露天煤矿临近车辆检测ad hoc协议测试与选择.pdf

第 44卷 第 “ 期 2018年 6 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号文章编号671-251X201806-0021-06 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018020051 露天煤矿临近车辆检露天煤矿临近车辆检* 协议测试与选择协议测试与选择 王茵12， 施燕峰S 胡圣波1 1.贵州师范大学智能信息处理研究所，贵 州 贵 阳贵州师范大学智能信息处理研究所，贵 州 贵 阳550001 定位精度 中图分类号中图分类号TD655 文献标志码文献标志码A 网络出版地址网络出版地址http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180518. 1657. 004. html Testing and selection of ad hoc protocol for proximity vehicle test in open-pit coal mine WANG Yin 12 , SHI Yanfeng1，， HU Shengbo1 1. Intelligent Ination Processing Institute , Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China; 2. Department of Mechanical and Electronic Engineering，， Guizhou Jiaotong College，， Guiyang 550001，， China Abstract The paper pointed out that GPS integrated wireless communication technology is most suitable for application of proximity vehicle detection in open-pit coal mine on the basis of analyzing existing proximity vehicle testing technologies，， such as ultrasonic sensing technology，， pulse radar and laser detection technology，， computer vision technology，， RFID and electronic tag technology，， GPS technology. It put forward a wireless communication system for proximity vehicle testing with GPS integrating ad hoc in open-pit coal mine as long as the proximity vehicles are in communication distance range，， it can adopt IEEE 802. 11 agreement between vehicles，， and exchange GPS positioning data by single-hop or multiple-hop . Taking the system as research object，， the real scene of open-pit coal mine was simulated，， the received signal strength and the effective communication distance for IEEE 802. 11a/b/p were tested and analyzed under the following conditions of line of sight，， non line of sight，， the receiver at bottom of slope，， and receiver at top of slope. The testing results show that protocol packet reception rate of IEEE 802.11b is higher，， effective communication distance is farther compared with IEEE 收稿日期 2018-02-28;修回日期 2018-05-09;责任编辑 张强。 基金项目 贵州省科技基金项目（ 黔科合 字 LKS[2013]25号） 。 作者筒介 王茵（ 1966 ） ， 女， 贵州贵阳人， 副教授， 长期从事汽车电子研究工作， E-mail352940125qq. com。 引用格式 王茵， 施燕峰， 胡圣波. 