基于射頻識別的井下交通運輸管理系統

劉 睿

（中煤科工集團武漢設計研究院，湖北武漢 430064）

0 引 言

隨著國家對礦井安全的日益重視和監管力度的不斷加強，特別是井下安全避險“六大系統”相關規定的出臺，我國采礦企業已基本實現了井下作業人員管理系統的建設，這些安全裝備的推廣應用大大改善了礦井安全生產狀況。但針對輔助運輸方式采用防爆柴油機無軌膠輪車不轉載連續運輸的礦井，井下作業車輛的管理還尚未完善。由于礦井的特定環境，給井下作業車輛定位、調度帶來了一定的困難，車輛一旦在井下發生問題（如車輛在井下堵塞、車輛故障等），將會造成撞車、追尾等事故的發生，嚴重影響生產，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分布及作業情況。開發井下交通運輸管理系統，旨在對井下車輛進行實時跟蹤監測和定位指揮調度，保證車輛安全通行，避免車輛相互堵塞，提高生產運行效率。

1 系統整體設計

設計考慮結合井下車輛作業的特點，在每一輛無軌膠輪車上安裝車輛識別卡（電子標簽），每個識別卡的ID號碼都是唯一的，并在上位機系統中和司乘人員的基本信息一一對應。利用RFID（Radio Frequency Identification）非接觸射頻識別技術通過射頻監控點實現車輛的位置傳感，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，當攜帶識別卡的車輛進入讀卡器天線有效工作區內，標簽主動將卡內載有識別碼的信息經卡內發射模塊發射出去，讀卡器接收標簽發射來的載波信號，經過讀卡器內部處理并提取標簽數據。同時，利用智能化的信號機作為指揮車輛運行的執行機構。而射頻監控點、信號機與井下交換機之間的數據通信則采用了高可靠的CAN（Controller Area Network）現場總線技術。

地面車隊調度室和礦井總控中心都能夠通過工業以太環網與井下設備實現交互，經定位算法確定作業車輛位置，由上位監控軟件處理并在屏幕上顯示，對其運動軌跡進行判別，推演其作業進度和安全情況，進而可以控制信號燈進行更加合理的調度管理。使該系統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。

當下井人員也佩戴電子標簽作業時，本系統還能同時完成井下人員定位和管理的功能，無須單獨設置井下人員定位系統，有效利用和整合設備資源。

2 系統架構及傳輸機制

2.1 系統架構

整個系統的設備包括車輛識別卡（電子標簽）、讀卡器、信號燈、多路電源、監控機、CAN接口卡、網橋及通信電纜等。交通運輸管理系統架構如圖1所示。

圖1 交通運輸管理系統架構

2.2 傳輸機制

整個井下交通運輸管理系統的傳輸機制由兩種網絡組成，即無線的傳感網絡和有線的數據傳輸網絡。

1）傳感網絡一般由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。移動目標上攜帶有標簽，標簽在激活狀態下向讀卡器發送標簽存儲的ID信息，讀卡器接收來自附件區域標簽的信息，并根據系統要求獲取移動目標的特征信息，將其存儲在讀卡器中，通過信號強度可以計算出目標當前位置。

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，衰減達到最大；進入甚高頻后，衰減隨頻率上升而減小。根據井下的實際需要，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均為免執照頻段［1］。考慮到與目前主流移動通信系統兼容，選擇2.4GHz為無線傳感網絡的工作頻段。該頻段內的元器件來源豐富、價格低廉，而且有關技術也比較成熟，開發較為方便［2］。

2）數據傳輸網絡。數據傳輸網絡主要實現地面監控中心與各讀卡器之間的數據傳輸。為縮短信號燈的響應時間，各讀卡器往監控機傳送數據可不用輪詢方式而直接采用即時傳送方式。讀卡器的CAN接口經網橋與監控機之間考慮采用CAN總線連接，通信網關經以太網交換機與地面監控中心上位機之間均為工業以太網連接。

CAN 總線直接通信距離可達10km／（5kbps），采用短幀結構，數據幀的數據場為8個節數（CAN技術規范2.0A），數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重發時間短。CAN的每幀數據都有CRC（Cyclic Redundancy Check）校驗及其它檢錯措施，受干擾概率小，數據出錯率極低［3］，適合在井下環境中使用。特別是CAN總線網絡采用多主競爭式總線結構，其通訊方式具有分散仲裁和多主運行的特點［4］，當巷道內車輛眾多，使多個讀卡器同時檢測到車輛識別碼，同時向總線傳送數據時，優先級低的節點將主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，從而有效避免總線沖突。

地面監控中心根據交通運輸管理規則將調度指令經數據傳輸網絡傳送至傳感網絡。同時，傳感網絡中的讀卡器獲取移動目標相關信息后，實時反饋給地面監控中心。最后，由地面監控中心執行特定的動態定位算法得出移動目標的位置信息。

