朱恒毅，馬新春

（新疆電子研究所有限公司ERP中心，新疆烏魯木齊830049）

礦業(yè)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(yè)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(zāi)害事故預(yù)防，責任事故預(yù)防，災(zāi)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(jù)統(tǒng)計，我國礦業(yè)開采以及巷道掘進主要采用爆破方法，機械化掘進尺只占5%，所以安全物資在生產(chǎn)過程中應(yīng)用數(shù)量及大，其管理水平直接影響安全生產(chǎn)狀況。目前國內(nèi)礦業(yè)物流管理仍以經(jīng)驗管理、人工管理為主，災(zāi)害、事故發(fā)生率居高不下。此外，礦井下多塵、潮濕等惡劣環(huán)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(shù)）非接觸遠距離識別、多目標識別、環(huán)境敏感性低、標簽數(shù)據(jù)容量大、標簽可讀寫等特點，以其為關(guān)鍵技術(shù)且與計算機、網(wǎng)絡(luò)、信息管理技術(shù)有效結(jié)合的礦業(yè)物流管理系統(tǒng)，實現(xiàn)人員、物資的動態(tài)實時管理，改變礦業(yè)安全管理狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理及構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由井下數(shù)據(jù)采集傳輸單元和地面控制管理單元組成，中間為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。礦井下數(shù)據(jù)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(tǒng)工作原理為閱讀器通過天線發(fā)射電磁波，射頻標簽經(jīng)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(fā)射回去。信息包括ID、身份標識等靜態(tài)信息和環(huán)境、位置等動態(tài)信息。閱讀器接收信號并經(jīng)中間件處理后，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給井上數(shù)據(jù)庫，經(jīng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)調(diào)用解析后，實現(xiàn)人員監(jiān)控、事故預(yù)警、安全物資監(jiān)控、中央控制、遠程領(lǐng)導查詢等各種應(yīng)用。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)地面工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器間選取傳統(tǒng)的C/S體系結(jié)構(gòu)。用戶界面、管理系統(tǒng)軟件存放在工作站上，而數(shù)據(jù)庫訪問及后臺操作則由服務(wù)器來完成[1]。

2）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸接口采用標準RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太網(wǎng)和無線WLAN接口。傳輸網(wǎng)絡(luò)盡量采用井下已有的安全監(jiān)控系統(tǒng)信道、通信光纜等，在保護原有投資基礎(chǔ)上實現(xiàn)功能提升。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1System theory

3）射頻標簽選擇射頻標簽工作頻率分為低頻（100～500 kHz）、中頻、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[2]。因此，結(jié)合兩者優(yōu)點，井下采用工作頻率為低頻和超高頻的雙頻標簽。

4）礦井下物流管理閱讀器布置原則礦井下物資和人員的跟蹤可靠性，是基于RFID的礦井下物流管理系統(tǒng)是否能取得理想效果的關(guān)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(yīng)遵循以下原則：

①重點巷道連續(xù)布置井下車場、人員物資必經(jīng)巷道連續(xù)布置閱讀器?？紤]成本，布置間隔以滿足跟蹤精度為依據(jù)，在此前提下盡量減少布置數(shù)目。

②重點設(shè)備、危險地段必須布置帶式輸送機主機、翻斗等有自然發(fā)火預(yù)兆的重點設(shè)備，除安裝監(jiān)測設(shè)備外，應(yīng)與RFID閱讀器關(guān)聯(lián)以實現(xiàn)事故預(yù)警。爆破材料庫、油庫、瓦斯區(qū)、封閉火區(qū)等危險地段必須布置閱讀器[3]。

③工作面、必經(jīng)巷道雙向布置在綜采煤工作面這種既有入口又有出口的地段，相關(guān)位置應(yīng)雙向布置閱讀器。對于1條巷道內(nèi)有多個采面的情況，將采面集中劃分區(qū)域，在區(qū)域出入巷道安裝閱讀器實行區(qū)域管理。掘進面只在入口處布置閱讀器即可實現(xiàn)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(qū)、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(jiān)控[3]。

