低频射频识别技术在矿井人员管理系统中的应用

 

   煤矿安全生产历来为我国各级政府所重视。事故发生后如何实施安全救护、如何提高搜救工作效率，为煤矿各级主管部门所关注。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现：

1、地面与井下人员的信息沟通不及时；

2、地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确的人员定位；

3、煤矿事故一旦发生，抢险救灾、安全救护的效率底，搜救效果差。

为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高速运作显得尤为重要和迫切。

我们知道，煤矿井下人员在巷道的位置是动态的，有些巷道长达几十公里，因此，对人员的跟踪定位是十分重要的。一旦发生突发事件，要求能够迅速判断险区人员的数量、位置及身份，采取措施及时救助，把事故的损失和影响降到最低限度。

目前我国煤矿所采用的 “人员管理系统”，其工作原理大致如下：在巷道的交叉口、入井口、进入采掘面入口等安装读卡器；每位入井人员（如矿工及管理人员等）随身携带身份识别卡；被检人员通过读卡器时其信息被记录，并传至地面监控主机，从而达到确定入井人员位置的目的。

根据笔者的调查和已经安装井下人员定位系统的煤矿反映，目前我国煤矿所采用的井下人员管理系统，全部是基于高频射频识别技术或混频射频识别技术而设计的，在使用中普遍存在如下问题：

1、漏卡现象严重，难以满足精确定位的要求；

2、如果不采用光纤总线，系统安装的安监点数就会受到限制，覆盖面有限，无法满足大型、特大型煤矿的全矿井巷道监测的要求；

3、不具备行进方向的判断识别能力，不具备人员是否完全通过识别区域的判断能力。（假设某人从井口下井，进入井口检测分站的识别区域，此时，井口检测分站将检测到该人员并向地面监控主机上报该人员的基本信息，系统则判断该人员已下井，但此刻，由于某种原因，该人员又退出井口，该人员实际上并未下井，这时就出现了系统误判情况）。

上述问题都是由于高频射频识别技术本身的技术特点受限而致，难以根本突破。正因为如此，国际上有的煤炭生产大国（如俄罗斯）已开始选择用低频射频识别技术（30~300KHz）取代高频技术，从安监系统本身来提高矿井人员管理的可靠性。

   国际上煤矿人员安全管理系统的发展大体经过了三个阶段：

第一阶段：从上世纪九十年代初开始应用矿井人员管理系统，但均限于高频射频识别技术；

第二阶段：从2001年以后，世界上部分煤矿开始采用基于混频射频识别技术（高、低频混合使用）的矿井人员管理系统；

第三阶段：从2005年开始，基于远距离低频射频技术的矿井人员管理系统问世，并迅速得到全球煤矿行业的推崇。目前该技术已日趋成熟，监控性能已逐步稳定，已在英国、伊朗、土耳其、西班牙、俄罗斯等10多个主要采煤国的煤矿运行。由于其安装方便、识别准确率高、系统稳定、成本低等特点，大有完全取代高频及混频技术而实现“一统天下”的趋势。

矿井人员管理系统每一次技术上的飞跃，都与煤矿安全生产的需要和科学技术的进步而密不可分。2005年以前，由于低频射频识别技术在矿井中的应用（尤其是在识别距离）尚欠成熟，而高频射频识别技术的应用已相当发达，所以，利用高频技术来为煤矿的安全生产服务就显得顺理成章了。但是，由于2005年后，人们在低频技术上的研究取得重大突破，利用低频射频识别技术不仅能够实现高频技术在人员管理系统中的所有功能，而且可以克服高频技术所存在的系统弊端，所以，低频射频识别技术在全世界煤矿行业迅速得到推广也就不难理解了。

通常读卡器和识别卡进行无线信号传输时所使用的频率称为RFID系统的工作频率，根据其所使用的频率范围不同，可分为如下频段：

下面我们从低频和高频电磁波的传输特性来分析它们在矿井人员管理系统中的应用特点：

   低频电磁波的传播是全方位的，不具方向性；而高频电磁波的传播方向性极强,可以讲是定向的（就像是手电筒发出的光束）。因此，被监测人员在经过低频读卡器时，只要在其有效的识别范围（直径10米的范围内），就能被准确识别到。而在经过高频读卡器时，要求被监测人员准确行走到高频电磁波传播方向上，才能被读卡器识别。

