实现步骤

为了让井下作业人员可以在复杂的巷道里，以安全为准则，以节省时间为目的安全的从当前位置到达目的地，井下避险导航方法实现步骤如下：

（1）根据煤矿巷道布置平面图中的地点坐标和功能属性，生成地点和路线信息；

（2）获取井下作业人员从出发地到目的地的路线查询请求，所述查询请求包括出发地和目的地；

（3）根据查询请求从路线库中查找满足所述查询要求的所有避险路线；

（4）显示查找到的可用的井下避险路线；

（5）获取作业人员路线选择请求；

（6）在矿用智能终端地图中显示被选中的路线，绘制从出发地到目的地的路线；

（7）当作业人员到达某一射频卡附近时，矿用智能终端接收到射频信号；

（8）矿用智能终端根据接收到的射频信号，查询匹配的地点信息；根据查询到的地点信息，显示当前所在的地点，给作业人员提示，指导作业人员到达目的地[7⁃9]。

2 具体实施方法

具体实施方案可以通过如下步骤实现：

（1）一种基于射频技术和煤矿巷道布置平面图的井下避险导航方法的部署实施方式参照图1示意图。

（2）根据不同地点的定位精度要求部署射频卡。

（3）通过AutoCAD或ArcGIS等，将煤矿巷道布置平面图转为矿用智能终端可识别的地图[10]。可编写批处理文件或自动处理工具实现定期更新的煤矿巷道布置平面图的自动转化[7]。

图1 系统部署方法示意图

（4）在正式导航之前，通过矿用智能终端将巷道布置平面图位置与射频卡部署位置关联。读取射频卡的惟一标识，并与地点信息关联，将关联数据保存至矿用智能终端的数据库中。

（5）地点与射频卡关联的数据结构见表1。

表1 数据结构

表2是射频卡与地点关联的示例数据。

表2 示例数据

（6）在矿用智能终端获取路线查询请求，进行路线查询时用到的数据结构如表3所示。

表3 路线查询时的用到的数据表结构

（7）在作业人员选取路线完成后，矿用智能终端在地图中绘制路线，绘制路线时需要查询的数据的数据结构如表4所示。

表4 绘制路线时查询数据的数据结构

3 结语

通过这种井下避险导航方式，能对作业人员的位置精确定位，利用定期更新的煤矿巷道布置平面图，并利用矿用智能终端为井下作业人员提供图形化和语音导航服务。通过射频技术和煤矿巷道布置平面图的避险导航方法，可以快速部署到全矿井范围，不干扰正常生产。除射频卡以外无需购买专用导航终端，不仅费用低，而且定位和导航的精度都比较高，解决了煤矿井下避险导航的难题[8⁃9]。

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Underground danger avoidance navigation based on coal mine tunnel map and 2.4 GHz RFID card

WANG Zhong
（Shandong Jianzhu University，Jinan 250022，China）

Since the traditional approach of navigation through the GPS signals is not applied to underground，there is still no a complete navigation solution suitable for underground coal mine.In the absence of GPS signal，the underground path navi⁃gation has always been a research hot spot.A set of electronic map was developed by the aid of the personal intelligent terminal system，ArcGis platform combined with 2.45 GHz RFID technology and coal mine tunnel map.It can provide the functions of path query，analysis and navigation，accurately position the workers under ground，and display them on the mine intelligent ter⁃minal.

intelligent terminal；ArcGIS；RFID；navigation

TN911⁃34

A

1004⁃373X（2015）07⁃0050⁃02

王忠（1977—），男，工学硕士，讲师。主要研究方向为嵌入式系统软件开发、图形图像处理。

2014⁃10⁃31