周人

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都610065）

基于微波RFID的礦井人員管控與礦難救援

周人

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都610065）

基于微波RFID，對礦井人員管控、事故預(yù)防與礦難救援作了較詳細(xì)的介紹和探討，歸納了礦難預(yù)防及救援面臨的主要問題，及其解決的思路和方法；提出對礦下人員作多標(biāo)簽設(shè)置，以保證標(biāo)簽識別應(yīng)用的可靠性；主張礦下電子標(biāo)簽具備雙向呼叫的功能，以便危難溝通；對如何保證礦下信息通道暢通，有效實施救援，給出了具體的方法。主張在采礦行業(yè)推廣運用基于微波RFID的低成本管控系統(tǒng)，預(yù)防事故，顯著促進人員及生產(chǎn)的安全，并加速礦難的救援。

RFID；微波標(biāo)簽；礦井管理；礦山事故；礦難救援

1 微波與RFID

微波是一種電磁波，其波長短，沿直線傳播，具有可見光的性質(zhì)。微波波長介于無線電波和紅外線輻射之間，頻率在300MHz～300GHz的范圍。人們熟知的微波應(yīng)用是微波爐、移動通信，以及雷達導(dǎo)航等。微波在大氣中傳播比較穩(wěn)定，可攜帶較大的信息量。

射頻識別系統(tǒng)（RFID）中的微波頻段應(yīng)用，其典型工作頻率是433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz和5.8GHz。工作在微波頻段的RFID稱為微波RFID，由于大多數(shù)RFID是工作在微波頻段，因此微波RFID也簡稱為RFID。

微波RFID的電子標(biāo)簽同樣分為無源標(biāo)簽、半無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽三類。標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合。閱讀器天線的輻射場為無源標(biāo)簽提供能量，或?qū)⒂性礃?biāo)簽喚醒。目前，無源微波電子標(biāo)簽的應(yīng)用比較普遍，產(chǎn)品相對集中在902～928MHz頻段上。2.45GHz和5.8GHz的產(chǎn)品，則多是用半無源微波電子標(biāo)簽。半無源、有源標(biāo)簽一般用小鈕扣電池供電，有較大的閱讀距離。標(biāo)簽在工作狀態(tài)下，電池有效期達2年以上。工作時，電子標(biāo)簽必須位于閱讀器天線的輻射場內(nèi)。

微波RFID的閱讀距離大，一般大于1m，典型值為5～10m，遠(yuǎn)距離成熟產(chǎn)品達到100m，最大的已達到150m。[1]

微波電子標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)，主要是看是否有源、讀寫距離、是否支持多標(biāo)簽讀寫、可否高速識別、讀寫器發(fā)射微波的功率，以及電子標(biāo)簽及讀寫器的價格等方面。電子標(biāo)簽的寫入距離一般小于它的閱讀距離，因為寫入時，需要有較大的微波能量。

標(biāo)簽閱讀器的天線一般為定向天線，在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)一定距離的電子標(biāo)簽，都可被讀寫。在閱讀區(qū)域中，可能同時出現(xiàn)很多個電子標(biāo)簽，需要同時閱讀，這是一種常態(tài)。如今先進的射頻識別系統(tǒng)的多標(biāo)簽識讀，每秒可讀標(biāo)簽500個以上，是系統(tǒng)的一項重要功能。有源微波電子標(biāo)簽以時速200Km通過閱讀器，也能被識讀，其防沖突性能好。對于GEN2標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽，理論上可以實現(xiàn)每秒1500個的多標(biāo)簽識讀。

微波電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存貯容量通常在2Kbits以內(nèi)，更大的存貯容量似乎意義不明顯。從技術(shù)及應(yīng)用的角度看，微波電子標(biāo)簽不適合作為大量數(shù)據(jù)的存儲體，其主要功能在于標(biāo)識物體，并在較大的距離上實現(xiàn)標(biāo)簽識別。典型的數(shù)據(jù)容量有：1Kbits，128Bits，64Bits等。由Auto-ID Center制定的產(chǎn)品電子代碼EPC的容量是96Bits。

微波RFID的典型應(yīng)用有：電子身份識別、移動車輛監(jiān)控、物流倉儲管理、電子遙控門鎖控制等。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)有：ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930 MHz）、-7（433.92 MHz），ANSI NCITS256-1999等。

微波RFID的識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、穿透力強、抗干擾、防沖突、技術(shù)成熟可靠、費用低，是礦井下移動目標(biāo)管控的理想設(shè)備。利用RFID監(jiān)測并管控井下移動目標(biāo)，可對井下人員記錄考勤、定位、示警和施救等，加強人員安全；也可記錄礦車等設(shè)備的運行狀態(tài)，加強生產(chǎn)安全。[2]

