О.А. Гаевская, В.И. Елисеев
В статье рассмотрены основные проблемы Украины в сфере безопасности горнорабочих на шахте, проведен анализ наиболее популярных систем позиционирования в шахте (СПГТ-41, Granch, РадиуСкан), рассмотрены технологии беспроводных сетей RFID и ZigBee, выявлены их достоинства и недостатки. На базе проведенного анализа поставлена задача разработки автоматизированной системы наблюдения и поиска горнорабочих в шахте.
Введение
Проблема безопасности горнорабочих общеизвестна. Данная проблема связана не только с опасными условиями в шахте, но и с устаревшим, не современным оборудованием, которое не позволяет своевременно предупредить аварию или ликвидировать ее последствия. Поэтому тема стала острой на сегодняшний день не только для всего мира, но и особенно для Донбасса, учитывая его основную деятельность.
Тогда, как Украина могла бы лидировать по количеству экспортируемого угля, она лидирует по уровню травматизма и смертности на производстве. Ведь по статистике каждый добытый миллиард тонн угля на Украине забирает жизнь двух горняков. Для сравнения, в США этот показатель – 0,03, в России – 1,1 [1].
Согласно закону Украины «Про утверждение Правил безопасности в угольных шахтах» на каждой шахте должны быть созданы условия противоаварийной защиты, формирование своевременной информации об аварийных ситуациях и признаков аварии [2].
Анализ современных систем позиционирования горнорабочих
На сегодняшний день уже существуют системы, которые теоретически решают некоторые поставленные вопросы. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41 предназначена для выполнения требований п.41 ПБ 05-618-03 и п.17 ПБ 03-553-03 в части обеспечения наблюдения за положением персонала и внутришахтного транспорта, находящихся в подземных выработках, и предоставление информации об их местонахождении шахтным и аварийно-спасательным службам.
Выполняемые функции:
- наблюдение за местонахождением и передвижением персонала в подземных выработках;
- наблюдение за местонахождением и передвижением внутришахтного транспорта;
- учет работы внутришахтного транспорта;
- контроль наличия людей впереди движущегося транспортного средства;
- организация табельного учета [3].
Система Granch SBGPS является одной из составляющих систем комплекса «Умная шахта». Granch SBGPS – система наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией.
Функции системы:
- непрерывное наблюдение за точным местоположением людей и механизмов;
- непрерывное наблюдение за точным состоянием людей и механизмов в шахте;
- управление работой людей под землей;
- поиск и спасение людей под землей;
- контроль газовой обстановки в зоне работы людей;
- контроль и ограничение доступа на объект [4].
Система "РадиуСкан" аппаратно-программный комплекс, предназначенный для наблюдения и определения местоположения персонала в подземных выработках в реальном времени с точностью до участка горных выработок [5].
Как видно, основными элементами современных систем являются:
- считыватели;
- метки – уникальные идентификаторы горнорабочих;
- система передачи данных – коммутаторы, сеть;
- поверхностный комплекс – автоматизированные рабочие места диспетчеров, серверы хранения информации.
Принцип работы системы следующий. В светильник каждого горнорабочего встроена уникальная метка. По всей шахте, в зависимости от ее топологии, расставлены считыватели этих меток. При прохождении шахтером через зону считывания, метка регистрируется считывателем и далее по сети передачи данных поступает на диспетчерский пульт. Таким образом, решаются два вопроса: табельный учет и позиционирование горнорабочих. А также в случае аварии горноспасателям предоставляется оперативная информация о последнем местонахождении шахтеров в шахте. Но остается открытым вопрос оповещения и поиска горнорабочего непосредственно за завалом.
Преимущества и недостатки технологий RFID и ZigBee
Рассмотрим подробнее используемый в приведенных системах идентификатор и особенности его использования. В качестве данных меток используется так называемая, RFID – метка. Она обладает своими преимуществами, в частности: бесконтактная работа, работа вне прямой видимости, хранение достаточно большого хранения данных, поддержка чтения нескольких меток, прочность. Все эти преимущества безусловно имеют место, но недостатки RFID – метки, делают их применение в шахтных условиях невозможным. К недостаткам или ограничениям использования RFID – метки относят:
1. Невысокие рабочие характеристики в присутствии радионепрозрачных и радиопоглащающих материалов. Такое поведение зависит от частоты. Технология в современном её состоянии плохо работает с такими материалами, а в некоторых случаях отказывает полностью.
2. Воздействие факторов окружающей среды. Условия окружающей среды могут оказывать негативное влияние на RFID-решения. Если рабочая среда содержит большое количество металла, жидкости и т.д. это может влиять на точность чтения меток в зависимости от частоты.