露天煤矿临近车辆检测ad hoc协 议 测 试 与 选 择 工 矿 自 动 化 ， 2018,4461-26. WANG Yin,SHI Yanfeng,HU Shengbo. Testing and selection of ad hoc protocol for proximity vehicle test in open-pit coal mine[J]. Industry and Mine Automation,2018,446 ； 21-26. 22 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 802.11a/p , and is more suitable for proximity vehicle testing in open-pit coal mine. Key words open-pit coal mine; vehicle safety; proximity vehicle test; GPS integrating ad hoc; positioning accuracy 〇 引言〇 引言 近年来， 国内外露天煤矿车辆采取了许多临近 检测技术手段和措施， 如超声波传感技术、 雷达技 术、 GPS技术等， 有效地减少了由于矿用卡车、 工程 车辆碰撞造成的致命和非致命事故[14]。然而， 这类 事故依然不可避免， 特别是死亡事故时有发生。究 其原因， 除存在生产企业重生产、 轻安全、安全管理 、、 出问题外[2]， 从技术上看， 主 要 有 2 个方面的原因 一是矿用卡车、 工程车辆体量大， 司机视觉存在严重 盲区； 二是矿用卡车、 工程车辆机动性差， 避免碰撞 响应时间过长。因此， 露天煤矿临近车辆检测成为 研究热点。其中， 基 于 G PS的许多临近车辆检测技 术因成本低、 覆盖范围广、 精度高受到密切关注（ “]。 基 于 G PS的临近车辆检测技术要求每辆车或每台 装备均装备GPS设备， 同时给出临近车辆或装备 的相对位置信息， 并能发送自己的位置信息。从上 述要求可看出， 临近车辆或装备需要采用合适的无 线通信技术实现定位数据的发送。如果采用固定基 站或者长距离多跳的无线通信技术， 首先要将临近 车辆或装备的G PS数据发送到中央处理单元， 然 后 ， 中央处理单元再向临近车辆或装备广播GPS数 据 ， 这既不满足临近车辆或装备的相对位置信息实 时性高的要求， 也 不 适 合 露 天 煤 矿 环 境 。而基于 IEEE 802. 11 WiFi 的 短 距 离 多 跳 无 线 技 术 ， 即 ad hoc是很好的选择。 近年来许多重要的临近检测技术也受到关注， 文献（]研究了基于临近自适应H T T P 的 W iFi检 测技术， 文献[8]研究了基于双频带W iFi信号强度 RSS的室内临近用户检测技术。但针对露天煤矿 临近车辆检测应用及合适协议版本选择的研究并不 多见。本文在分析现有临近车辆检测技术的基础 上 ， 结合露天煤矿现场实际， 提出了一种基于IEEE 802. 11协议的GPS集 成 ad hoc的露天煤矿临近车 辆检测无线通信系统， 以该系统为研究对象， 通过模 拟真实的露天煤矿场景和现场测试分析， 优化选择 适 用 于 露 天 煤 矿 临 近 车 辆 检 测 的 IEEE 802. 11 协议。 1现有临近车辆检测技术1现有临近车辆检测技术 1. 1 超声波传感技术 超声波传感技术工作频率为40〜250 kHz。超 声波碰到障碍物或分界面会产生显著反射， 形成反 射回波。通过测量回波时间， 可估计障碍物的相对 距离。但超声波衍射小， 只能直视传播， 工作距离不 到 10 m， 并 不 适 合 大 面 积 的 露 天 煤 矿 临 近 车 辆 检测[9]。 1.2 脉冲雷达和激光探测技术 脉冲雷达和激光探测技术都是很有希望的临近 车辆检测技术， 其工作原理类似于超声波传感技术， 但其测量距离更远、 精度更高。然 而 这 2 种技术易 受到检测路径中其他障碍物的影响， 虚警概率大。 例如， 当碰到车辆轮胎或大型岩石时会出现虚警， 而 碰到路过的行人时， 会出现漏检。此外， 采用这些技 术成本较高。露天煤矿临近车辆检测采用这2 种技 术将面临如何提高检测概率、 降低虚警概率和漏检 概率等许多难题[1 0 11]。 1.3 计算机视觉技术 先进的计算机视觉技术同样是非常有希望的临 近车辆检测技术和目标识别技术。但是计算机视觉 技术 相机 有足 ， 、 环境 ， 果并 好 。 ， 当 相机 时， 要求可靠的模式识别技术。这些问题， 使得只采 用计算机视觉技术进行露天煤矿临近车辆检测同样 临 [12。 1.4 RFID和电子标签技术 采 用 RFID和电子标签技术需要在车辆或装备 上 嵌 人 RFID和电子标签， 需要周期发射电磁波。 同时， 这些嵌人设备还需感应接收其他车辆或设备 发送的电磁信号。当车辆或设备靠近， 感应到的信 号 强 度 足 够 大 时 ， 才 能 提 示 车 辆 或 设 备 的 临 近 。 RFID和电子标签技术安装简单， 部署容易， 工作距 离 为 12“18 m， 但只能实现目标临近感知， 不能精 确定位和定向[13]。 1.5 GPS 技术 GPS技术定位精度为3“4 m， 所以， 集 成 GPS 无线通信技 术 车 辆 临 近 检 测[5， 14]。但是， 随着车辆越来越靠近， GPS技术的定 2 0 1 8 年 第 6 期王 茵 等 露 天 煤 矿 临 近 车 辆 检 测ad hoc协 议 测 试 与 选 择 23 位精度并不能满足要求， 需要结合无线通信技术进 提尚定 。 