   因此，在规定的识别区域内，采用低频识别比采用高频识别要有更高的精度。

在巷道这种特区的环境里，低频电磁波与高频电磁波相比具有明显的优势—信号衰减小、凸显出低频电磁波的穿透能力强，所以采用低频射频识别技术的读卡器和识别卡之间的无线电信号传输对其它物体（特别是水汽和金属物体）的穿透性很强；而高频电磁波由于其本身的穿透性能较弱，读卡器和识别卡之间的物体（如水汽、人体、尤其是金属物体等）阻挡，很有可能导致读卡器无法识别。

另外，巷道的一些特性也会对无线电信号的传输带来不利的影响，以下两组数据表明了巷道拐弯对无线电信号传输的影响（表1）以及巷道倾斜对无线电信号传输的影响（表2）。

表1

频率越高衰减越大

表2

随着频率的增高，由巷道倾斜所带来的衰减变大，拐弯越急衰减越大。

3、     由此可见，由于低频、高频电磁波本身的传输特性，决定了低频射频识别技术比高频射频识别技术的漏读率要低得多。

   低频电磁波与高频电磁波相比，在同一范围内，磁场区域能够很好的被定义，这表明低频射频识别技术从根本上说更可靠，也更可预见。正是低频电磁波的这种可预见性，使得识别卡可以被定位到更精确的范围，并提供人员定位应用的性能优势。

在矿井人员管理系统应用中，人员移动方向的识别是很重要的。在与安全相关的应用中，需首先考虑人员移动方向判断的可靠性。低频读卡器可带两组天线，每组天线由多路天线组成。当人员分别经过两组天线时，充分利用低频电磁波磁场区域能够很好的被定义的特点，就能准确判断人员的移动方向，这在所有的RFID技术中是处于领先地位的。

   在巷道交叉口，特别需要知道人员的行进方向，采用低频技术的人员管理系统具有多天线技术，较好地解决了这个难题。而高频技术产品，由于其电磁波的特性所限，难以解决这一问题。

   我们知道，由于高频电磁波的方向性极强，并且从高频发射源发出的电磁波是逐渐扩散的，很象从手电筒射出来的光束，需要达到一定距离才能覆盖需要检测的区域，否则，将出现严重的漏卡现象。

另一方面，从煤矿安全生产的发展趋势看，井下会安装越来越多的门禁系统，或其他需要感应识别卡后才能开启的设备，实现井下“一卡通”“智能化管理。由于高频产品的发射功率很高，高频电磁波传播距离不易控制，读卡区域难以界定，结果是，用于控制这些装置的近距离读卡器，要远离用于人员管理系统的高频读卡器，否则，会产生严重的干涉现象，导致系统瘫痪。如果矿井安装的高频读卡器较多，势必影响到识别卡在门禁等其他智能化领域的应用，这就会产生不兼容问题。还有，当多个高频读卡器安装得很近时，他们之间也会产生严重的交叉干扰，导致识别性能减弱，严重降低其识别的准确率。

而低频电磁波的传播距离可以较容易的加以控制，所以可以准确的设定其读卡距离，使得在其有限的传播范围内（10米），一方面很好地利用其识别功能，另一方面又不至于影响其他智能化产品的利用，有效地规避系统干扰现象，很好地解决了兼容问题。

因此，从煤矿其他智能化系统产品的扩张和集成方面来讲，要尽量选用低频射频识别技术。

   众所周知，高频电磁波对人体的辐射伤害远远高于低频电磁波，加之高频电磁波的传播距离又比较远，工作区域难以界定，在一个较大型煤矿安装人员定位系统，常常需要安装数十个甚至上百个读卡器，如果选用高频技术，这上百个读卡器就好比一个个大功率高频辐射源，在矿内会形成一个强大的交叉辐射网，这对于长期在井下工作的人员来讲是极为有害的。尤其是在采掘工作面上工作的人员，如果他们距离采掘工作面附近的读卡器较近（一般小于30米），该读卡器所发出的高频率、强电磁波长时间辐射到他们体内，严重危害着他们的健康。   而低频技术由于其自身的发射功率很小，电磁波的传播距离又可以控制（一般为10米），不会对人员构成伤害。

