基于射频识别的井下交通运输管理系统

刘 睿

（中煤科工集团武汉设计研究院，湖北武汉 430064）

0 引 言

随着国家对矿井安全的日益重视和监管力度的不断加强，特别是井下安全避险“六大系统”相关规定的出台，我国采矿企业已基本实现了井下作业人员管理系统的建设，这些安全装备的推广应用大大改善了矿井安全生产状况。但针对辅助运输方式采用防爆柴油机无轨胶轮车不转载连续运输的矿井，井下作业车辆的管理还尚未完善。由于矿井的特定环境，给井下作业车辆定位、调度带来了一定的困难，车辆一旦在井下发生问题（如车辆在井下堵塞、车辆故障等），将会造成撞车、追尾等事故的发生，严重影响生产，并带来安全隐患。井上人员也难以及时掌握井下车辆的动态分布及作业情况。开发井下交通运输管理系统，旨在对井下车辆进行实时跟踪监测和定位指挥调度，保证车辆安全通行，避免车辆相互堵塞，提高生产运行效率。

1 系统整体设计

设计考虑结合井下车辆作业的特点，在每一辆无轨胶轮车上安装车辆识别卡（电子标签），每个识别卡的ID号码都是唯一的，并在上位机系统中和司乘人员的基本信息一一对应。利用RFID（Radio Frequency Identification）非接触射频识别技术通过射频监控点实现车辆的位置传感，RFID读卡器通过固有频率的射频载波向车辆识别卡传送信号，当携带识别卡的车辆进入读卡器天线有效工作区内，标签主动将卡内载有识别码的信息经卡内发射模块发射出去，读卡器接收标签发射来的载波信号，经过读卡器内部处理并提取标签数据。同时，利用智能化的信号机作为指挥车辆运行的执行机构。而射频监控点、信号机与井下交换机之间的数据通信则采用了高可靠的CAN（Controller Area Network）现场总线技术。

地面车队调度室和矿井总控中心都能够通过工业以太环网与井下设备实现交互，经定位算法确定作业车辆位置，由上位监控软件处理并在屏幕上显示，对其运动轨迹进行判别，推演其作业进度和安全情况，进而可以控制信号灯进行更加合理的调度管理。使该系统成为融入全矿综合自动化的一个具有相对独立职能的子系统。

当下井人员也佩戴电子标签作业时，本系统还能同时完成井下人员定位和管理的功能，无须单独设置井下人员定位系统，有效利用和整合设备资源。

2 系统架构及传输机制

2.1 系统架构

整个系统的设备包括车辆识别卡（电子标签）、读卡器、信号灯、多路电源、监控机、CAN接口卡、网桥及通信电缆等。交通运输管理系统架构如图1所示。

图1 交通运输管理系统架构

2.2 传输机制

整个井下交通运输管理系统的传输机制由两种网络组成，即无线的传感网络和有线的数据传输网络。

1）传感网络一般由RFID读卡器和车辆识别卡组成，可以看作一个无线连接的读卡器／车辆识别卡阵列。移动目标上携带有标签，标签在激活状态下向读卡器发送标签存储的ID信息，读卡器接收来自附件区域标签的信息，并根据系统要求获取移动目标的特征信息，将其存储在读卡器中，通过信号强度可以计算出目标当前位置。

电磁波在矿井巷道中属于带阻型的自由传播。在低频段和中频低段，衰减随频率增大而增大；在中频高段和高频频段，衰减达到最大；进入甚高频后，衰减随频率上升而减小。根据井下的实际需要，在甚高频段和特高频段频率越高，衰减越小，因此应尽可能选择甚高频和特高频频段。目前使用频段2.4GHz，868MHz，915MHz均为免执照频段［1］。考虑到与目前主流移动通信系统兼容，选择2.4GHz为无线传感网络的工作频段。该频段内的元器件来源丰富、价格低廉，而且有关技术也比较成熟，开发较为方便［2］。

2）数据传输网络。数据传输网络主要实现地面监控中心与各读卡器之间的数据传输。为缩短信号灯的响应时间，各读卡器往监控机传送数据可不用轮询方式而直接采用即时传送方式。读卡器的CAN接口经网桥与监控机之间考虑采用CAN总线连接，通信网关经以太网交换机与地面监控中心上位机之间均为工业以太网连接。

