康金箭

（湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南長沙 410014）

基于RFID和GIS的人員監(jiān)控系統(tǒng)在某非煤礦山的應(yīng)用

康金箭

（湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南長沙 410014）

介紹了基于RFID和GIS技術(shù)的非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的原理、設(shè)計架構(gòu)及主要功能，并在某非煤礦山進行實際應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用實踐表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了人員定位、視頻與環(huán)境參數(shù)監(jiān)控實時聯(lián)動功能，具有動態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險預(yù)警功能。該系統(tǒng)技術(shù)成熟、設(shè)備運行安全可靠，在我國非煤礦山安全生產(chǎn)領(lǐng)域具有示范作用和推廣價值。

RFID技術(shù)；GIS技術(shù)；人員定位；動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；非煤礦山

我國“十二五”期間安全生產(chǎn)工作要求建立完善適應(yīng)工業(yè)化、信息化發(fā)展要求的企業(yè)安全生產(chǎn)技術(shù)裝備體系，著力提高企業(yè)安全生產(chǎn)科技支撐能力。國家工業(yè)和信息化部為此遴選出全國首批信息化與工業(yè)化融合（簡稱“兩化融合”）促進安全生產(chǎn)重點推進項目，其中之一即為非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是基于RFID和GIS技術(shù)開發(fā)應(yīng)用于非煤礦山領(lǐng)域的數(shù)字通信與監(jiān)測監(jiān)控集成技術(shù)裝備系統(tǒng)。

1 RFID和GIS技術(shù)概述

1.1 RFID技術(shù)簡介

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。射頻識別系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽（應(yīng)答器，Tag）和閱讀器（讀頭，Reader）組成。在RFID的實際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在被識別物體上（表面或內(nèi)部），當(dāng)該被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將電子標(biāo)簽中約定識別信息取出來，從而實現(xiàn)自動識別物品或自動收集物品標(biāo)志信息的功能。讀頭系統(tǒng)又包括讀頭和天線，有的讀頭將天線和讀頭模塊集成在一個設(shè)備單元中。在較大型的RFID系統(tǒng)中，還有其它中間件等附屬設(shè)備來完成對多讀頭識別系統(tǒng)的管理［1］。

RFID技術(shù)應(yīng)用于本系統(tǒng)中的主要功能是人員定位功能，整個系統(tǒng)包括地面控制中心、井下識別站（射頻自動識別讀寫器）以及無源電子標(biāo)簽（射頻識別卡）?？刂浦行呢?fù)責(zé)整個通信定位系統(tǒng)管理與控制，與相應(yīng)的礦井地理信息系統(tǒng)（GIS）配合可以對井下人員進行實時監(jiān)控；識別站通過讀寫電子標(biāo)簽中的相關(guān)信息，對應(yīng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中預(yù)錄入的人員相關(guān)信息，即可在控制軟件界面上顯示出定位人員的個人信息、時間、位置及行動變化軌跡等，并可生成相應(yīng)報表［2］。

1.2 GIS技術(shù)簡介

地理信息系統(tǒng)（簡稱GIS）是一種采集、存儲、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計算機系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)，該系統(tǒng)設(shè)計支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題［3］。其能把空間特征數(shù)據(jù)與表格化的屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，使各種類型的數(shù)據(jù)得到充分的圖形體現(xiàn)。同時，地理信息系統(tǒng)還可以結(jié)合數(shù)據(jù)和相應(yīng)圖表做出準(zhǔn)確的分析判斷，并給出相應(yīng)的反饋信息從而輔助決策［4］。

GIS技術(shù)應(yīng)用于本系統(tǒng)中的主要作用是在地面調(diào)度室監(jiān)控中心的GIS平臺上實時顯示井下礦工總數(shù)，各采掘作業(yè)面、機電、運輸、通風(fēng)、排水、充填及安全管理等人員分布情況，顯示各采掘作業(yè)面及其它輔助設(shè)施、場所相關(guān)環(huán)境參數(shù)、對應(yīng)視頻監(jiān)控畫面等。

