Технология активной радиочастотной идентификации в длинном диапазоне для подземных шахт
Автор: WiBorne, Inc.
Автор перевода: Р.Ш. Абрамов
Источник: http://www.wiborne.com/
Аннотация
По прогнозу, объем общемировых капитальных вложений в беспроводные широкополосные сети составит 400 миллионов долларов США в 2007 (по данным Янки Груп); мы рассмотрим дополнительные преимущества, возникающие благодаря буму на создание сетей Wi-Fi и WiMAX. Компанией УайБорн проектировались и разрабатывались проекты городских сетей Wi-Fi Citywide в странах мира в течение прошедших лет, и она понимает выгоды, приносимые благодаря использованию служб локализации на базе Wi-Fi и новыми инструментами планирования и оптимизации сети Wi-Fi для беспроводной локальной вычислительной сети общего пользования (Public Wireless LAN (P-WLAN). Посредством использования беспроводных служб, работающих в длинном диапазоне, мы полагаем, что отслеживание состояния объектов для использования беспроводных технологий в промышленном масштабе пользуется спросом, и также потребность в улучшении существующей действующей технологии Радиочастотной Идентификации (RFID).
Большая часть наших прикладных продуктов будет разрабатываться для крупных организаций, поскольку технологии Wi-Fi и RFID уже используются на предприятии. Со временем будут разрабатываться продукты с данными технологиями, предназначенные для конечных потребителей. Однако, ввиду больших зон покрытия, беспроводная сеть MAN потребует использования некоторых механизмов для дальнейшего улучшения определения местоположения, с целью обеспечения эффективности выполнения задач.
Мы приводим описание задач и решений для данной сферы применения, наряду с анализом случая успешного применения для недавно проведенного представления отслеживания перемещений с применением технологий WiFi и RFID для шахты в Вайоминге, СШA.
Ключевые слова:Aктивная RFID; Беспроводные Сенсоры; Компьютерные Технологии с Привязкой к Месту; Wi-Fi Citywide; WiMAX; Безопасность Ведения Горных Работ
Введение
Появляющиеся сетевые технологии с привязкой к месту и к зоне покрытия, WiFi и WiMAX, обеспечили захватывающие новые виды связи. Технология Wifi применялась и применяется в средах LAN на ближайшую перспективу. Технология WiMAX была разработана для обеспечения Доступа к Городским Компьютерным Сетям (MAN), в дома и деловые центры. Популярность беспроводных сетей серии 802.11 за прошедшие несколько лет значительно возросла, и ими обеспечивается превосходная возможность внедрения служб на основе систем отслеживания местонахождения в реальном времени (RTLS) во внутренние и наружные среды, в которых не действует, либо является слишком затратным применение системы GPS. Посредством имеющейся беспроводной сети, пользователь с ноутбуком или PDA и сетевой картой 802.11 более не нуждается в прочем оборудовании.
Иной подобный прибор позиционирования, такой как GPS-устройство, посредством триангуляции множества полученных сигналов и определения распространения (период приема им сигнала, идущего от спутника на GPS-устройство), может точно определить положение пользователя в пределах нескольких метров. Проблема с GPS заключается в том, что у прибора должна быть четкая линия видимости между ним и спутником. Это означает, что технология непригодна для применения в зонах с густой лесной растительностью, городских районах с высотными зданиями, при ведении подземных работ, таких как горные работы, и внутри помещений. Подобным же образом, технологии с использованием ультразвука, инфракрасного излучения/ oптики, сотовой связи, сопровождения по магнитному излучению, имеют различные достоинства и недостатки для различных сфер применения.
