CN101848419A - 一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，包括布设在被检测矿井井下的井下定位及跟踪系统和布设在地面上的井上监控系统，井下定位及跟踪系统和井上监控系统间进行双向通信；井下定位及跟踪系统包括多个无线射频标签、多个无线信号收发装置和多个分别由各井下工作人员携带、内部存储有持卡人的身份及所从事工种信息且能对处于各自信号覆盖范围内的无线射频标签中所存储信息进行实时读取并将所读取信息与内部所存储信息同步上传至无线信号收发装置的读卡器，无线射频标签布设在采煤工作面上或采煤巷道中。本发明设计合理、安装布设方便、成本低且功能完善、使用效果好，在节约成本的同时也相应提高了覆盖面积。

Description

一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种移动对象定位及跟踪系统，尤其是涉及一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统。

背景技术

近年来，矿井事故频繁发生，由于矿井下情况的复杂性，矿工们的救援工作十分困难。如果平时能及时了解工人们在矿井下具体的精确位置，在发生事故时将会大幅度减少事故的伤亡率。因此，矿井下人员的定位一直都是煤炭开采中一个紧迫的任务，现如今研究人员们提出了许多方案，主要包括基于RFID的井下人员定位方法和基于小灵通系统的井下人员定位方法等，但成效甚微。

其中，基于RFID的井下人员定位方法的工作原理是利用射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identifi-cation)进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态(移动、静止)下的自动识别和定位。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。射频卡是将几个主要模块集成到一块芯片中，芯片上有EEPROM用来储存识别码或其它数据。芯片外围仅需连接天线(和电池)，完成与读写器的通信。射频卡可以作为人员的身份或货物的标识卡。

采用射频识别技术对井下人员进行定位的工作原理是：首先，在井下的各个巷道和所有人员可能经过的通道中安放若干个射频读写器，具体数量和位置根据现场实际工况和要实现的功能要求而定，并且将它们通过网络布线和地面的监控计算机联网。同时，在每个下井人员佩带的矿灯帽上安装一个识别卡，当下井人员进入井下以后，只要通过或接近放置在巷道内的任何一个射频读写器，射频读写器即会马上感应到信号同时立即上传到地面的监控计算机上，计算机马上就可判断出具体信息，同时把它显示在显示屏上，管理人员也可以根据显示屏上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。另外，一旦井下发生事故，可根据计算机中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况，然后再用特殊的探测器在事故处进一步确定人员位置，以便帮助营救人员准确快速的营救被困人员。

实际使用过程中，上述基于RFID的井下人员定位方法具有以下优点：①数据量大，根据需要可传输除识别信息外的目标的身份信息、所处位置等；②信息处理速度快，在某些应用场合可以达到几十个微秒；③保密性高，未经允许几乎不能复制与修改数据；④具有很强的环境适应性，抗干扰能力强，可在全天候下使用，几乎不受污染与潮湿的影响，同时还避免了机械上的磨损；⑤一种系统可以满足多用途的要求，可以实现多目标识别、运动目标识别。但是，基于RFID的井下人员定位方法仍存在以下方面的缺点：①由于发射距离的限制，这些定位系统在井下的覆盖区域很有限，得到的定位信息只能表明该员工最后一次来过这个地方，而现在该员工到底在哪里就无法得知，因而无法实现人员实时定位跟踪；②由于RFID定位卡只是在激活区域内主动的向接收器发送自身的ID编号，而无其他任何功能，所以当发生紧急情况时，井下员工和地面监控台之间无法进行联系；③定位达不到所要求的精度范围，RFID射频技术最根本的缺陷在于缺少解决提高定位精度的技术手段；④现有系统的软件定位界面一般都以井下示意图的形式或表格形式显示定位信息，监控人员很难对井下情况进行较精确的了解。