2 井下人員動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為管理層、控制層和設(shè)備層3層。其中管理層為地面局域網(wǎng)系統(tǒng)；控制層以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸平臺，主要包括整個監(jiān)控中心設(shè)備及環(huán)網(wǎng)平臺；設(shè)備層主要由各子系統(tǒng)設(shè)備組成，采用現(xiàn)場總線，保證了現(xiàn)場子系統(tǒng)的實時性和可靠性。

系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)場總線信息傳輸平臺，主通訊協(xié)議采用TCP／IP協(xié)議，現(xiàn)場采用RS485總線形式，布線簡單、組網(wǎng)靈活，能滿足各型礦井監(jiān)控經(jīng)濟運行。且系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面采用圖文界面，可實時多屏顯示，提供動態(tài)圖形、事件記錄、趨勢顯示、報警顯示、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、參數(shù)曲線、模擬光柱，報表顯示等，精美直觀、操作簡單。

系統(tǒng)支持光纖多模、單模、超五類雙絞線和普通雙絞線傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)靈活、支持多環(huán)結(jié)構(gòu)，滿足井下巷道的復(fù)雜布置。系統(tǒng)設(shè)備種類齊全，防護等級達IP65以上，可滿足礦井惡劣環(huán)境使用。同時，系統(tǒng)具有自檢功能，可對控制器、電源、傳感器、電纜等進行自動診斷，并提供異常報警。

2.2 主要功能

（1）定位功能。系統(tǒng)能夠在監(jiān)控中心的GIS平臺上實時顯示井下人員分布情況。在圖形界面上用鼠標(biāo)點擊，可以顯示某個選定區(qū)域的人員名單，進一步點擊還可以顯示某個選定人員下井后的行蹤。對于井下的某些特殊區(qū)域，例如規(guī)定不準(zhǔn)一般人員進入的危險區(qū)域，在行蹤保留時段內(nèi)可以隨時進行查詢，列出進入該區(qū)域的人員和出、入時間。GIS平臺還能實現(xiàn)井下巷道圖的無級縮放、顯示，以及在井下出現(xiàn)緊急情況后生成逃生路線，并能對GIS地圖進行導(dǎo)入、導(dǎo)出和還原地圖功能。

（2）考勤功能。本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計礦工入井、升井時間，并可按班次、按部門生成日考勤、月考勤統(tǒng)計報表。

（3）安全管理功能。主要有領(lǐng)導(dǎo)干部帶班下井管理、區(qū)域超員告警、礦工進入禁入?yún)^(qū)告警、工作超時與欠時告警、行進軌跡異常告警、安全證書有效期管理、防爬車管理、預(yù)警呼救功能及固定崗位脫崗管理等功能。

（4）定位與監(jiān)測監(jiān)控聯(lián)動功能。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)重要場所視頻監(jiān)測點畫面、作業(yè)環(huán)境參數(shù)與人員定位功能實時聯(lián)動，在軟件界面上根據(jù)需要適時顯示重要場所相關(guān)環(huán)境參數(shù)、對應(yīng)視頻監(jiān)控畫面，對高風(fēng)險作業(yè)環(huán)境進行實時監(jiān)控，對環(huán)境參數(shù)（如CO、O2、H2S、SO2、風(fēng)速和風(fēng)量等）進行風(fēng)險提示與報警。

（5）系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)的管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)分配多個不同權(quán)限的用戶，方便各個用戶在網(wǎng)絡(luò)終端上同時運行軟件、查詢井下實時情況，并可對軟件進行分級別的修改；井下實時數(shù)據(jù)也可以上傳到WEB服務(wù)器上，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)以網(wǎng)頁的形式實時查看井下人員分布情況。企業(yè)各級管理者可以隨時隨地查看礦山井下實時安全生產(chǎn)情況，使礦山安全管理更加規(guī)范化。

3 系統(tǒng)在某非煤礦山的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

該非煤礦山地形為低山丘陵，地勢南高，北低，西北部為峰林洼地，南部為低山，中部為丘陵，最高海拔為307.7m，最低海拔60m，相對高差60～240 m。礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬中等偏復(fù)雜，工程地質(zhì)條件屬簡單類型。礦區(qū)共探明3個礦體，現(xiàn)主采2號礦體，礦帶長3500m，寬60～100m，工程控制長1300m。