Использование технологии Радиочастотной Идентификации (RFID) быстро распространяется в промышленном масштабе. В активной RFID используется внутренний источник энергии (батареи) внутри идентификатора местонахождения для непрерывного энергоснабжения идентификатора и его контура радиочастотной (RF) связи. Большое количество усилий специалистов по исследованию и разработке RFID было направлено на компоненты аппаратной части и встроенных программ, включая aктивныe и пaссивныe идентификаторы RFID, устройства считывания идентификаторов, встроенное программное обеспечение, снижение погрешностей, и хранение в электронных базах данных, тогда как применение данных идентификаторов RFID ограничивается чувствительностью внутри помещений либо малыми зонами покрытия. Пока еще небольшие ресурсы были сосредоточены на использовании приложений RFID, являющихся жизнеспособными и экономичными для беспроводных MAN или обширных зон покрытия.
Был проведен большой объем исследований в подобном направлении с ограниченным диапазоном беспроводной передачи. Таким образом, целью данной работы является улучшение существующих технических методов определения местонахождения для сервисов провайдером беспроводного доступа в интернет в длинном диапазоне (WISPer). Также надлежит продемонстрировать путь доступа и использования данных, необходимых для определения местоположения, что выполняется в существующей сети 802.11 WiFi/WiMAX, весьма широко используемой в области контекстно-зависимых и всеобщих вычислений.
В ходе использования технологии WiFi с длинным диапазоном, компанией УайБорн были обнаружены проблемы широкого масштаба в отношении технических средств для отслеживания местоположения во внешней среде, с целью применения во время передвижения на лошадях, наблюдения за детьми, при ведении горных работ, и отслеживания передвижения на автомобилях. Обычно диапазон их действия составляет от 20 километров до сотен километров, внутри помещений / наружной среде, либо без покрытия системами GPS. Имеется потребность в более новой технологии для активной RFID, чтобы орбеспечивать поддержку таких беспроводных MAN.
Сопутствующая Работа
В данном разделе мы приводим описание существующих RFID, вместе с видами применения RFID в гoрнoй промышленности для спасения, контроля доступа, и оборудования.
Активные Системы 802.11 RFID
Имеется ряд исследований и коммерческое программное обеспечение, которые поддерживают отслеживание местоположения для беспроводных идентификаторов 802.11. большая их часть имеет диапазон покрытия, ограничиваемый несколькими сотнями метров, например , MoteTrack[1], PlaceLab[2], RADAR[3], MagicMap, Ekahau, WhereNet, и Aeroscout. Далее приводится сравнение данных систем:
Обычно вышеуказанные системы определения местоположения являются активными RFID системами, включающими в себя идентификаторы объекта Wi-Fi и все программное обеспечение, необходимое для удобства отслеживания объектов через беспроводную сеть LAN, максимальный диапазон покрытия которой составляет несколько сотен метров, как у домашней сети или сети небольшого жилого микрорайона.
Самым близким смежным способом поиска для RTLS является прием образцов радиосигналов и их коррелирование с известными местами физического присутствия при недоступности сигнала. После получения и сохранения данных образцов, все записанные образцы были выполнены посредством линейного поиска в реальном времени, и самое близкое совмещение сигналов было определено для местоположения пользователя.
Способ триангуляции может обеспечить дополнительное увеличение точности посредством усреднения трех наиболее близко расположенных друг к другу мест, обнаруженных в ходе поиска, именуемого триангуляцией. Было дано описание средств определения местоположения посредством создания моделей распространения радиоволн, но они оказались менее точными.
Вероятностный способ был применен для RTLS, и он заключается в поиске места, которое основано на месте в сохраненной радиокарте, которое имеет максимальную приближенность с учетом вектора силы полученного сигнала. Обычно использование данного беспроводного определения местоположения должно выполняться одним шагом за раз, даже несмотря на превосходство вероятностных подходов.