而对于基于小灵通系统的井下人员定位方法来说，小灵通定位系统(LSC：Location Servicecenter)通过小灵通基站间实现精确的三点定位，能够将定位精度控制在50米范围内。它将为不同的行业和个人用户提供功能强大的定位信息服务，如紧急位置服务、跟踪和物流管理业务、位置信息服务等。Lsc系统是利用基站定位的方法实现对手机位置的估计，估计的精度根据所处网络的状况而不同。当LsC系统向小灵通网络发送对目标手机的定位请求后，根据手机是否支持用户对用户接口(uuI)，Lsc系统将获得不同的定位信息。如果手机支持uuI，Lsc系统不仅可以知道手机的登记的基站，Lsc系统还能获得一组所有与该手机有信号联系的基站信息，包括每个基站的号码(cs/RP ID)以及信号强度。如果基站信息中的基站数量小于3个，那么系统将使用信号最强的基站的位置(经纬度)作为当前手机的位置估计。如果基站信息的基站数目大于3个，Lsc系统将选出信号最强的三个基站。由于lomw的基站的信号覆盖范围小，定位精度最高。Lsc系统判断是否信号最强的为10mw基站，同时其余两个都不是10mw基站：如是，Lsc系统将使用信号最强的10mw基站的经纬度作为手机的位置估计；如不是，还需要根据基站的功率(10mw、200mw、500mw)、高度、是否为安装在室内等情况对每个基站的信号强度进行增减调整。最后选择信号最强的三个基站进行三点定位，计算结果作为当前手机的位置估计。对于手机不支持uuI的情况，LSC系统不能获得基站信息数据，但可以得到手机登记的基站的号码(cs/RPID)。Lsc系统将使用该基站的位置(经纬度)作为当前手机的位置估计。

实际使用过程中，上述基于小灵通系统的井下人员定位方法具有以下优点：①定位手机具有定位功能和通话功能，因而在一套系统上既可以实现无线通讯，又可以实现人员定位；②定位器具有紧急呼叫按钮，并可扩展为紧急通话功能。这样当出现紧急情况时，井下员工和地面监控台之间可进行语音联系。但是，小灵通井下人员定位方法仍存在以下方面的缺点：①通过定位器或定位手机上送的周围场强信息以及特定的算法，可以定位到几十米范围内，不能够精确定位；②使用小灵通基站，地上覆盖区域较大，井下覆盖并不理想，很多地方信号无法覆盖；③小灵通基站设备和终端相对比较昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其设计合理、安装布设方便、成本低且功能完善、使用效果好，在节约成本的同时也相应提高了覆盖面积，有效解决了现有矿井井下人员定位方法所存在的成本较高、覆盖范围布不全面、定位精度较低等缺陷和不足。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：包括布设在被检测矿井井下的井下定位及跟踪系统和布设在地面上的井上监控系统，所述井下定位及跟踪系统和井上监控系统间进行双向通信；所述井下定位及跟踪系统包括多个内部均存储有所处位置的GIS位置信息与包含标签代码的标签基础信息且均能写入相应通信信息的无线射频标签、分别布设在被检测矿井井下的多个无线信号收发装置和多个分别由各井下工作人员携带、内部存储有持卡人的身份及所从事工种信息且能对处于各自信号覆盖范围内的无线射频标签中所存储信息进行实时读取并将所读取信息与内部所存储信息同步上传至无线信号收发装置的读卡器，所述读卡器与无线射频标签和无线信号收发装置间均通过无线通信方式进行双向通信，所述无线信号收发装置与井上监控系统相接且二者间进行双向通信；所述无线射频标签布设在采煤工作面上或采煤巷道中。

所述无线信号收发装置与井上监控系统间通过有线通信方式进行双向通信。

所述无线信号收发装置与井上监控系统间通过局域网一进行双向通信，且无线信号收发装置与井上监控系统上对应分别设置有与所述局域网一的局域网服务器相接的LAN接口。

所述井上监控系统包括用于数据交换、统计分析及处理且接入INTERNET网络的交换主机、与交换主机进行双向通信的监控主机、与交换主机相接的服务器和对各读卡器实时读取并通过无线信号收发装置上传至交换主机的信息进行识别并将识别结果同步传送至交换主机进行统计处理的识别主机，所述交换主机与无线信号收发装置相接，识别主机与交换主机相接。

