基于RFID的煤礦井下物流管理系統研究

　　1 概述

　　煤礦井下物流管理有人員管理和安全物資管理。人員管理首先是日常作業管理，包括考勤、出入管理、井下人員跟蹤定位等；其次是緊急情況管理，即災害事故預防，責任事故預防，災害事故后人員定位、搜索、救護等。安全物資指雷管、炸藥等易燃易爆且對存放、使用有特殊要求的物資。

　　據統計我國煤礦巷道掘進主要采用爆破方法，機械化掘進尺只占5％，所以安全物資在煤礦井下應用數量大，其管理水平直接影響安全生產狀況。目前? 煤礦井下物流管理仍以經驗管理、人工管理為主，災害、事故發生率居高不下。此外，井下多塵、潮濕等惡劣環境因素造成人員、物資缺乏可靠的跟蹤管理手段。針對這種情況，利用RFID(射頻識別技術)非接觸遠距離識別、多目標識別、環境敏感性低、標簽數據容量大、標簽可讀寫等特點，以其為關鍵技術且與計算機、網絡、信息管理技術有效結合的井下物流管理系統，實現人員、物資的動態實時管理，改變礦井安全管理狀況。

　　2 系統原理及構成

　　2．1 系統原理

　　系統由井下數據采集傳輸單元和地面控制管理單元組成，中間為數據傳輸網絡。井下數據采集傳輸單元基本組成元件為射頻標簽、閱讀器、天線和中間件。系統工作原理為閱讀器通過天線發射電磁波，射頻標簽經自身天線接收電磁波后，或者依靠電感能量(無源)，或者依靠自身能量(有源)將所存儲信息發射回去。信息包括ID、身份標識等靜態信息和環境、位置等動態信息。閱讀器接收信號并經中間件處理后，通過數據傳輸網絡傳送給井上數據庫，經應用軟件系統調用解析后，實現人員監控、事故預警、安全物資監控、中央控制、遠程領導查詢等各種應用。系統原理如圖1所示。

 
圖1 系統原理

　　2．2系統結構設計

　　(1)系統軟件結構設計。系統地面工作站和數據服務器間選取傳統的c／s體系結構。用戶界面、管理系統軟件存放在工作站上，而數據庫訪問及后臺操作則由服務器來完成。該模式下系統各個2 系統原理及構成。
 
　　(2)數據傳輸網絡設計。數據傳輸接口采用標準RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太網和無線wLAN接口。傳輸網絡盡量采用井下已有的安全監控系統信道、通信光纜等，在保護原有投資基礎上實現功能提升。

　　(3)射頻標簽選擇。射頻標簽工作頻率分為低頻(100—500 kHz)、中頻(10～15 MHz)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若頻率高，則識別距離大，通信速度快，抗噪能力強，但對障礙物(如液體)的穿透性、方向敏感性不如低頻。因此，結合兩者優點，井下采用工作頻率為低頻和超高頻的雙頻標簽。

　　(4)井下物流管理閱讀器布置原則。井下物資和人員的跟蹤可靠性，是基于RFID的井下物流管理系統是否能取得理想效果的關鍵，而閱讀器的布置直接影響井下物資、人員的跟蹤精度。閱讀器布置應遵循以下原則：①重點巷道連續布置。井下車場、人員物資必經巷道連續布置閱讀器。考慮成本，布置間隔以滿足跟蹤精度為依據，在此前提下盡量減少布置數目。②重點設備、危險地段必須布置。帶式輸送機主機、翻斗等有自然發火預兆的重點設備，除安裝監測設備外，應與RFID閱讀器關聯以實現事故預警。爆破材料庫、油庫、瓦斯部分任務清楚，數據訪問實時性好。中央監控及其他部門遠程信息查詢模塊設計成B／s體系結構。

　　該模式中數據的處理分析均在服務器上進行，簡化了客戶端工作。

　　(2)數據傳輸網絡設計。數據傳輸接口采用標準RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太網和無線wLAN接口。傳輸網絡盡量采用井下已有的安全監控系統信道、通信光纜等，在保護原有投資基礎上實現功能提升。

　　(3)射頻標簽選擇。射頻標簽工作頻率分為低頻(100—500 kHz)、中頻(10～15 MHz)、高頻(13．56 MHz)、超高頻(860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若頻率高，則識別距離大，通信速度快，抗噪能力強，但對障礙物(如液體)的穿透性、方向敏感性不如低頻。因此，結合兩者優點，井下采用工作頻率為低頻和超高頻的雙頻標簽。

　　(4)井下物流管理閱讀器布置原則。井下物資和人員的跟蹤可靠性，是基于RFID的井下物流管理系統是否能取得理想效果的關鍵，而閱讀器的布置直接影響井下物資、人員的跟蹤精度。閱讀器布置應遵循以下原則：