⑤安裝位置易于裝拆由于采面采礦任務(wù)完成后要落頂封巷，生產(chǎn)任務(wù)完成后原架設(shè)閱讀器要拆卸，重新布置在新開采面。因此，閱讀器的安裝應(yīng)遵循易于裝拆的原則。

1.3 RFID防碰撞算法

RFID防碰撞算法對于提高礦井下物資和人員的跟蹤可靠性是關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)采用的為行鏈路多標簽沖突檢測算法[4]，此算法僅需在電子標簽中配置1個8位寄存器、1個1位“0”、“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器和2個4位加減1計數(shù)器以及少量選擇電路就能實現(xiàn)最多達1 048 576個標簽的仲裁。仿真表明本算法產(chǎn)生的碰撞概率明顯小于二進制數(shù)算法，同時通過寄存器高位的靈活設(shè)置，還能有效解決低標簽密度時空傳率高的問題，從而進一步降低了碰撞概率。算法步驟：

1）被動方標簽中設(shè)計一個4+4位的寄存器（Rel）和1個“0”、“1”隨機數(shù)產(chǎn)生器（RGI），隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機數(shù)，分別加載到寄存器高位和低4位。其中高位加載的位數(shù)M可以動態(tài)設(shè)為1、2、3或4。

2）主動方讀寫器向所有處在等待態(tài)的標簽發(fā)送初始化命令。標簽因此進入仲裁態(tài)，用RGI產(chǎn)生4比特隨機數(shù)，加載到Rel高4位R7～R4，低4位R3～R0全部清零。

3）讀寫器等待一定時間后發(fā)送允許回傳命令。

4）Rel為全零的標簽向讀寫器回傳標簽ID。

5）如果當前只有一個標簽回傳ID，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。回傳了ID的標簽接收到該命令后，進入確認態(tài)，其他高4位為全零的標簽Re1低4位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。

6）如果當前有多個標簽回傳ID，讀寫器通過CRC校驗或碼長校驗，檢測到錯誤的ID號，則發(fā)送確認命令，附加命令參數(shù)“寄存器加1”。接收到讀寫器這個命令后，所有在仲裁態(tài)且Rel為全零的標簽由RGI產(chǎn)生1比特隨機數(shù)和寄存器上的數(shù)相加后重新載入到寄存器中；其他仲裁態(tài)且Rel高4位為零而低4位不為零的標簽Rel加1，回到步驟4）重復(fù)操作。

7）如果當前沒有標簽回傳ID，讀寫器等待一定時間后發(fā)送確認命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。所有在仲裁態(tài)且高4為全零的標簽Rel低4位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。

8）低4位減1操作重復(fù)L次（L是一個系統(tǒng)參數(shù)，由系統(tǒng)設(shè)定，經(jīng)驗值為4）后，讀寫器認為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4位為零的標簽都已經(jīng)被正確讀取，則發(fā)送確認命令，附加命令參數(shù)“高4位減1”，回到步驟4）。

9）標簽接收到附加“高位減1”參數(shù)的確認命令后，所有Rel高4位不為零的標簽高4位減1，回到步驟4）重復(fù)操作；在被要求高位減1前已為零的標簽則回到等待態(tài)。

10）重復(fù)2 M次高位減1操作后，讀寫器認為所有在仲裁態(tài)的標簽都已經(jīng)被讀取，則仲裁過程停止，所有還處于仲裁態(tài)的標簽返回等待態(tài)。防碰撞算法實現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2 防碰撞算法實現(xiàn)電路Fig.2Prevent collision algorithm circuit

算法仿真：仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到當標簽總數(shù)為20時，如果把高位寄存器的位數(shù)從4降到1，則平均碰撞次數(shù)從5.5回落到1.4。而當標簽總數(shù)為200和2 000時，高位寄存器位數(shù)的改變對平均碰撞次數(shù)的影響不大。因此如果在某次仲裁中出現(xiàn)多次空傳，讀寫器可以在下一次仲裁時指示標簽改變寄存器高位個數(shù)，以此降低空傳率，進而可以降低平均碰撞次數(shù)。