所述监控主机通过识别主机与交换主机进行双向通信，所述监控主机与识别主机相接。

所述井上监控系统还包括与交换主机相接的多屏幕处理器和多个分别由多屏幕处理器进行控制的大屏幕显示器，多个大屏幕显示器均与多屏幕处理器相接。

所述监控主机与识别主机间通过局域网二进行连接，且监控主机与识别主机上对应分别设置有与所述局域网二的局域网服务器相接的LAN接口。

所述无线射频标签为无源射频标签或有源射频标签，所述有源射频标签的供电电源为矿用本安型电源。

所述井上监控系统还包括与交换主机相接的时钟电路和告警单元。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、设计合理、安装布设及组网方便且成本低，使用效果好。

2、具有实时井下人员动态显示功能，具体体现在：能统计并记录任一时间井下某个地点究竟有多少人及相应的人员信息；能同时查询一个或多个人员现在的井下实际位置；记录有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员(如：瓦斯检测人员)是否按时、到点的进行实地查看，或进行各项数据的检测和处理，从根本上尽量杜绝因人为因素而造成的相关事故；可实现多点共享供多个领导同时在不同地点查看。

3、具有禁区报警功能：对于指定的禁区，如果有人员进入，实时声音报警，并显示进入禁区的井下人员。

4、具有人员轨迹查询功能：可查找某个人在某个时间段内所经历的路径，并在图中画出线路轨迹。

5、具有丰富的人员下井考勤能力：可对出入井人员进行统计，实现下井人员考勤记录，建立人员出入井的各种信息报表(如：下井时间报表、出勤月报表、加班报表、缺勤报表等等)。

6、具有灾后急救信息同步显示功能：一旦发生各类事故，上位机上立即能显示出事故地点的人员数量、人员信息，人员位置等信息，大大提高抢险效率和救护效果。

7、具有车辆及设备管理功能：车辆的出入统计、定位以及其他重要设备的具体位置。

8、具有卓越的识别性能：高度的识别可靠性，100％的前端识别率；识别距离远(识别距离可达小于5米以内)；极高的防冲突性(每个检测点可最多同时识别200个人员)；高度的识别稳定性(误码率小于10万分之1)；快速的识别速度(最快可达到200公里/小时的识别速度)。

9、现场优势较强：环境适应性：高抗干扰性，对井下干扰源、周界环境无特殊要求；安装方便性：一体化结构设计，无需外接天线或地感；运行可靠性：内部电路高度集成化，器件故障率最小化；

10、电气特性优良：超低功耗，无线标签在不更换电池的情况下可连续正常工作5年；方便性、安全性，标签无须外接矿灯电源，无须充电、无须更换电池；无辐射，对人体和环境无任何影响，更安全更健康。

11、覆盖范围广，采用在人员流动区域密集布署无源射频标签，因而可以在井下得到全面覆盖。

12、可通过相应的无源射频标签进行编程，实现在井下不同位置配置不同无源射频标签，因而具有相应数据通信功能，能实现井下与井下的信息互通。

13、采用数据卡即无源射频标签密集布置方式，且相应对所有数据卡进行数据编辑。当井下人员持读卡器进入时就可以对对井下人员精确定位，定位距离可以根据实际要求灵活布署无线射频标签实现调整。

14、信号覆盖好无盲区，可以在小灵通基站无法涉及的盲区进行布网，从而使井下定位达到全面覆盖无盲区的效果。采用无源射频标签和，无源设备标签密集部署在人员流动场所，射频识别卡进行身份核准后，分配到每个下井工作人员。

15、节约成本，摒弃了以往读卡器固定且人员采用卡片读取的老方法，本发明采用的技术可以避免这种技术瓶颈，使用人员持读卡终端，在巷道中布置无源标签，有效解决了布网成本高的特点。综上，本发明在节约成本的同时也相应的提高了覆盖面积，在巷道中我们采用密集卡片布置，是人员在井下巷道的任何地方都可以进行数据的读取。