2 礦難

礦難是指在采礦過程中發(fā)生的嚴(yán)重事故，礦難常造成大量人員傷亡。世界上每年有上萬人死于礦難。常見的礦難是：瓦斯突出或爆炸、煤塵爆炸、井下透水、礦井失火、塌方等。

1960年5月9日，新中國建國以來最慘烈的煤塵大爆炸，在我國最大的煤炭基地山西大同礦務(wù)局發(fā)生。事故死亡679人，被救出的228人中又死亡5人，共死亡684人。[3]近年來，礦井事故仍時有發(fā)生。2016年3月23日，山西朔州同生安平煤業(yè)公司發(fā)生井下安全事故，造成19名礦工遇難。[4]

礦山安全，人命關(guān)天，嚴(yán)重事故的遇難人數(shù)驚人，其經(jīng)濟損失巨大，社會影響惡劣。礦難發(fā)生，礦下人員往往瞬間被掩埋、水淹、窒息，或被封閉在礦井、巷道及某些黑暗而狹小的空間中，部分人當(dāng)即死亡，而另一部分則危在旦夕。

近幾年發(fā)生的一些礦難，在預(yù)防及救援方面暴露出的問題主要是：

（1）地面管理部門對井下人員的基本信息不知或不確知。比如：有多少人？是哪些人？

（2）地面不清楚井下人員的動態(tài)。比如：人員的分布點、人員移動，以及井下人員作業(yè)的實情和變化；

（3）事故突發(fā)，措手不及。比如：不知人員的生死，不知其在礦下的準(zhǔn)確位置，搶險救人無確切目標(biāo)，救人的速度慢、效果差等。

礦難需要緊急救援，首先要盡快救出地下的生者或傷者，同時基于人道主義，也需要尋得死者。但生者、傷者、死者是誰？其位置分別在地下何處？當(dāng)前的狀態(tài)如何？在過去的礦難救援中，這些一般都不確知。因為被救援目標(biāo)的位置不確切，使救援隊的救援帶有較大的盲目性；而為準(zhǔn)確探明受難者的位置，要花費巨大的代價，特別是要延誤寶貴的救援時間。公認(rèn)的黃金救援時間是在72小時以內(nèi)，延誤的時間越長，受難者的生存率就越小。

3 微波RFID與礦難的預(yù)防和救援準(zhǔn)備

多數(shù)礦難在很大程度上是可以預(yù)防的。如果有良好的預(yù)防，即使礦難發(fā)生，在良好預(yù)防的基礎(chǔ)上展開救援，效果也會好得多。礦難的預(yù)防和救援準(zhǔn)備，首先需要對礦井井下人員實現(xiàn)實時追蹤管控，解決好前述的三個主要問題：

（1）地面管理部門對井下人員的基本信息必須確知。比如：一共有多少人？分別是哪些人？應(yīng)隨時通過網(wǎng)絡(luò)掌握礦下人員的一覽信息，包括姓名、年齡、性別、礦下的工作、工作地點，等等。

（2）地面應(yīng)清楚井下人員的動態(tài)。比如：人員的分布，有過哪些移動？井下人員作業(yè)的實情，發(fā)生了哪些變化？

（3）盡管事故意外突發(fā)，但救援者必須心中有數(shù)。比如：礦下人員的生、傷、死情況，受困者的準(zhǔn)確位置。要能夠直接針對所知的目標(biāo)快速救人，并按先易后難、由淺入深、先生后死（先救傷者生者，后掘死者）的原則，因人而異地施救。

因此，微波RFID技術(shù)及其管理系統(tǒng)是有效的工具。RFID受溫度、濕度、粉塵、氣壓、瓦斯和其它氣體的影響很小，在完全黑暗的地下礦道也能正常進行無線的長距離識別，對惡劣環(huán)境的適應(yīng)力強。

采用RFID的礦下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)，可隨時判定“人在哪里”。知道人在哪里，就能合理管控，及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，可立即通知到危險區(qū)及附近的每一個人，使其緊急避險，迅速撤離。這可顯著增強礦下的安全性，避免部分事故的發(fā)生，預(yù)防礦難；當(dāng)事故或礦難發(fā)生，系統(tǒng)也可準(zhǔn)確掌握受困人員的信息，立即展開救援。保證救援有的放矢、準(zhǔn)確及時、高效有序，減輕事故的危害，減少礦難的傷亡。

而基于微波RFID技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)基本的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)該是：