圖3 防碰撞算法仿真結(jié)果Fig.3Simulation results of preventing collision algorithm

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 人員管理

1）日常管理包括考勤登記、礦井下工時計數(shù)、上井人員查點、礦井下人員定位跟蹤等。礦業(yè)工作人員根據(jù)崗位不同分為井上、半井上、井下等幾類。礦井下人員工作量確定既依據(jù)產(chǎn)礦量、掘進尺等工程數(shù)據(jù)，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(shù)。引入RFID后，考勤、工時、查點實現(xiàn)自動化，確保高效率和準確性。礦井下人員定位、跟蹤是事故預(yù)防的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)管理根本無法實現(xiàn)，而RFID技術(shù)填補了該管理空白[5]。工作流程以地面管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中生產(chǎn)作業(yè)計劃人員、區(qū)域調(diào)度信息為基礎(chǔ)，將射頻標簽ID、身份信息與巷道工作面信息等靜態(tài)信息作為參考系，與巷道工作面閱讀器獲取的動態(tài)信息相對應(yīng)，經(jīng)系統(tǒng)中軟件功能邏輯，實現(xiàn)各項功能。

2）緊急情況管理包括事故預(yù)防和事故后處理。事故預(yù)防首先是災(zāi)害事故預(yù)防。即將RFID技術(shù)與災(zāi)害監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，對井下災(zāi)害事故作預(yù)警管理，這是傳統(tǒng)管理方法和技術(shù)無法實現(xiàn)的。將RFID設(shè)備與煤層瓦斯壓力（含量）測定儀，溫度、煙量、火焰等火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備，測塵儀，風速、負壓傳感器，水位傳感器等相關(guān)聯(lián)。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(yù)警位置，點擊危險區(qū)域信息可查看人員情況，通過井下通信系統(tǒng)及時發(fā)布警報，采取相關(guān)措施消除事故源，并組織人員疏散。其次是責任事故預(yù)防。責任事故預(yù)防有2種情況：一是在封閉火區(qū)、瓦斯區(qū)、盲巷、廢棄巷道等嚴禁入內(nèi)區(qū)域架設(shè)固定RFID設(shè)備，以防人員誤入造成事故；其次是在危險區(qū)、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(jiān)控，與警燈、音頻報警器、警示牌相結(jié)合，避免責任事故發(fā)生。事故后處理指災(zāi)害事故發(fā)生后及時組織撲救和人員救護工作。傳統(tǒng)管理方式事故發(fā)生后，救護隊往往盲目入井，對災(zāi)情、滯留人員情況不了解，容易造成意外傷害。RFID管理系統(tǒng)中，利用事故發(fā)生工作面入口RFID閱讀器上傳的信息，可準確得到各工作面的人員數(shù)量、位置信息，及時配備人力、設(shè)備，在最短時間內(nèi)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。

2.2 安全物資管理

在RFID井下物流管理系統(tǒng)中，安全物資、運送安全物資的容器（托盤）和設(shè)備（專用車輛）、庫存管理人員、領(lǐng)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(yīng)，實現(xiàn)全環(huán)節(jié)自動化、數(shù)據(jù)化監(jiān)控管理[6]。實現(xiàn)物資出入庫、盤庫等物流作業(yè)高效自動管理，物資領(lǐng)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。

圖4 系統(tǒng)總體功能Fig.4Overall function of system

3 結(jié)束語

礦業(yè)物流管理系統(tǒng)通過RFID技術(shù)特點與采礦生產(chǎn)具體流程相結(jié)合，提出新的礦井下管理模型，建立完整性、實時性和靈活性的礦井下物流管理系統(tǒng)。RFID只是一項自動識別技術(shù)[7]，以其為技術(shù)支撐的管理信息系統(tǒng)功能的合理設(shè)計，管理流程的嚴格規(guī)范，才是我國礦業(yè)安全生產(chǎn)管理水平真正提高的根本保證。

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