В работе, указанной в пункте [4], дается оценка целесообразности построения системы позиционирования на основе сети 802.11 WiFi с широким диапазоном покрытия. Для нее не требуется линия видимости (LoS). Эксперименты, проведенные авторами, показали оценку положения пользователя с ошибкой по позиционированию медианы в пределах 13–40 метров. Как указывают данные авторы, перемещение местоположения источника Wi-Fi за пределы контролируемых внутренних пространств не является столь же простым, сколь простое перемещение алгоритмов во внешнюю среду. Калибровочные отклонения требуют проведения тщательного анализа эффективности способов позиционирования в данной новой среде.
Беспроводные Горноспасательные Системы
В свете недавно произошедших катастроф на шахтах, некоторые компании, занятые в сфере разработки технологий, предложили расширить возможности беспроводных технологий, действующих в реальном времени, с использованием сетей WiFi, для точного определения местонахождения шахтеров, застигнутых в подземных выработках –решение, которое может спасать жизни в ближайшем будущем.
Горная промышленность являет собой яркий пример отрасли, которой весьма необходимо наличие технологии определения местоположения в реальном времени. Такоe шахтное оборудование как транспорт, емкости, буровые станки, и прочие элементы ценного передвижного оборудования для добычи руды постоянно перемещаются по обширным площадям горных выработок. Поскольку оборудование необязательно передвигается по заранее заданному пути и расходится по шахте, возникают затруднения с определением местоположения отдельных необходимых объектов в реальном времени.
Посредством прикрепления идентификаторов RFID на оборудование, шахтеры могут использовать существующие точки доступа к беспроводной сети шахты для определения своего местоположения моментально и с высокой точностью. Совместное решение обеспечивает моментальное определение местоположения персонала, оборудования, и прочих объектов для улучшения безопасности и производительности.
Для использования системы RFID в шахтах следует учитывать такие условия как наличие телекоммуникационных кабелей, воды, стоков, масла, газа, поверхншсть независимо от состояний почвы, в отношении присутствия металла, воды, бетона, а также срок службы батарей для питания шахтных головных светильников и идентификаторов RFID. Прочие факторы включают в себя слабое проникновение сигнала, высокую стоимость внедрения, а для систем, в которых используются идентификаторы с питанием от батарей- неспособность контролирования RF-сигнала идентификатора.
Горнодобывающие компании также смогут использовать такую же инфраструктуру в будущем для следующих сфер с привязкой к местоположению, таких как снабжение и энергоменеджмент. Использование имеющихся точек доступа в качестве устройств считывания, дает возможность быстрой установки системы, и обеспечивает низкозатратность содержания. Информация по шахте от буровых станков и вагонеток, такая как их положение и вес находящихся в них грузов, ретранслируются через беспроводные базовые станции на компьютер в диспетчерской на поверхности. Благодаря сетям Wi-Fi, нескольким шахтерам приходится сталкиваться с рисками подземных работ, и иметь дело с теми, у кого есть более прочная связь с внешней средой.
В работе под пунктом [5], приводится резюме, представляющее собой краткий обзор идей обеспечения связи в шахте и технологий, на основании информации, которая была ранее опубликована Национальным Институтом по Охране Труда и Промышленной Гигиене (NIOSH), бывшим Бюро США по Горному Делу, и прочих источников, включая сведения от производителей.
Применив совместную разработку Эксавера Текнолоджис (www.exavera.com) [6], Дмарк Нетком Инк. (www.dmarc.us), и УайБорн, Инк. (www.wiborne.com), мы провели пробную демонстрацию определения местоположения RFID с длинным диапазоном на шахте по добыче трона компании FMC Корп. в Грин Ривер, Вайоминг. Мы внедрили двухполосные системы определения местоположения в реальном времени 802.11 2.ГГц и системы ультравысокой частоты (UHF) 915MГц, в 5 миль туннелей для трансляции беспроводных сигналов и отслеживания перемещающихся транспортных средств. Задачей нашего активного идентификатора RFID с истинно длинным диапазоном (1 миля), установленного в головной светильник шахтера или секции батарей, заключается в отслеживании местоположения на основе Wi-Fi. Благодаря наличию данной системы, местонахождение рабочих, а также ценного передвижного оборудования, может непрерывно отслеживаться и просматриваться в реальном времени через любой интернет- браузер, для обеспечения безопасности и улучшения качества работ.