（1）標(biāo)簽設(shè)置

RFID監(jiān)控系統(tǒng)，為每一位工作人員確定一個RFID編碼。對每一位下礦人員配備個人電子標(biāo)簽（標(biāo)識卡），記錄其個人信息和工作信息。通常的應(yīng)用是每人配一個標(biāo)簽，但由于電子標(biāo)簽與閱讀器之間的無線信息識別具有一定的方向性，故個人電子標(biāo)簽宜作多標(biāo)簽配置，即每人配一個以上的標(biāo)簽，以避免識別遺漏或標(biāo)簽本身在事故中失效。多標(biāo)簽配置一般可把標(biāo)簽固定在安全帽、工作服、腰帶或工作褲上。電子標(biāo)簽的成本低，多標(biāo)簽設(shè)置經(jīng)濟上可行，并使監(jiān)控更加有效、可靠。對礦下主要的移動設(shè)備，也需要設(shè)置電子標(biāo)簽。

（2）雙向呼叫設(shè)置

電子標(biāo)簽需具備呼叫和被呼叫（雙向呼叫）的功能。呼叫在于求救，一般是在標(biāo)簽上設(shè)置呼叫按鍵，被困人員即使傷勢嚴(yán)重、奄奄一息，只要還能觸按呼叫按鍵，求救信息就會由標(biāo)簽主動發(fā)出，從而提示被困人員的準(zhǔn)確位置，引導(dǎo)救援。被呼叫，是在標(biāo)簽上設(shè)計被管理人員呼叫的提示功能，如蜂鳴、燈閃爍等。如果被困人員得知被呼叫，可通過觸按標(biāo)簽上的呼叫求救按鍵回應(yīng)。

被困者在礦難中對呼叫有無回應(yīng)，是判斷其生、傷、死的關(guān)鍵信息。呼叫和被呼叫的功能建立起了危難溝通，實現(xiàn)這類簡捷而必要的設(shè)計，在技術(shù)上沒有任何困難。

（3）閱讀器和系統(tǒng)設(shè)置

在礦井的出入口、主要巷道、工作面、地下的主要場所和主要設(shè)備附近，安裝閱讀器，使得礦下人員任何時間在礦下的任何地點，都能夠被閱讀器追蹤識別。

各閱讀器與地面的管理中心和信息管理系統(tǒng)，可采用有線網(wǎng)或無線網(wǎng)聯(lián)接。由此，管理中心可不間斷地從網(wǎng)絡(luò)獲取礦下閱讀器識別的信息，礦下人員則人人蹤跡清晰。

這樣的系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離識別、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、安全可靠等特點。為保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全性，可利用加密算法，一般的加密算法也實現(xiàn)簡單、技術(shù)成熟?？紤]到可擴展性，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)具有一般的通用性。電子標(biāo)簽可引出全部IO功能接口，以用于各種電子標(biāo)簽的識別。礦用的閱讀器一般選用IP67等級的防護①，結(jié)構(gòu)堅固耐用。

微波RFID閱讀器可支持多種語言環(huán)境，便于編程控制，且易于安裝，即插即用。其擴展通訊接口可包括：USB、RS232、RS422、RS485、Ethernet、Profibus、Profinet、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet等。這些為系統(tǒng)功能的完善和擴展，提供了良好的條件。

基于RFID的監(jiān)控系統(tǒng)形成了安全管理系統(tǒng)，依靠聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和電子標(biāo)簽，管理中心可準(zhǔn)確及時地識別人員及設(shè)備，合理管控調(diào)度，大大降低礦下發(fā)生事故的可能性，加強礦下作業(yè)人員及生產(chǎn)的安全，對遏制重大事故的發(fā)生有顯著的積極作用。

4 礦難救援

有備無患，有備減災(zāi)。以微波RFID監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，礦難救援也可有條不紊地進行，降低事故的危害程度。

4.1 依據(jù)RFID系統(tǒng)直接救援

RFID系統(tǒng)如果沒有被事故破壞或保持部分正常，依據(jù)RFID系統(tǒng)在事故前、事故中和事故后對礦下人員和設(shè)備的定位信息，可直接展開救援。如果系統(tǒng)接收到受困人員的求救呼叫，則更是目標(biāo)明確。由于能確知受困人員的位置，救援即可高效快速地展開，人員傷亡也可望減少或避免。

4.2 用便攜式閱讀器即時識別搜救

一般而言，礦難發(fā)生后，RFID系統(tǒng)可能會被部分破壞，要對礦下每一個人的準(zhǔn)確位置都了如指掌，也會有困難，因而需要采用進一步的補充方法。