CAN 总线直接通信距离可达10km／（5kbps），采用短帧结构，数据帧的数据场为8个节数（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短。CAN的每帧数据都有CRC（Cyclic Redundancy Check）校验及其它检错措施，受干扰概率小，数据出错率极低［3］，适合在井下环境中使用。特别是CAN总线网络采用多主竞争式总线结构，其通讯方式具有分散仲裁和多主运行的特点［4］，当巷道内车辆众多，使多个读卡器同时检测到车辆识别码，同时向总线传送数据时，优先级低的节点将主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，从而有效避免总线冲突。

地面监控中心根据交通运输管理规则将调度指令经数据传输网络传送至传感网络。同时，传感网络中的读卡器获取移动目标相关信息后，实时反馈给地面监控中心。最后，由地面监控中心执行特定的动态定位算法得出移动目标的位置信息。

3 系统软件研究

3.1 RFID定位算法

在系统定位过程中，当多个车辆识别卡同时与一处读卡器建立通信时，车辆识别卡与车辆识别卡之间便会存在信号碰撞问题。在解决防漏碰撞方面，提高识别效率是RFID走向实用的关键［5］。因读卡器向其覆盖范围内所有车辆识别卡发出广播指令后，收到广播指令的所有车辆识别卡都会将自身的ID信息发送给读卡器，但这些车辆识别卡是共享信道的，所以同时发送信息给读卡器会产生通信冲突。

本系统考虑采用的LARNDMARC定位算法是一种基于信号强度的定位技术，它根据接收的信号强度指示来确定移动目标的位置。该算法是基于主动RFID校验的动态定位系统，引入参考标签充当该定位系统的参考点，通过参考点的信号强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，计算出待定位标签的坐标［6］。

3.2 管理软件和数据库设计

地面监控中心上位机所配备的管理软件考虑采用Visual C＋＋2003和.Net开发，具有数据采集与信息处理功能［7］。根据采集的基础数据，对大量定位、调度和报警等数据集中进行整理分析，最后采用文件结合关系数据库来管理数据。

这种数据管理方案的具体管理方式是空间数据通过文件管理，非空间属性数据利用数据库管理。其中关系数据库采用Microsoft SQL Server，而空间数据的管理则采用MapInfo的标准文件格式Tables（Tab，扩展名为tab）进行空间数据的存储［8］。本系统的空间数据主要包括：基站（点图层）、矿井巷道（线图层）和其他用户新建图层。非空间属性数据主要包括：作业车辆信息、矿井巷道信息、工作区域信息、车辆识别卡（电子标签）信息、基站基本信息，这些属性数据均采用 Microsoft SQL Server数据库进行管理。

4 系统主要功能

井下交通运输管理系统主要需要实现的功能包括定位、跟踪、调度和管理。具体可分为3个方面。

4.1 井下车辆定位及在线监视功能

1）实时显示运输斜坡道巷道图，并在图上显示系统各读卡器、信号灯在巷道内的分布状况以及各信号灯的状态；

2）实时显示斜坡道内各区段、错车平台内当前车辆行驶方向（箭头长度或无箭头），区段、错车平台内有无车辆行驶及车辆数；

3）实时显示斜坡道内各区段当前行驶车辆的车牌号、车型（图标）和行驶方向；

4）点击某车辆图标弹出含有该车车牌号、车型等档案及其运行轨迹的近期历史数据表格；

5）点击某读卡器图标弹出含有经过此读卡器的车辆车牌号、车型、经过时刻等档案的近期历史数据表格；

6）显示报警画面。违章或车辆在巷道内停留时间过长将引起系统声、光报警。本系统能将所有报警信息按时间顺序保存在硬盘上。每个报警项内容包括发生报警的日期和时间、报警位置、类型等。

4.2 调度管理功能

1）信号灯自动控制功能。系统根据运输斜坡道内各车辆的当前位置，经由行车规则确定的算法，自主地改变信号灯的颜色，通过信号灯的自动控制指挥车辆有序地进入某一区段或停留在错车平台等候，从而大大提高巷道的车辆通过能力。