3. Воздействие помех от аппаратуры. На RFID-решение может отрицательно влиять неправильная установка аппаратуры (например, расположение и ориентация антенны).
4. Ограниченная проникающая способность энергии радиоволн. Хотя RFID не требует прямой видимости, существует предел проникновения энергии радиоволн, даже в радиопрозрачные объекты [6].
На сегодняшний день перспективной заменой технологии RFID является технология ZigBee. Рабочая частота 2.4 ГГц. Она выигрывает по таким критериям как низкое энергопотребление и помехустойчивость. Также технология ZigBee обладает следующими преимуществами:
- пространственная масштабируемость – количество узлов сети можно увеличивать до тысяч и более;
- функциональная масштабируемость – одна сеть может использоваться во многих системах управления одновременно и их количество и разнообразие можно легко наращивать без изменения программного обеспечения и перенастройки роутеров и координатора сети;
- легкость установки и наладки – конечные устройства сети сами объявляют о предоставляемых ими сервисах и возможностях и через координатора находят устройства с которыми они должны взаимодействовать для выполнения целевых задач управления;
- легкость наблюдения за самой сетью и оптимизация ее структуры с помощью специальных методов администрирования;
- решение проблем живучести сети – при потере связи с узлами сети сеть перестраивается меняя структуру и маршрутизацию. Можно также легко предусмотреть и дублирование координатора при потере связи с основным координатором;
- решение проблем качества связи – при недостаточном качестве связи можно устанавливать дополнительные роутеры;
- высокая защищенность информации – криптографическая защита на трех уровнях стека. Аутентификация узлов сети;
- открытость для реализации интеграторами собственных протоколов и технологий на базе сервисов предоставляемых ZigBee [7].
Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации. Однако для передачи показаний датчиков, объем которых редко превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей – в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности.
Еще одной отличительной чертой от используемых технических средств в современных системах позиционирования, является то, что в системе с использованием технологии ZigBee не будет деления на считыватели, идентификаторы и поисковые устройства. Все эти устройства будут заменены на одинаковые ZigBee модули, с разной спецификацией:
- носимые – уникальные идентификаторы горнорабочих;
- стационарные – считыватели информации;
- специальные – используемые горноспасательной службой.
Все эти устройства будут составлять единую карту устройств, которые способны обмениваться между собой информацией.
Выводы
Анализ существующих систем наблюдения горнорабочих под завалами показал, что современные системы теоретически решают поставленные в «Правилах безопасности в угольных шахтах» задачи, но на практике представленные системы имеют ряд недостатков.
В связи с этим предлагается разработать автоматизированную систему наблюдения и поиска горнорабочих в шахте на базе существующих принципов и структуры системы, но с использованием технологии ZigBee.
Таким образом, новая система будет обладать рядом преимуществ по сравнению с предыдущими аналогами:
- точность позиционирования, за счет того, что данные устройства не подвержены влиянию окружающей среды, в отличие от RFID;
- доступна функция двухстороннего оповещения и связь между горнорабочими;
- возможность поиска шахтера в случае аварийной ситуации.
Список литературы
1. Аварии на шахтах Украины в 2007-2010 годах. Справка [Электронный ресурс]/ РИА Новости, 2010 – Режим доступа: http://www.rian.ru/spravka/20100613/245849728.html
2. Про затвердження Правил безпеки у вугільних шахтах: Закон Украіни від 07.09.2011 N 960 // Офіційний вісник України. – 2011. – № 62 – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/z0327-05
3. Система позиционирования горнорабочих и транспорта СПГТ-41. [Электронный ресурс] – Электрон. дан. – Ingortech, 2007 - Режим доступа:http://www.ingortech.ru/index.php?option=com_content&task=view& id=98&Itemid=31
4. Научно-производственная фирма «Гранч» [Электронный ресурс] - Электрон. дан. – НПФ «Гранч», 2009 - Режим доступа: http://www.granch.ru
5. Система Радиус – 2 [Электронный ресурс] - Электрон. дан. – Научно-внедренческий инженерный центр «Радиус», 2005 - Режим доступа: http://www.radius-nvic.ru
6. Финкенцеллер, Клаус. RFID-технологии. Справочное пособие / К. Финкенцеллер; пер. с нем. Сойунханова Н.М. — М. : Додэка-XXI, 2010. — 496 с.: ил. — Доп. тит. л. нем. — ISBN 978-5-94120-232-
7. Панфилов Дмитрий. Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4./Панфилов Дмитрий, Соколов Михаил//Элементарная база: компоненты беспроводных сетей. – 2004 - №12.