综上所述，本发明设计合理、安装布设方便、成本低且功能完善、使用效果好，在节约成本的同时也相应提高了覆盖面积，有效解决了现有矿井井下人员定位方法所存在的成本较高、覆盖范围布不全面、定位精度较低等缺陷和不足。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明在井下的布设结构示意图。

附图标记说明：

1-井下定位及跟踪系统； 1-1-无线射频标签；1-2-读卡器；

1-3-无线信号收发装置； 2-井上监控系统；  2-1-交换主机；

2-2-服务器；           2-3-监控主机；    2-4-识别主机；

2-5-多屏幕处理器；     2-6-大屏幕显示器；2-7-时钟电路；

2-8-告警单元；         3-局域网一；      5-采煤巷道。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括布设在被检测矿井井下的井下定位及跟踪系统1和布设在地面上的井上监控系统2，所述井下定位及跟踪系统1和井上监控系统2间进行双向通信。所述井下定位及跟踪系统1包括多个内部均存储有所处位置的GIS位置信息与包含标签代码的标签基础信息且均能写入相应通信信息的无线射频标签1-1、分别布设在被检测矿井井下的多个无线信号收发装置1-3和多个分别由各井下工作人员携带、内部存储有持卡人的身份及所从事工种信息且能对处于各自信号覆盖范围内的无线射频标签1-1中所存储信息进行实时读取并将所读取信息与内部所存储信息同步上传至无线信号收发装置1-3的读卡器1-2，所述读卡器1-2与无线射频标签1-1和无线信号收发装置1-3间均通过无线通信方式进行双向通信，所述无线信号收发装置1-3与井上监控系统2相接且二者间进行双向通信。所述无线射频标签1-1布设在采煤工作面上或采煤巷道5中。所述无线射频标签1-1为无源射频标签。实际使用过程中，所述无线射频标签1-1也可以为有源射频标签，所述有源射频标签的供电电源为矿用本安型电源。

本实施例中，所述无线信号收发装置1-3与井上监控系统2间通过有线通信方式进行双向通信，并且所述无线信号收发装置1-3与井上监控系统2间通过局域网一3进行双向通信，无线信号收发装置1-3与井上监控系统2上对应分别设置有与所述局域网一3的局域网服务器相接的LAN接口。

所述井上监控系统2包括用于数据交换、统计分析及处理且接入INTERNET网络的交换主机2-1、与交换主机2-1进行双向通信的监控主机2-3、与交换主机2-1相接的服务器2-2和对各读卡器1-2实时读取并通过无线信号收发装置1-3上传至交换主机2-1的信息进行识别并将识别结果同步传送至交换主机2-1进行统计处理的识别主机2-4，所述交换主机2-1与无线信号收发装置1-3相接，识别主机2-4与交换主机2-1相接。

本实施例中，所述监控主机2-3通过识别主机2-4与交换主机2-1进行双向通信，所述监控主机2-3与识别主机2-4相接。同时，所述井上监控系统2还包括与交换主机2-1相接的多屏幕处理器2-5和多个分别由多屏幕处理器2-5进行控制的大屏幕显示器2-6，多个大屏幕显示器2-6均与多屏幕处理器2-5相接。所述监控主机2-3与识别主机2-4间通过局域网二进行连接，且监控主机2-3与识别主机2-4上对应分别设置有与所述局域网二的局域网服务器相接的LAN接口。同时，所述井上监控系统2还包括与交换主机2-1相接的时钟电路2-7和告警单元2-8。所述告警单元2-8布设在采煤巷道5中，且所述告警单元2-8为声音报警装置。

综上所述，所述井上监控系统2为有线系统，此系统采用网络架构的三层思想，即接入层、汇聚层和核心层。具体而言：其核心层(即交换主机2-1)采用三层核心交换用于处理大量数据，并负责与外部网络的数据互通；汇聚层分别为二层交换设备和多屏幕处理器2-5，对所连接的下层设备进行管理和汇聚；接入层设备分为大屏幕显示器2-6、监控主机2-3、识别主机2-4和由多个服务器2-2组成的服务器等运行和系统维护设备。这三层架构基本上构成了井上信息处理和数据互联系统，主要针对处理来自井下定位及跟踪系统1传递的数据进行识别、分析处理与统计。