2）信号灯人工干预功能。当巷道内出现某种非正常运行状态，或者工作需要，如有一车辆在巷道内发生故障而造成堵车，调度员可进行人工干预：当调度员点击相应的信号机图标，即可人工切换信号机的状态，指挥车辆故障处理完毕后，可按同样的操作将信号机的状态从人工控制切换到自动控制。

3）入口处车辆准入控制。在井口房入口处通过设置栅栏，在监测到车辆出井时自动开启，监测到登记车辆（配置有车辆识别卡）门口等待时自动放行，未监测到车辆信号自动关闭闸门，也可人工控制闸门。

4.3 车辆行驶轨迹重演功能

系统可存储行车数据并重演（回放）指定时间段的各行驶车辆的运行轨迹。系统可存储完整的车辆运行数据，调度员可随时回放任一时段的车辆运行情况，以便为事故分析提供依据。

5 井下具体设置原则

井下交通运输管理系统通过信号灯对车辆行驶进行调度指挥，因此需要在井下避让硐室、弯道和丁字路口等位置放置信号灯指引车辆行驶，保证运输畅通。以不同巷道情况为例说明设备布置和控制原则如图2所示。

图2 井下系统设备布置示意图

信号灯以不同颜色信号指示车辆运行，其红色灯光为禁行信号，绿色灯光为通行信号，绿色箭头为按箭头指示的方向通行。各种情况的具体设置原则如下：

1）较窄直行巷道避让硐室信号灯的设置。井下巷道宽度有限时（如辅运顺槽等），行车过程依靠避让硐室进行错车保证运输通畅。巷道较窄车辆必须依靠避让硐室时，系统则必须将每处避让硐室设为双向区间，其它仅允许1辆车通过的部分设为单向区间，在单向区间入口放置信号灯，保证单向区间内只有单方向车辆行驶，信号灯前方和信号灯后方均放置读卡器进行监测。

2）较宽直行巷道避让硐室信号灯的设置。井下巷道较宽时（如辅运大巷等），允许一般车辆自由错车，但特种车辆错车必须依靠避让硐室时，信号灯设置过于密集反而影响行车流畅。因此，当巷道宽度容许普通车辆交错时，平直巷道内可以每间隔500～800m进行信号灯设置，其它部分仅作车辆信息监测。

3）弯道信号灯的设置。行车巷道中弯道严重影响车辆驾驶人员视线，需要在进入弯道区域前放置信号灯，避免对向车辆进入。信号灯前方和后方的弯道内均放置车辆读卡器。

4）交叉路口信号灯的设置。交叉路口作为双向区间，叉路口至避让硐室之间的区域作为需要控制的单向区间，信号灯布置在叉路口通往不同方向的巷道口，其对向信号灯放置在单向区间的出口位置。交叉路口中央放置位置识别读卡器，作为多台信号灯共用的接近信号；信号灯后方也需放置车辆读卡器。

6 结 语

随着射频识别和总线技术的高速发展，在越来越多的领域得到应用。通过信息化手段为矿井的安全生产提供及时有效的井下交通运输管理，能够满足矿井对下井作业车辆管理的实际需求，进一步改善矿井安全生产状况。

［1］ 何大宇，韦铱，徐英鹏.ZigBee无线传感网络的医疗应用研究［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（3）：355-359.

［2］ 张长森，李赓，王筱超，等.基于RFID的矿井人员定位系统设计［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2009，28（6）：742-746.

［3］ 陈万胜.CAN总线在煤矿水文监测系统中的应用［J］.陕西科技大学学报，2012，30（4）：118-120.

［4］ 徐国强，赵远鹏，靳宝全.基于CAN总线的煤矿排水系统设计［J］.山西科技，2012，27（5）：107-108.

［5］ 陈鸿.基于RFID技术的井下安全监控系统［J］.煤炭技术，2012，31（8）：262-264.

［6］ 陈坚，邱建东.基于RFID的车辆检修人员定位与管理系统设计［J］.铁路计算机应用，2011，20（12）：24-26.

［7］ 胡晓岚，许传森，汪剑，等.基于2.4GRFID的井下人员定位系统的设计［J］.仪表技术，2009（4）：14-16.

［8］ 宋金星，刘晓，王来源.基于Maplnfo的煤矿井下人员定位系统设计［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2009，28（2）：150-154.