Смартфоны могут спасать жизни шахтеров

В шахтных авариях погибли десятки тысяч рабочих по всему миру за последнее десятилетие. Большинство из этих несчастных случаев произошли в структурно различных подземных шахтах с обширными лабиринтами взаимосвязанных туннелей. По мере развития горнодобывающей промышленности, перемещения рабочих и машин создают постоянно меняющиеся условия. Это делает поисково-спасательные работы еще более сложными, чем раньше.

Для решения этих опасностей правила требуют операторов шахт контролировать уровень метана, окиси углерода, дыма и кислорода — и предупреждать шахтеров о возможной опасности отравления воздуха, наводнения, пожара или взрыва. Кроме того, горнодобывающие компании должны иметь планы реагирования при несчастных случаях, которые включают в себя системы с двумя ключевыми возможностями: обеспечение двусторонней связи между шахтерами в ловушке под землей и спасателями на поверхности, а также отслеживание отдельных шахтеров, чтобы знать где копать.

Работа моей исследовательской группы направлена на расширение коммерчески доступных смартфонов и беспроводного сетевого оборудования с программным обеспечением и аппаратными инновациями, чтобы создать систему,  простую и относительно простую в эксплуатации.

Существующие разработки

За последнее десятилетие было отмечено несколько усилий по разработке систем мониторинга и связи в чрезвычайных ситуациях, которые в целом можно разделить на три типа: через провод, через Землю и через сотовую сеть. Каждый из них имеет различные недостатки. Проводные системы используют коаксиальные или оптоволоконные кабели для подключения мониторинга и оборудования связи по всей шахте и на поверхности. Но они являются дорогостоящими и уязвимы к повреждениям от пожаров и обвалов туннелей.

Системы, которые посылают сигналы через Землю используют большие рамочные антенны для передачи низкочастотных радиоволн через грязь и скалы. Сигналы не могут нести много информации, кроме простых текстов или показаний датчиков, а также оборудование является дорогостоящим и громоздким. Беспроводная связь, например, сигналы Wi-Fi, охватывают расстояния от 1000 до 2500 футов. Но они имеют ограничения тоже. Они зависят от проводных базовых станций, распределенных по всей шахте, которые очень похожи на проводные системы и имеют аналогичные затраты и проблемы с подключением.

Глубоко под землей, смартфоны могут спасти жизни шахтеров

Предлагаемая компоновка системы для мониторинга подземных шахт должна отслеживать движения отдельных шахтеров под землей, все эти системы также требуют каждого работника покупать дорогостоящие частей зондирования. Расходы привели к тому, что до сих пор большинство шахт в настоящее время используют оборудование, которое обеспечивает минимальное количество безопасности. Оно включает в себя ручное отслеживание местоположения шахтеров, используя двунаправленные пейджеры или видеонаблюдение.

В то же время большинство людей постоянно имеют телефоны с собой все время, а современные смартфоны имеют широкий спектр уже встроенных датчиков. Некоторые шахты нашли способ использовать смартфонов для навигации перемещений внутри  пространства. Путем измерения мощности Wi-Fi сигнала,
возможно аппроксимировать расстояние между телефоном до известных местоположений передатчиков. Мы учли измерения от инерциальных датчиков телефона, чтобы определить скорость и направление движения. И мы применили математическую технику, называемую фильтрацию Кальмана, чтобы определить другую полезную информацию от дополнительных датчиков — например, число предпринятых шагов.

Когда все эти данные были обработаны с помощью методов машинного обучения, мы смогли определить местоположение пользователя в пределах от одного до трех метров, несмотря на шумные или ошибочные показаний с Wi-Fi радио и инерциальных датчиков. Это было гораздо лучше, чем предыдущие методы для внутреннего местоположения зондирования на основе инерционных показаний датчиков и снятия отпечатков пальцев. Но эти исследования были проведены над землей.

Под землей гораздо сложнее. Мало того, Wi-Fi сигналы недоступны под землей, но и другие беспроводные сигналы от мобильного телефона. Даже те сигналы, что есть, от коммуникационного оборудования в шахте, отскакивают от неровной поверхности, поглощаются стенами. Эти сложности делают определение конкретного места еще более трудным для электронного устройства. Кроме того, датчики и смартфоны, используемые в шахтах должны быть особенно энергоэффективными, поскольку станций перезарядки не хватает.

Новый подход

Наше исследование включает в себя проектирование беспроводной сети из датчиков Bluetooth, развернутых стратегически вокруг шахты, создание веб сети, которые могут подключаться к смартфонам шахтеров. Мы будем проектировать точное расположение основных датчиков, основанных на анализе того, как радиосигналы изменяются в комплексе. Мы также работаем над разработкой новых программных алгоритмов и методов фильтрации, которые могут работать на смартфонах. При подключении к беспроводной сети, они будут иметь возможность точно и эффективно рассчитать местоположение в шахтах, несмотря на весьма непредсказуемый характер беспроводных сигналовНаша надежда состоит в том, что мы подумаем, как построить комбинированный кибер и физическую систему для мониторинга, связи и слежения в подземных шахтах при нормальных условиях. Такая установка также будет полезна в операциях по реагированию на чрезвычайные ситуации и при спасательных работах. Это может не только повысить безопасность сотен тысяч шахтеров, но и открывают новые возможности для коммуникаций и улучшения безопасности человека в различных экстремальных условиях.