礦難發(fā)生后，有人受傷、昏迷、被掩埋甚至死亡，也有人被封閉在地下的某個空間。但受難人不論生死，救援人員都可用便攜式的閱讀器，在各處即時搜尋識別受難者。只要他們的電子標(biāo)簽仍然工作正常，就會有顯著的效果。由于RFID受溫度、濕度、粉塵、氣壓、瓦斯和其它氣體的影響很小，在完全黑暗的地下礦道中也能正常工作，用閱讀器對巷道和事故空間掃描，其輻射場內(nèi)的標(biāo)簽信息即刻可得。

對直巷道或較寬敞的空間，閱讀器的作用距離可望達到100米以上；對廢墟或礦渣，礦難的廢墟及礦渣中，通常有大量的縫隙，閱讀器的輻射場可能深入廢墟或礦渣中達數(shù)米遠(yuǎn)，并獲得電子標(biāo)簽的信息回應(yīng)。

用閱讀器即時掃描礦難區(qū)域，搜尋電子標(biāo)簽信息，通過在各處搜尋，可很快確定被困人員的準(zhǔn)確位置，支持救援。

4.3 新建信息通道識別搜救

礦難發(fā)生后，RFID的信息通道（有線或無線網(wǎng)）可能被破壞或者失效。比如在地下的某個被封閉的空間，有線或無線網(wǎng)可能已無法工作。這時候，就需要新建信息通道，幫助閱讀器的輻射場深入礦難區(qū)域，搜尋電子標(biāo)簽的信息。

新建信息通道的方法之一，是對目標(biāo)區(qū)域人工鉆通小孔，通過小孔，可送入小型化的閱讀器，進而形成RFID新的信息通道。如果在目標(biāo)區(qū)域尚有正常運行的電子標(biāo)簽，閱讀器一旦掃描，即可讀取該目標(biāo)的具體信息。

對目標(biāo)區(qū)域人工鉆通小孔，可在目標(biāo)區(qū)域的附近進行，也可在礦外的地面進行。由于鉆孔的孔徑小，工作量不太大，耗時相對較少，故適合采用。

在礦難救援中，生命探測儀也是一種有效的工具，它可以幫助搜救人員迅速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)活著的遇險者，進而實施營救。生命探測儀可把探頭深入到廢墟或礦渣的縫隙中，但只能探測較小的區(qū)域。這種探測儀實際上是一個呼吸、心跳、運動或溫差的探測器，是通過探測被探測者的“動”或溫度來判斷。其信號發(fā)送器連續(xù)發(fā)射信號，對附近空間進行掃描；接收器不斷接收反射信號，并對返回信號進行算法處理。

由于人呼吸、心跳的頻率比較固定，一般每分鐘呼吸12－20次，心跳60－100次，故可以把人的動與其他不同頻率的動區(qū)分開來。探測儀探測人的移動、溫度并能與其它動物或物體的相區(qū)別，其原理也大致如此。[5]

生命探測儀能敏銳地感知非常微弱的運動，但它無法確定目標(biāo)是幾個人，更無法確定是哪個人或哪幾個人；它能探測到生命的跡象，但有時候可能誤判人與其它生命，比如貓、狗。這有可能導(dǎo)致對其它動物的努力“搜救”。對已遇難者，生命探測儀無能為力。也就是說，要搜尋死者遺體，生命探測儀無效。

所以，在礦難救援中，RFID系統(tǒng)對生者死者均可探知，且系統(tǒng)作用的范圍大，因而具有獨特的優(yōu)勢。

5 應(yīng)用實例

為預(yù)防礦難、準(zhǔn)備救援，微波RFID的基本運用已經(jīng)在逐步展開。

智利一家礦業(yè)公司嘗試用RFID系統(tǒng)在地下銅礦中追蹤礦工。該公司有許多小礦井，分別承包給了不同的開發(fā)商。該公司要求在任何時刻都要知道礦工在井下的位置，于是設(shè)計了RFID系統(tǒng)。當(dāng)?shù)V工入井時，要用閱讀器掃描個人的RFID卡，獲取他們的信息。當(dāng)?shù)V工出礦井時，要再次掃描RFID卡，以確認(rèn)他出了礦井。

