有源RFID技术在大红山铁矿井下定位系统中的应用

徐 刚 张 坤 胡艳芳

(玉溪大红山矿业有限公司)

有源RFID技术在大红山铁矿井下定位系统中的应用

徐 刚 张 坤 胡艳芳

(玉溪大红山矿业有限公司)

大红山铁矿结合自身实际情况采用有源RFID技术，组建了井下定位系统，介绍了该系统的使用功能，通过该技术的应用，对下井人员和车辆的管理带来了便利，具有极大的经济效益和安全效益。

RFID 人员定位 车辆定位 安全

大红山铁矿隶属昆明钢铁集团有限责任公司，经过多年的发展，井下地质条件复杂、巷道长、作业面多、协作单位多，物资、渣石运输及人员出入井主要通过无轨运输，井下人员和车辆的管理较为复杂。随着科学技术的不断进步，信息化系统已在矿山得到应用，其中井下人员定位系统是国家要求地下矿山建设安全避险“六大系统”之一。为了更好地处理矿山井下安全与生产的关系，实现管理现代化、信息化，集约化，大红山铁矿结合井下实际情况，选择了基于有源RFID技术的井下定位系统，为矿山井下安全生产提供了可靠保障[1]。

1 有源RFID井下定位系统

RFID射频识别技术(Radio Frequency Identification)是目前井下定位系统中应用比较成熟的技术。在矿山井下人员设备的定位系统中，有基于RFID有源标签和无源标签，有源标签因为其自身带有电池供电，所以可以无需外界提供能量，读/写距离较远，与被动标签相比成本较高；无源标签由读卡器产生的磁场中获得工作所需能量，成本低，且使用寿命长，读写距离则较近。大红山铁矿人员出入井、在井下大部分为坐汽车及专用机车，移动范围大，宜采用有源卡。

2 大红山铁矿井下定位系统的构成及功能特点

2.1 工作原理

在井下各个工作区域都安装有读卡器，当入井人员、车辆或设备进入读卡器附近时，识别卡会主动发射卡号给读卡器，读卡器将读到的识别卡信息通过数据监测分站传输给地面的服务器中，该数据经过后台处理后，通过定位系统软件分辨该信息属性，同时将该卡对应的具体位置信息显示在软件的地图显示界面中，同时将识别卡卡号对应的车牌或人员姓名、进出时间等信息记录到数据库，以便在考勤报表中查询。

2.2 定位系统构成

2.2.1 系统硬件组成

井下定位系统主要对井下人员和车辆进行监测，硬件设备主要由地面中心站服务器、监控主机、交换机、数据监测分站、读卡器、识别卡、传输接口、电源、电缆、光缆等部件组成(见图1)。数据主要是监控主机与各工业以太网平台(各交换机)之间采用网络协议TCP/IP传输，工业以太网交换机与井下各数据监测分站之间通常采用标准RS485传输, 接入方式较灵活[2]。

图1 系统硬件组成

(2)KJF91A矿用本安型读卡器，具有双向数据接收和传送功能。通过接收并处理识别卡的定位信号,将接收到的定位信号通过RS485传送到数据监测站，同时也可接收数据监测站的命令向标识卡发送确切的指令信息。大红山铁矿井下各个分层人员的出入口基本位于斜坡道与分层岔口，一期有主斜坡道710～380 m，斜坡道478～835 m，Ⅲ、Ⅳ矿体的南部斜坡道、北部斜坡道，Ⅰ#斜坡道，二期斜坡道380～-40 m。若分层中有其他的出入口，需在该出入口处安装检测装置，原则上在离该检测装置较近的点接入。

(3)KGE37B无线编码发射器识别卡。该卡采用先进的RFID射频识别技术，与读卡器配套。识别卡是入井人员及车辆定位的标识设备，由入井人员随身携带(入井车辆随车携带)。遵循一人一卡(一车一卡)的原则，卡号互不相同，在地面操作软件中，将各个卡号对应的人员信息如姓名、身份证号、工种、血型、联系方式、相片等录入数据库中(车辆信息如车牌、单位等)[3]。

2.2.2 系统软件构成

该系统由数据管理子系统、定位跟踪子系统、应急救灾子系统和通信子系统、WEB浏览模块等功能模块组成。如图2所示。系统采用C/S结构与B/S结构相结合的模式开发，C/S结构主要数据库存放于服务器中、客户端访问服务器即可立即使用，比如井下数据提取、门禁管理模块、大屏显示模块采用C/S结构。对于数据查看， 报表分析等模块采用B/S模式，即通过网页,无论操作人员身处何地，只要网络通畅，无需安装客户端即可查看数据[4]。

图2 系统软件结构

2.3 井下定位系统功能及特点

2.3.1 实时监测功能

在采矿调度室、矿总调、井下指挥中心等位置，可对井下每个作业区域内人员的分布及变化情况实时监控；调度中心的相关操作人员能够对矿井移动目标人员、车辆等进行实时监控、监测，能及时了解井下人员的流动分布情况；实时监测井下总人数，各区域人数；实时监测各部门、各区域、各职务、各工种的井下人数；在图上动态的显示出相关人员位置；实时监测某些特殊工种和特殊人员下井情况及位置。

首先对刀盘整个流场内的流线分布情况进行分析，为刀盘及刀片的改进提供依据。得到刀盘流场内流线分布如图4所示。由图可以看出，刀片的高速旋转带动入口处的空气与刀片一同旋转，气流在入口处变得不稳定，湍流增加；刀片刀尖处存在泄露流，因此刀尖处的流线较为混乱；在刀盘壁面拐角处也存在大量小尺度涡流，会造成能量损耗。