所述井下定位及跟踪系统1为无线和有线相结合的系统，此系统采用RFID射频思想和无线传输思想相结合进行设计。实际进行布设时，首先在井下主要的采煤巷道5和采煤工作面上布置上写有数据的无源射频标签，此无源射频标签根据现场需求进行布置；之后，当井下人员持读卡器1-2进入采煤巷道5时，读卡器1-2会自动感应处在此处的无源射频标签并读取信息，然后以无线方式与最近的无线信号收发装置1-3连接并进行数据传递，此时无线信号收发装置1-3会在接受到来自读卡器1-2传送而来的数据后通过有线方式与井上监控系统2联系并进行相应的处理，从而最终实现通过井上监控系统2进行井下人员的精确定位，并能读取采煤工作面上的相应信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：包括布设在被检测矿井井下的井下定位及跟踪系统(1)和布设在地面上的井上监控系统(2)，所述井下定位及跟踪系统(1)和井上监控系统(2)间进行双向通信；所述井下定位及跟踪系统(1)包括多个内部均存储有所处位置的GIS位置信息与包含标签代码的标签基础信息且均能写入相应通信信息的无线射频标签(1-1)、分别布设在被检测矿井井下的多个无线信号收发装置(1-3)和多个分别由各井下工作人员携带、内部存储有持卡人的身份及所从事工种信息且能对处于各自信号覆盖范围内的无线射频标签(1-1)中所存储信息进行实时读取并将所读取信息与内部所存储信息同步上传至无线信号收发装置(1-3)的读卡器(1-2)，所述读卡器(1-2)与无线射频标签(1-1)和无线信号收发装置(1-3)间均通过无线通信方式进行双向通信，所述无线信号收发装置(1-3)与井上监控系统(2)相接且二者间进行双向通信；所述无线射频标签(1-1)布设在采煤工作面上或采煤巷道(5)中。

2.按照权利要求1所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述无线信号收发装置(1-3)与井上监控系统(2)间通过有线通信方式进行双向通信。

3.按照权利要求2所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述无线信号收发装置(1-3)与井上监控系统(2)间通过局域网一(3)进行双向通信，且无线信号收发装置(1-3)与井上监控系统(2)上对应分别设置有与所述局域网一(3)的局域网服务器相接的LAN接口。

4.按照权利要求1、2或3所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述井上监控系统(2)包括用于数据交换、统计分析及处理且接入INTERNET网络的交换主机(2-1)、与交换主机(2-1)进行双向通信的监控主机(2-3)、与交换主机(2-1)相接的服务器(2-2)和对各读卡器(1-2)实时读取并通过无线信号收发装置(1-3)上传至交换主机(2-1)的信息进行识别并将识别结果同步传送至交换主机(2-1)进行统计处理的识别主机(2-4)，所述交换主机(2-1)与无线信号收发装置(1-3)相接，识别主机(2-4)与交换主机(2-1)相接。

5.按照权利要求4所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述监控主机(2-3)通过识别主机(2-4)与交换主机(2-1)进行双向通信，所述监控主机(2-3)与识别主机(2-4)相接。

6.按照权利要求4所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述井上监控系统(2)还包括与交换主机(2-1)相接的多屏幕处理器(2-5)和多个分别由多屏幕处理器(2-5)进行控制的大屏幕显示器(2-6)，多个大屏幕显示器(2-6)均与多屏幕处理器(2-5)相接。

7.按照权利要求5所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述监控主机(2-3)与识别主机(2-4)间通过局域网二进行连接，且监控主机(2-3)与识别主机(2-4)上对应分别设置有与所述局域网二的局域网服务器相接的LAN接口。

8.按照权利要求1、2或3所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述无线射频标签(1-1)为无源射频标签或有源射频标签，所述有源射频标签的供电电源为矿用本安型电源。

9.按照权利要求4所述的一种井下/巷道移动对象定位及跟踪系统，其特征在于：所述井上监控系统(2)还包括与交换主机(2-1)相接的时钟电路(2-7)和告警单元(2-8)。

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