該公司在每個礦井的入口處安裝了4個RFID閱讀器，以判斷礦工的位置和行走方向。管理人員可通過RFID傳回的數(shù)據(jù)，了解誰在礦井里？什么時候進去的？是哪家分公司的雇員？RFID卡片上還有一個緊急按鈕，礦工按2次就是報告自己遇到麻煩了。如發(fā)生事故，管理中心的屏幕上會顯示礦井內(nèi)所有礦工的位置，施救人員可據(jù)此及時施救。在緊急情況下，礦井的電源可能被切斷，但RFID系統(tǒng)仍然可以運行。該系統(tǒng)有一個備用電源，可在事故發(fā)生后繼續(xù)工作48小時。[6]

河南的義煤集團孟津煤礦，2006年7月29日發(fā)生重大煤與瓦斯突出事故，死亡8人，直接經(jīng)濟損失412.76萬元。2011年4月，該礦安裝了KJ222型礦用人員定位安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，能準(zhǔn)確地將井下各區(qū)域人員的動態(tài)，及時反映到地面的計算機管理系統(tǒng)，使管理人員能隨時掌握井下人員的分布狀況和每個礦工入井、升井的時間，及在井下的運動軌跡，并進行合理的調(diào)度管理。若事故發(fā)生，救援人員可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖示，準(zhǔn)確確定有關(guān)人員的位置，及時救援，這使該礦的安全管理水平大大提高。[7]

云南某銅礦，地下作業(yè)區(qū)的范圍大，作業(yè)人員流動性大，利用RFID技術(shù)與RSSI定位算法，實現(xiàn)了對人員的定位。系統(tǒng)分別在中央變電所、風(fēng)機房、配電硐室設(shè)置分站，在采礦監(jiān)控中心設(shè)置主站，各井下分站及地面主站通過礦用環(huán)網(wǎng)接入器組建了光纖冗余主干環(huán)網(wǎng)，系統(tǒng)運行的效果良好。[8]

運用RFID技術(shù)的礦山人員追蹤定位系統(tǒng)，已在我國的山西、遼寧、貴州、內(nèi)蒙古等地試用。依據(jù)有關(guān)的成功經(jīng)驗，全國也在逐步推廣。

6 結(jié)束語

微波信號的穿透力強、環(huán)境適應(yīng)性強，安全保密性能好，對人體基本無電磁污染。

把微波電子標(biāo)簽設(shè)置在物體上，通過非接觸的無線方式，可遠(yuǎn)距離進行電子標(biāo)簽內(nèi)信息的讀寫，實現(xiàn)對人、車、物在靜止或移動狀態(tài)下的自動識別，從而實現(xiàn)對目標(biāo)位置和狀態(tài)的及時掌握和管控；可采用雙頻實現(xiàn)可靠的全雙工通信，也可根據(jù)需要調(diào)整系統(tǒng)的識別范圍，識別基本無盲區(qū)。

采礦行業(yè)需要重視微波RFID技術(shù)及其應(yīng)用的經(jīng)驗。利用微波RFID易于建立礦下安全信息系統(tǒng)，此管理系統(tǒng)把微波RFID、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)礦井下人員的實時跟蹤管控，可有力地促進礦山人員的安全管理，且成本很低。利用RFID積極預(yù)防礦難，或在礦難突發(fā)后有條不紊地進行礦難救援，都是很有經(jīng)濟和社會意義的。

［1］上海環(huán)極信息技術(shù)有限公司.有源微波遠(yuǎn)距離讀寫器[EB/OL].http://www.bornlead. com,2016-6-1.

［2］趙海濤,逄明祥,鄭豐隆,王鳳瑛.基于射頻識別的礦車定位監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤礦機械,2010(11).

［3］孫寶福.同煤集團“五·九”安全教育館落成[N].中國煤炭報,2005-10-1.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.山西省朔州市山陰縣同煤集團安平煤礦發(fā)生冒頂事故[EB/OL].http://www.chinasafety.gov.cn/,2016-3-24.

［5］侯培國,李寧,宋濤生.命探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].傳感器與微系統(tǒng),2014 (6).

［6］高育紅.“地震指紋”指路，無線射頻定位[N].中國安全生產(chǎn)報,2009-9-8.

［7］王保民.KJ222型礦用人員定位安全管理系統(tǒng)在孟津煤礦的應(yīng)用[J].科技促進發(fā)展,2011(6).

［8］李海濤,范紅衛(wèi).云南某銅礦地下人員定位系統(tǒng)[J].有色金屬工程,2014(4).

注釋：

①IP(International Protection code)是定義一個界面對液態(tài)和固態(tài)微粒的防護能力。IP67能防塵吸入，防短暫浸泡，是目前在布線行業(yè)實用的最高等級。

［責(zé)任編輯：李書培］

周人（1990—），男，重慶人，2013級碩士研究生，主要從事微波與無線電物理研究。