Meтoдoлoгия
Исследования и опыт показали, что системы связи не могут в рамной степени качественно работать в каждой. Для каждой шахты требуется индивидуально подобранное решение, соответствующее конкретным требованиям шахтной среды, и предотвращающее интерференцию с прочими системами наблюдения и управления на шахте. Поскольку системы связи не могут покрыть всю площадь подземных горных выработок шахты, область покрытия является существенным аспектом планирования. Также, все подземные шахтные системы связи требуют наличия утверждения Управления по безопасности и охране труда в добывающей промышленности (MSHA) (www.msha.gov) (30 CFR 23) [7].
Мы пришли в ходе проектирования к выводу о том, что такого рода шахтная система связи должна выглядеть как большая картина, сочетать различные технологии, включать в себя план шахты, и выполнять оценку риска.
Для использования беспроводной технологии для шахт, мы рассматриваем систему GPS, используемую в помещениях, которая, как и многие используемые в подземных выработках системы, ведет учет местоположения взрывчатых веществ, вагонеток, компрессоров, буровых станков, и прежде всего- состояния здоровья и безопасности шахтеров.
Для каждой шахты требуется индивидуально подобранное решение, соответствующее конкретным требованиям шахтной среды, и предотвращающее интерференцию с прочими системами наблюдения и управления на шахте. Поскольку системы связи не могут покрыть всю площадь подземных горных выработок шахты, область покрытия является существенным аспектом планирования.
Компоненты систем связи, такие как Излучающий Кабель, или проводные соединения, могут переламываться при обрушении кровли либо при взрыве. Они также могут разрушаться при пожаре или прекращать работу ввиду прекращения подачи питания. Разработка систем для резервирования может поддержать работоспособность после данных событий.
На определенных шахтах, таких как угольные шахты, имеют особенно уникальную среду для радиосигналов. Для радиосистем требуется наличие чистого канала или открытого пространства для распространения сигнала. Остановка или обрушение кровли задерживает или тормозит обычное распространение сигналов. Также имеется мнение о том, что ионизованный воздух, образующийся в результате пожара в шахте, также может представлять проблему.
При увеличении объемов сетей WiFi в шахтах для линий данных и акустических линий, распространение сетей WiFi создало стандартную беспроводную структуру, в которой можно использовать продукты, подобные нашем беспроводному устройству отслеживания местоположения.
Теоретически, идентификатор WiFi шахтера, питаемый от батареи, имеет кнопку вызова, которую шахтер нажимает, что позволяет идентификатору подавать сигнал посредством отправки данных о точном местонахождении на удаленный сервер вне шахты.
Далее, при использовании беспроводных компьютеров, персонал вне шахты может иметь доступ к информации о местоположении на внутренних веб-страницах посредством отметки своих веб-браузеров на странице интранет. Перемещение и местоположение каждого идентифицированного шахтера, транспортного средства либо оборудования, отслеживается в бaзе данных и отображается на визуальной карте. Последние известные местоположения шахтера будут нанесены на карту, на случай выхода из строя беспроводной сети. По мере продвижения покрытия сети WiFi на глубину или на длину подземной зоны, устройство отслеживания сможет оставаться подключенным к серверу RTLS.
Мы разработали системы с гибридной частотой, в которой используются частоты 915 MГц и 2.4 ГГц UHF,такие как 915 MГц, действуют в среде с большим количеством металла, или с частично отсутствующей LoS. Стандарт 2.4 GГц предназначен для использования беспроводных сетей с более длинным диапазоном с сетью LAN на основе технологии WiFi. Горняки могут использовать данную частоту 2.4 GГц и для цифровой / голосовой связи.