2.3.2 实时查询功能

查询任何指定井下人员或某部门、职务和工种任一指定时刻所处位置；查询任一指定人员的任一指定日期的活动踪迹；选定某数据监测分站、某区域、某无线收发器，可以获得任一历史时刻该位置的所有人员信息；可查询各部门、各区域、各职务、各工种在任一历史时刻人数汇总的情况；能动态显示出井下人员任一历史时刻活动的模拟轨迹图。

2.3.3 安全保障功能

(1)在发生安全事故时，事故抢险人员可以通过定位系统所提供的数据、图形信息，迅速准确的了解到被困人员的数量、位置，以便救援人员及时采取相应的措施，提升了矿井安全生产和科学管理水平。

(2)双向呼叫功能。当井下某处发生了紧急事故，监控主机可以给该区域的标识卡发送紧急寻呼信号，使该区域的所有人员可以得到紧急撤离；当井下人员发生了紧急事故时，该人员可以向调度主机发送救援信号，得到及时救援。

(3)超时报警功能。人员在井下时间超过了设定的规定时间，系统将进行自动报警并提供相关井下人员的信息。大红山铁矿运行的超时报警暂设定为两级报警，井下人员超过第一点时间点如12 h未出井的，系统将进行黄色预警，相关调度管理人员要及时与此人关联的单位，安全负责人或相关联系人联系，追查此人未出井的原因；如此人超过第二时间点16 h还未出井的，系统将进行红色预警，将禁止其他人再下井，直到此人出井为止。

(4)黑卡入井报警。对于已丢失和因工作违规禁止入井的人员，将禁止入井人员对应的识别卡在系统中设置为黑卡，当此卡刷卡时门禁系统会声音报警提示，且大屏幕上将进行颜色区别警示，提示井口值班保安没收此卡，并禁止其入井。

2.3.4 统计考勤功能

可以查询任一时间段各部门下井的人数及其下井时间；可以统计出任一时间段某部门的某个人的下井考勤，并且根据工种、职务、部门规定的足班时间判断相关人员是否足班；可查询任一时间段某部门某人员下井时长的分布情况，和该时间段内该员工平均井下的时长；显示出井下人员的下井时间以及出井时间，统计出该员工井下持续时间；可单独统计并且考核某些特殊工种、特殊职务人员进、出井情况[5]。

2.3.5 自诊断功能

当系统数据监测分站或者数据读卡器出现了故障，在界面显示由绿色变成红色，不再报警提示报表中记录该设备故障时间；当识别卡电池电量不足时，系统会提示该识别卡电量不足。

2.3.6 下井人员身份信息核对

所有需入井的工作人员必须经过相关安全培训，考试合格后，取得公司下井资格，办理识别卡后方可入井。为了防止没有取得矿业公司下井资格的人员入井，建立了门禁系统，主要用来核对下井人员身份信息。在710，720 m主要入井口，采用三辊闸机配合视频抓拍方式的门禁视频监控系统，系统统一调用服务器的数据，1人、1闸刷卡通过，刷卡后大屏幕显示每一位通过闸道人员的姓名、识别卡号、所属单位或部门、照片等基本信息，并对下井人员进行拍照，井口值班人员通过大屏显示的人员信息(主要通过相片)核实下井人员身份。增加的门禁系统的作用：①确保每个入井人员都是取得矿业公司下井资格的人员；②保证每个入井的识别卡都是正常卡，确保了人员定位系统的准确度；③方便、快速、准确的核对下井人员信息。

2.3.7 车辆速度检测功能

大红山铁矿井下用于运输人员、材料、矿(渣)石、火工品的车辆超过400辆，井下车辆通行的巷道多数都是单行道，常会遇到对头车，加之井下斜坡道坡度大、岔口多、明亮度低，安全隐患大。

为查出超速车辆，发放识别卡时一卡一车，在服务器输入车辆信息时，把大型车、小型车、特殊车辆做了区分，小型车限速40 km/h、大型车限速 30 km/h、运输火工品车10 km/h，车对应的卡速度超出规定的速度时，系统报警并储存，从而可查出超速的车辆，并对超速车辆进行了处罚，实现了测速限速功能，井下车辆的行驶速度较未测量前明显降低，提升了矿山井下安全管理水平[6]。

3 结 语

结合大红山铁矿自身实际情况，基于有源RFID技术建立的井下定位系统，为二期建设预留了接口，具有良好的扩展性。该系统从投入使用至今1 a多时间以来，运行可靠、稳定、维护量少，提高了大红山铁矿井下安全生产管理效率，在职工考勤统计、井下人员和车辆管理、事故应急救援等方面发挥了显著作用，为建立现代数字化矿山及矿山安全生产奠定了基础。

[1] 邹国良.我国有色金属危机矿山发展对策[J].金属矿山,2007(12):22-23.

[2] 张兴凯.我国非煤矿山标准现状与分析[J].中国安全科学学报,2008,18(4):173-176.

[3] 黄智伟.射频集成电路芯片原理与应用电路设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[4] 周晓光．射频识别技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006．

[5] 张长森，董鹏永，徐景涛.基于 ZigBee技术的矿井人员定位系统的设计[J].工矿自动化,2008(2)：40-41.

[6] 车志富，苗振江，王梦思.地铁视频监控系统中的行人检测研究与应用[J].现代城市轨道交通，2010(2)：34-36.

2014-07-02)

徐 刚(1985—),男，助理工程师，653405 云南新平县嘎洒镇。