　　①重點巷道連續布置。井下車場、人員物資必經巷道連續布置閱讀器。考慮成本，布置間隔以滿足跟蹤精度為依據，在此前提下盡量減少布置數目。

　　②重點設備、危險地段必須布置。帶式輸送機主機、翻斗等有自然發火預兆的重點設備，除安裝監測設備外，應與RFID閱讀器關聯以實現事故預警。爆破材料庫、油庫、瓦斯區、封閉火區等危險地段必須布置閱讀器。

　　③工作面、必經巷道雙向布置。在綜采煤工作面這種既有人口又有出口的地段，相關位置應雙向布置閱讀器。對于1條巷道內有多個采面的情況，將采面集中劃分區域，在區域出入巷道安裝閱讀器實行區域管理。掘進面只在人口處布置閱讀器即可實現人員的定位、跟蹤。

　　④合理布置臨時、手持式閱讀器。在冒頂危險區、放炮警戒處、巷道維修地段、臨時禁止通行地段，布置臨時、手持式閱讀器進行人員監控。

　　⑤安裝位置易于裝拆。由于采面采煤任務完成后要落頂封巷，生產任務完成后原架設閱讀器要拆卸，重新布置在新開采面。因此，閱讀器的安裝應遵循易于裝拆的原則。

　　3系統功能實現

　　3．1 人員管理

　　(1)日常管理。包括考勤登記、井下工時計數、上井人員查點、井下人員定位跟蹤等。煤礦工作人員根據崗位不同分為井上、半井上、井下等幾類。井下人員工作量確定既依據產煤量、掘進尺等工程數據，又與下井工時直接掛鉤。半井上、井上人員都要求月井下工時數。引入RFID后，考勤、工時、查點實現自動化，確保高效率和準確性。井下人員定位、跟蹤是事故預防的基礎，傳統管理根本無法實現，而RFID技術填補了該管理空白。

　　工作流程以地面管理系統數據庫中生產作業計劃人員、區域調度信息為基礎，將射頻標簽ID、身份信息與巷道工作面信息等靜態信息作為參考系，與巷道工作面閱讀器獲取的動態信息相對應，經系統中軟件功能邏輯，實現各項功能。

　　(2)緊急情況管理。包括事故預防和事故后處理。事故預防首先是災害事故預防。即將RFID技術與災害監控技術相結合，對井下災害事故作預警管理，這是傳統管理方法和技術無法實現的。將RFID設備與煤層瓦斯壓力(含量)測定儀，溫度、煙量、火焰等火災監測設備，測塵儀，風速、負壓傳感器，水位傳感器等相關聯。一旦危險因素水平超過警戒線，在前臺管理界面中立即準確顯示預警位置，點擊危險區域信息可查看人員情況，通過井下通信系統及時發布警報，采取相關措施消除事故源，并組織人員疏散。其次是責任事故預防。責任事故預防有2種情況：一是在封閉火區、瓦斯區、盲巷、廢棄巷道等嚴禁入內區域架設固定

　　RFID設備，以防人員誤人造成事故；其次是在危險區、放炮警戒處、巷道維修地段等臨時禁行地段，由專人拿臨時、手持式RFID閱讀器進行人員監控，與警燈、音頻報警器、警示牌相結合，避免責任事故發生。

　　事故后處理指災害事故發生后及時組織撲救和人員救護工作。傳統管理方式事故發生后，救護隊往往盲目人井，對災情、滯留人員情況不了解，容易造成意外傷害。RFID管理系統中，利用事故發生工作面人口RFID閱讀器上傳的信息，可準確得到各工作面的人員數量、位置信息，及時配備人力、設備，在最短時間內采取搶險營救措施。營救

　　過程中利用手持式RFID閱讀器對滯留人員進行準確定位。

　　3．2安全物資管理

　　在RFID井下物流管理系統中，安全物資、運送安全物資的容器(托盤)和設備(專用車輛)、庫存管理人員、領用人員都粘貼、佩戴RFID標簽。通過物資、人員、位置信息的一一對應，實現全環節自動化、數據化監控管理。實現物資出入庫、盤庫等物流作業高效自動管理，物資領用管理責任明確，物資流動路線在途實時跟蹤，提高了安全物資管理的安全性。系統總體功能如圖2所示。

圖2 系統總體功能

　　4 結語

　　本文介紹的煤礦井下物流管理系統通過RFID技術特點與煤礦生產具體流程相結合，提出新的煤礦井下管理模型，建立完整性、實時性和靈活性的井下物流管理系統。RFID只是一項自動識別技術，以其為技術支撐的管理信息系統功能的合理設計，管理流程的嚴格規范，才是我國煤礦井下生產管理水平真正提高的根本保證。