3 系統軟件研究

3.1 RFID定位算法

在系統定位過程中，當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走向實用的關鍵［5］。因讀卡器向其覆蓋范圍內所有車輛識別卡發出廣播指令后，收到廣播指令的所有車輛識別卡都會將自身的ID信息發送給讀卡器，但這些車輛識別卡是共享信道的，所以同時發送信息給讀卡器會產生通信沖突。

本系統考慮采用的LARNDMARC定位算法是一種基于信號強度的定位技術，它根據接收的信號強度指示來確定移動目標的位置。該算法是基于主動RFID校驗的動態定位系統，引入參考標簽充當該定位系統的參考點，通過參考點的信號強度值與待定位標簽的信號強度值之間的比較，計算出待定位標簽的坐標［6］。

3.2 管理軟件和數據庫設計

地面監控中心上位機所配備的管理軟件考慮采用Visual C＋＋2003和.Net開發，具有數據采集與信息處理功能［7］。根據采集的基礎數據，對大量定位、調度和報警等數據集中進行整理分析，最后采用文件結合關系數據庫來管理數據。

這種數據管理方案的具體管理方式是空間數據通過文件管理，非空間屬性數據利用數據庫管理。其中關系數據庫采用Microsoft SQL Server，而空間數據的管理則采用MapInfo的標準文件格式Tables（Tab，擴展名為tab）進行空間數據的存儲［8］。本系統的空間數據主要包括：基站（點圖層）、礦井巷道（線圖層）和其他用戶新建圖層。非空間屬性數據主要包括：作業車輛信息、礦井巷道信息、工作區域信息、車輛識別卡（電子標簽）信息、基站基本信息，這些屬性數據均采用 Microsoft SQL Server數據庫進行管理。

4 系統主要功能

井下交通運輸管理系統主要需要實現的功能包括定位、跟蹤、調度和管理。具體可分為3個方面。

4.1 井下車輛定位及在線監視功能

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

2）實時顯示斜坡道內各區段、錯車平臺內當前車輛行駛方向（箭頭長度或無箭頭），區段、錯車平臺內有無車輛行駛及車輛數；

3）實時顯示斜坡道內各區段當前行駛車輛的車牌號、車型（圖標）和行駛方向；

4）點擊某車輛圖標彈出含有該車車牌號、車型等檔案及其運行軌跡的近期歷史數據表格；

5）點擊某讀卡器圖標彈出含有經過此讀卡器的車輛車牌號、車型、經過時刻等檔案的近期歷史數據表格；

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

4.2 調度管理功能

1）信號燈自動控制功能。系統根據運輸斜坡道內各車輛的當前位置，經由行車規則確定的算法，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入某一區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）信號燈人工干預功能。當巷道內出現某種非正常運行狀態，或者工作需要，如有一車輛在巷道內發生故障而造成堵車，調度員可進行人工干預：當調度員點擊相應的信號機圖標，即可人工切換信號機的狀態，指揮車輛故障處理完畢后，可按同樣的操作將信號機的狀態從人工控制切換到自動控制。

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

4.3 車輛行駛軌跡重演功能

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

5 井下具體設置原則

井下交通運輸管理系統通過信號燈對車輛行駛進行調度指揮，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，保證運輸暢通。以不同巷道情況為例說明設備布置和控制原則如圖2所示。

圖2 井下系統設備布置示意圖

信號燈以不同顏色信號指示車輛運行，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。各種情況的具體設置原則如下：

1）較窄直行巷道避讓硐室信號燈的設置。井下巷道寬度有限時（如輔運順槽等），行車過程依靠避讓硐室進行錯車保證運輸通暢。巷道較窄車輛必須依靠避讓硐室時，系統則必須將每處避讓硐室設為雙向區間，其它僅允許1輛車通過的部分設為單向區間，在單向區間入口放置信號燈，保證單向區間內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行監測。

2）較寬直行巷道避讓硐室信號燈的設置。井下巷道較寬時（如輔運大巷等），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，信號燈設置過于密集反而影響行車流暢。因此，當巷道寬度容許普通車輛交錯時，平直巷道內可以每間隔500～800m進行信號燈設置，其它部分僅作車輛信息監測。

3）彎道信號燈的設置。行車巷道中彎道嚴重影響車輛駕駛人員視線，需要在進入彎道區域前放置信號燈，避免對向車輛進入。信號燈前方和后方的彎道內均放置車輛讀卡器。

4）交叉路口信號燈的設置。交叉路口作為雙向區間，叉路口至避讓硐室之間的區域作為需要控制的單向區間，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 語

隨著射頻識別和總線技術的高速發展，在越來越多的領域得到應用。通過信息化手段為礦井的安全生產提供及時有效的井下交通運輸管理，能夠滿足礦井對下井作業車輛管理的實際需求，進一步改善礦井安全生產狀況。

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［5］ 陳鴻.基于RFID技術的井下安全監控系統［J］.煤炭技術，2012，31（8）：262-264.

［6］ 陳堅，邱建東.基于RFID的車輛檢修人員定位與管理系統設計［J］.鐵路計算機應用，2011，20（12）：24-26.

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