Система безопасности в горной промышленности должна включать в себя технологию, которая имеется в наличии. Используется технология WiFi, и становятся экономичными продукты, подобные гибридным системам УайБорн.
Результаты анализ и обсуждения
Наша система является значительным вкладом в обеспечение безопасности шахт посредством принятия таких мер как идентификация на лампах, газоизмерительных приборах, и самоспасателях. Не только данные меры обеспечивают наличие у каждого шахтера нужного оборудования, но и функциональность оборудования, и соблюдение пределов его калибровки. Она обеспечивает наличие переносной базы данных которая перемещается с продуктов, и может совмещаться с любой системой управления шахты, являясь идеальным инструментом для контроля качества и выбора места ведения горных работ.
Достоинством системы является то, что даже в случае разрыва она все еще обеспечивает получение сведений о последнем известном местоположении персонала и оборудования,но обычно система получает повреждения в результате пожаров и взрывов, что может повлиять на способность отслеживания или направления извещений по линии передачи данных.
Единственным недостатком является наличие сотрудников, которые не хотят быть отслеженными. Таким образом, эффективная система потребовала бы размещения, когда сотрудники не находятся в зоне отслеживания во время простоев, как во время обеда.
Недавние переговоры с горноспасательным центром экстренного реагирования Западной Виргинии приводятся в работе под пунктом [8]. Целью данных переговоров был сбор мнений экспертов по поводу проблем и возможностей для улучшения информированности по поводу переговоров о внедрении системы. В это же время был проведен круглый стол для сбора 40 экспертов горнодобывающей отрасли, совокупный опыт деятельности которых составил 946 год
Заключения
Основными преимуществами, которые обеспечивает наш данный проект, является наличие истинных считывающих устройств в длинном диапазоне RFID, которые также действуют в качестве точек беспроводного доступа для связи. Это значительно сокращает расходы на монтаж и обслуживание. Наш идентификатор с питанием RFID и система RTLS обеспечивают единый расчет с высокой точностью и экономию ресурса батареи.
Имеется ограничение, которое относится к большинству систем. Мы обеспокоены поддержанием работоспособности сети после обрушения или взрыва.
Система отслеживания местоположения компании УайБорн, LOC-1000, основана на интернет-технологиях, и может применяться беспроводной передачи стандарта 802.11 с частотами длинного диапазона 802.11. Например, на таких объектах, изображения которых приведены ниже, как Отслеживание Состояния Объектов Недвижимости (Asset Tracking), Автоматическая Парковка (Automated Parking), Контроль Доступа (Access Controls), Больницы (Hospitals), Аэропорты (Airport), Гавани (Harbor), Городские Кварталы (Communities), Коммерческие Объекты (Commercial Facilities), Животные (Animals), Поездки на Лошадях (Horse Riding), Горное Дело (Mining), и Транзитные Станции (Transit Stations). Она применяется на любом из приложений серии 802.11 как Регистрация Данных (Data Logging), Наблюдение (Surveillance), Экстренная Помощь (Emergency), Собственное Отслеживание (Proprietary Tracking), Автоматизация Послепродажного Обслуживания (Field Force Automation), Охрана Закона (Law Enforcement), Отслеживание Парков Транспортных Средств (Tracking Fleets), Курьерская Доставка (Couriers), и Строительство (Construction).
Благодарность
Авторы хотели бы выразить благодарность за рекомендации и проведение эксплуатации Кендаллу Веллсу из компании Дмарк Нетком для способов с длинным диапазоном WiFi. Возможность проведения работ на шахте по добыче трона компании FMC предоставлена компанией Эксавера Текнолоджис, вместе с проведением эксплуатации оборудования частотой 915MГц оборудования с активным RFID, имеющемся у Эксавера. Особая благодарность выносится всем шахтерам компании FMC, объединившимся с нами в одну команду для успешного проведения данной демонстрации 22 марта 2006 г.