礦山開拓系統(tǒng)為明井與盲井聯(lián)合開拓，礦山現(xiàn)有主井（豎井）、副井（豎井）、1號斜井、4號斜井、2號風(fēng)井等通達地表，內(nèi)有3號、5號、6號盲斜井。全礦共分為5個中段，各中段間有豎井、斜井及盲斜井相通，中段高度為50m，中段水平最遠(yuǎn)距離2000 m，其中2個中段已停止作業(yè)、2個中段正在生產(chǎn)、1個中段正在掘進。采礦方法為淺孔留礦法。

在應(yīng)用井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)前，礦山采取在井口安排專人記錄考勤方式，下井后當(dāng)班班組長帶班現(xiàn)場管理。作業(yè)時段地面管理人員無法知道井下的人員具體分布情況，各高危作業(yè)地點作業(yè)人員工作狀況、作業(yè)環(huán)境變化情況均無法有效監(jiān)控，安全管理較為粗放。

3.2 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)管理層主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶端電腦及地面局域網(wǎng)絡(luò)組成；控制層主要由監(jiān)控中心顯示器、監(jiān)控主機、100M工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)、光纖交換機、光端機、硬盤錄像機、視頻矩陣、物理防雷隔斷器等組成；設(shè)備層主要由識別站（分站）、監(jiān)控分站、傳感器、視頻采集器、視頻處理器及控制器等組成。該系統(tǒng)主要配備38套識別主站（分站）、15套監(jiān)控分站、45臺傳感器、12臺視頻采集器等。

系統(tǒng)管理層和控制層間采用光纖組網(wǎng)，設(shè)備層連網(wǎng)主要采用通信電纜組網(wǎng)，各層間通過RS485通訊協(xié)議進行通訊。管理層和控制層設(shè)備采用AC220V電源供電，設(shè)備層設(shè)備采用AC380／127V供電。

3.3 應(yīng)用效果

某非煤礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀配備的井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已實現(xiàn)了實時顯示重要場所視頻監(jiān)測點畫面、作業(yè)環(huán)境參數(shù)與人員定位功能實時聯(lián)動功能，對井下人員所在環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測、風(fēng)險提示與報警，應(yīng)用效果較好。圖1為某礦監(jiān)控系統(tǒng)畫面隨機截圖。

圖1 某非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 結(jié) 論

該礦山的系統(tǒng)試運行實現(xiàn)了非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)研究的預(yù)定目標(biāo)。運行結(jié)果表明：

（1）RFID技術(shù)是應(yīng)用于人員定位與追蹤技術(shù)中較為成熟的技術(shù)之一，結(jié)合非煤礦山GIS地圖，可以實現(xiàn)非煤礦山井下人員動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控；

（2）該系統(tǒng)實現(xiàn)了井下人員定位與重要場所環(huán)境參數(shù)的實時采集、分析與儲存，隨時生成相關(guān)統(tǒng)計分析圖表，并可將相關(guān)參數(shù)直觀顯示于監(jiān)控界面，進行風(fēng)險提示與報警，有利于提高礦山安全生產(chǎn)管理水平；

（3）在礦山井下發(fā)生災(zāi)變情況下，系統(tǒng)可實時顯示重點區(qū)域受困人員情況、生存環(huán)境狀態(tài)的視頻圖像與環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，有利于應(yīng)急救援搜救工作；

（4）該系統(tǒng)是非煤礦山領(lǐng)域的信息化和工業(yè)化深度結(jié)合的典型案例，技術(shù)成熟，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)備運行穩(wěn)定性、可靠性較高，具有較為廣泛的推廣價值。

［1］游戰(zhàn)清，李蘇劍，等.無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［2］倪水平，鄧立恒，向 陽，等.基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，17（25）：210.

［3］黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］周愛華，陳 靜.基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.礦山測量，2009（1）：47.

2011－11－13）

康金箭（1973－），男，重慶江北人，高級工程師，主要從事礦山安全技術(shù)工作，Email：kangjinjian6336＠163.com。