   因此，从环保角度讲，选用低频技术比高频技术更优越。                                                                                                                                                                                                                                                                                   

英国戴维斯德比公司已有200余年的煤矿专用设备研发和制造经验，上世纪九十年代初开始致力于煤矿人员管理系统的研制与开发，在全球率先开发出基于高频技术、混频技术的煤矿人员管理系统，并在世界各国煤矿实际运行。自2005年起，该公司开发成功矿井用低频矿井人员管理系统，目前经大量实际运行，已日臻完善。

该管理系统将尖端的远距离多重射频识别技术、网络通信技术、自动控制技术和计算机技术有机结合，解决了该系统产品应用于煤矿井下的设备安全运行、网络数据通信、数据的远距离传输、信号转换接口和信息处理等方面的技术难题，为煤矿井下人员监测、控制和跟踪管理，以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑。其系统设计特点如下：

1、操作简单、使用要求底

整个系统设计对用户要求极低，具有简易可调的功能、故障自动巡检功能等。系统操作简单，并可对故障地点自动报警，维护异常方便。

2、识别卡自动识别，识别距离远

实行被动式监测方式，被测目标无负担，识别距离远。井下工作人员无须主动进行任何操作。

3、运行稳定、可靠，在恶劣环境下正常运转

系统的正常工作不受环境变化的影响，保证在恶劣环境下24小时正常运转。并提供断电后较长时间的供电电源，采用UPS电源，能提供长达2小时以上的断电保护。系统运行安全、稳定、可靠、误码率几乎为10-4。

4、具有信息防冲撞功能，可同时识别80张识别卡。

5、大容量，满足特大型、超大型煤矿的需求

最大的卡容量数为65535张识别卡，远远大于其他产品。

6、高速、高效的识别率

同高频信号相反，低频信号具有相对较强的穿透力和绕开障碍物能力，使得系统具有极高的目标识别率，系统识别卡可做到无方向性，确保了识别卡无漏的识别。

7、查询当前井下人员分布

      根据各矿实际情况绘制井下巷道、工作面采区图，并在该图上显示各个区域当前人数。该图是动态的，随着井下人员移动，该图显示的各区域人数会随时更新。在该图上用鼠标点击，可以显示某个选定区域的人员名单；进一步点击还可以显示某个选定人员下井后的行踪。

8、查找人员当前位置（井下人员定位）

输入任意人员的姓名和编号，可以立即以图形方式显示此人当前所在区域；也可以同时输入多个人员，以文字方式显示这些人各自在井下的当前位置。可以督促和落实重要巡查人员（如：瓦斯检测员、温度检测员、测风人员等）是否按时、到点的进行各项数据的测试和处理，从根本上杜绝因人为因素而造成的相关事故。

9、统计查询进入特殊区域人员

      对井下的某些特殊区域，例如不准一般人员进入的危险区域，在行踪保留时段内可以随时进行查询，列出进入该区域的人员和出、入时间。

10、下井人员考勤管理

软件可以从系统记录的人员行踪信息中自动提取出每个下井人员的入、出井时间，从而形成考勤记录，进而形成各种考勤报表和查询、统计功能。

11、强大的紧急处理机制

可以选择Mercury系列广播通讯系统，即时对特定或矿山范围内的紧急情况进行通知。在监控机房和管理人员对井下紧急情况进行有效判断后，可以通过系统的小区广播选件对井下特定范围或全部进行广播通知，有效告知和疏散井下人员。

12、系统的可扩容性大，满足国内所有的煤矿企业

系统采用FSK SAP通讯方式，每条FSK SAP总线可连接15台KJ270—F1传输分站，通讯距离可达15公里。从地面到地下KJ270—F1传输分站可以最多扩展到8条FSK SAP总线，而每台KJ270—F1传输分站又可以通过CAN总线连接7台KJ270—F2—4读卡器（通讯距离可达2KM）。由此，此系统最多可以支持8*15=120个分站；8*15*7=840个读卡器，完全可以满足煤矿的需要。

该矿井人员管理系统工作示意图如下：

本文从煤矿人员安全系统的实际要求出发，介绍了其技术演变历程及应用特点；从全球煤矿行业人员管理系统的发展趋势得出最终结论，即低频技术将不容置疑地取代高频技术而在煤矿人员安全管理中发挥重要作用。当然，我们在此强调低频的优越性并无意贬低高频技术在实际检测中的作用，高、低频监测技术各自有其科学的应用领域。比如，高频技术在车辆跟踪（如汽车、火车及地铁等）以及高速公路收费等领域就有着低频技术无可比拟的优势。