2 2 GPS集 成集 成adhoc的临近车辆检测无线通信系统的临近车辆检测无线通信系统 从 第 1 节分析可见， 目前临近车辆检测技术中， GPS集成无线通信技术 合适的选择，弔在 露天煤矿车辆 型卡车检测领域。 GPS集成无线通信技术基 利 用 GPS接 收机 车辆或设备位置信息， 并通过无线通 信 将 置信息发送给 车辆。无线 通信 有 2 种 第 1 种 集中式通信基 站或长距离通信 将车辆定位数据发送给处理中 心 ， 再由处理中心将车辆定位数据以广播 送给 车辆;第2 种是 以 p2p、 分 将车 辆 GPS定位数据发送给 车辆。第 1 种 构 ， ， 不适合露天煤矿 环境。 ， 文将 ad h oc的 模 式 ， 彳 种 G PS集成 ad hoc的临近车辆检测无线通信系统， 如 图 1 所示。 图1 GPS集 成ad hoc的临近车辆检测无线通信系统 Fig. 1 Wireless communication system of proximity vehicle testing with GPS integrating ad hoc 只要相邻车辆处于通信距离范围内， 车辆间便 可以采用IEEE 802. 11协议， 以 单 跳 或 多 跳 ‘ 式 交 换GPS定位数据。 3 3 IEEE 802. 11协议选择 802. 11协议选择 3. 1 IEEE 802. 11 协议 IEEE 802. 11协议是一系列、 多 版 本 的MAC 层和物理层的技术规范， 定 同 ， 是 定 ad hoc无线网络标 无线 网协议， 规 定了 2. 4,5,60 GHz等3个工作频段。结合露天煤 矿临近车辆检测需要， 本 文 主 要 分 析IEEE 802. 11a/b/p 版 协议， 通过系统测试， 以选择适 合露天煤矿临近车辆检测的IEEE 802. 11协议。 1 IEEE 802. 11a协 议 。是 对 最 初 的IEEE 802. 11协议的修正， ， 协议与 丨 的 IEEE 802. 1 1协 议 一 样 ， 但 采 用 正 交 频 分 复 用 OFDM的调制方式， 工作频段为5. 8 GHz避开了 拥挤的2. 4 GHz的ISM频段， 具有较好的电磁兼容 环境。 2 IEEE 802. 11b协议。也是对最初的IEEE 802.11 协议 ， 协 议 与 IEEE 802. 11协议 ， 采用直 频 ， 传 输速率包括5. 5,11 Mbit/s， 工 作 频 段 为2. 4 GHz 的ISM频段。 3 IEEE 802. 11p 协议。是由 IEEE 802. 11 标 通信协议， 车载电子无线通信， 符合智能交通系统的相关应用。采 用5. 9 GHz的 工作频率 OFDM技术 ITS智能交通 系统路边基础设施。MAC 作修改， 以 专 短程通信系统。 3.2 有效通信距离测试 一般地，设 计GPS集 成adhoc的无线通信系 统时， 信号 强度。对于临近车辆 检测来说， 信号 强 ， 还要关注有效 通信距离。有效通信距离可定 数据 率大 过某个阈值时所对 通信距离， 反映 数据包 率与传输距离 系 ， 与无线电波传输距离、 传 环 境 、 、 相 。 测量有效通信距离， 在贵州贵安新区某施工 现场实地模拟露天煤矿环境， 建立了有效通信距离 测试场景，研 究IEEE 802. 11a/b/p三个版本的协 议 。模拟场景和测试系统组成分别如图2和 图3 所。 图2露天煤矿模拟场景 Fig. 2 Simulation scene of open-pit coal mine 1 BU353 GPS 模块。采用 SiRF Star III 芯 片组加 型陶瓷天线， 使得定位1 ， 防滑底 运 各种车辆上， 差分定 丨 度 接收信号强度/dB m 丄 丄 I | | | | 〇 sO o o o s s ♦ 802.11a I8s.lla 莛 nl 802.11b -----802.11b 莛 ni 00 S.11P 802.1 s ni 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240260 280 漆霧阍 M/m so 4 w 換 60 包 据 40 数 2020 ♦ 802.11a 18s.lla 莛 ni T l . l l b 802.11b n y oo s.llp - ss.llp 莛 ni 0 20 - t o 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 满ir阍諷 /m a辤 瓏政 舜锻也商諷l mr -JS 淋锄毋雜 m -50 「 ♦ 8S. 11a I802.11a 莛卟 i.llb -----i.lls ni 802.111 802.11p Di B -60 /d -70 - 破 io 信 -30 - 嫩-no - 接 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 漆霧阍 M/m b s舜ff l 」 lb -----802.11b 莛卟 802. 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