董文斌，張建宇，徐楚雯

（1.國家能源集團準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

長期以來，煤礦對電纜以及設(shè)備管理具有對工作人員的依賴度過高、效率低下等缺點。電纜信息的管理不當(dāng)會給企業(yè)帶來不可估量的損失。傳統(tǒng)的電纜信息管理模式又稱3 步走模式：①工作人員將電纜信息手動記錄；②施工前按照所記錄的信息指定電纜變更計劃；③將變更的信息再次記錄作為下一次施工的依據(jù)?？梢钥闯?，其可靠性低、有效性低的特點已經(jīng)不能滿足實際要求了。所以將RFID 技術(shù)應(yīng)用于基于物聯(lián)網(wǎng)的礦用電纜管理系統(tǒng)，能夠更加智能化地管理電纜信息。

1 RFID 技術(shù)及特點

射頻識別（RFID）原理為閱讀器與標(biāo)簽之間進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到識別目標(biāo)的目的[1]。RFID 的應(yīng)用非常廣泛，2010 年國外學(xué)者Kim Hyung Do 等人將RFID 技術(shù)應(yīng)用在配送物流中，為物流公司提供了高效的物流管理[2]；2015 年何健、郝學(xué)韜等人為了解決紅酒儲運過程中溫度、濕度的實時監(jiān)測問題，利用RFID 無線傳感技術(shù)自動采集酒品溫濕度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對被測酒品的溫濕度監(jiān)控和追溯[3]；2017 年高文娟、陳曄等人響應(yīng)國家政府的號召，將自己的科研目光置于“智慧社區(qū)系統(tǒng)”上，建立了基于RFID 的三維GIS 智慧小區(qū)應(yīng)用平臺，使該系統(tǒng)本存在的限制都得到了解決[4]；2020 年Jianfeng Shen 利用RFID 自身的特點提高了圖書館采編工作的工作效率和服務(wù)質(zhì)量[5]；2021 年Ranjana P、Varsha S 與EliyasSherin 將RFID 技術(shù)運用于環(huán)境保護上，成功地避免公眾把垃圾扔在街道上[6]。

1.1 RFID 的構(gòu)成及工作原理

無線射頻識別技術(shù)是運用無線電波不接觸地快速進行信息交換和存儲的原理，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從而實現(xiàn)非接觸式的雙向通信，以達(dá)到識別的目的，用于數(shù)據(jù)交換，串聯(lián)起1 個極其復(fù)雜的系統(tǒng)[7]。1 套完整的RFID 系統(tǒng)是由3部分組成的，分別是應(yīng)答器、讀寫器以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。電子標(biāo)簽是應(yīng)答器的一種表現(xiàn)形式，由芯片、耦合器、天線組合而成。其中芯片的作用是保存數(shù)據(jù)；耦合器的作用是實現(xiàn)射頻信號的空間耦合，它的存在使得讀寫器與標(biāo)簽之間可以實現(xiàn)無接觸雙向通信；天線是一種轉(zhuǎn)能器，在發(fā)射信號時它會將高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波，而在接收時它會將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送到接收機當(dāng)中。

RFID 技術(shù)基本工作原理有2 種方式：①方式1:閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送射頻信號，電子標(biāo)簽會憑借感應(yīng)電流所獲得的能量向閱讀器發(fā)送存儲在芯片當(dāng)中的信息；②方式2:電子標(biāo)簽主動地向閱讀器發(fā)送信號，閱讀器獲取后經(jīng)過解碼會將其送至信息系統(tǒng)進行信息處理。有源RFID 的工作原理為方式2，無源RFID 為方式1。

1.2 RFID 技術(shù)的特點

RFID 技術(shù)的特點為：①穩(wěn)定性方面:RFID 具有防水、防磁、耐高溫等特點，保證了RFID 在煤礦上時仍然可以正常工作；②效率方面:實現(xiàn)了多個目標(biāo)同時被識別，而且存儲信息量大，能夠保證工作不中斷；③從經(jīng)濟性方面:它是可擦寫標(biāo)簽，能夠更加便捷地更新標(biāo)簽，可以做到同一標(biāo)簽多次使用；④安全性方面:可以通過設(shè)置密碼以防止被偽造，所以安全性較高。RFID 技術(shù)的應(yīng)用提高了識別過程中的信號正確性以及數(shù)據(jù)的存儲能力[8]。

2 RFID 技術(shù)在礦用電纜信息管理中的應(yīng)用

煤礦環(huán)境較為惡劣，傳統(tǒng)的標(biāo)簽往往會因為覆有污垢、標(biāo)簽損壞以及不夠智能化等問題而影響工作人員讀取標(biāo)簽的效率。RFID 技術(shù)采用非接觸式的數(shù)據(jù)通信形式，利用RFID 射頻識別模塊在1 m 內(nèi)都能獲取到標(biāo)簽中的信息即使在標(biāo)簽覆有泥垢的情況下。電子標(biāo)簽通過固定裝置固定，1 根電纜對應(yīng)2根標(biāo)簽，1 頭1 尾分布，便于現(xiàn)場工作人員獲取電纜信息。標(biāo)簽所在位置如圖1。

圖1 標(biāo)簽所在位置

電子標(biāo)簽不僅將RFID 技術(shù)運用在電纜的信息管理中，而且對于電纜的來方向（配電柜、分線箱）、去方向（工具）等設(shè)備均采用電子標(biāo)簽作為它們的代號，在建立連接信息時便無需通過手動選擇配電柜、設(shè)備等信息來建立連接，只需打開安裝在手持機上APP 開啟掃一掃功能，便可輕松建立連接信息。

2.1 電纜信息和配電柜等設(shè)備信息的錄入

首先由信息管理者利用RFID 讀寫器向RFID標(biāo)簽中寫入電纜基本信息（標(biāo)簽序列號、電纜型號、耐壓等級、橫截面積、電纜長度以及生產(chǎn)廠商）、運維信息（所連配電柜名稱、所在線路名稱、所連接的設(shè)備名稱以及通電情況）、配電柜等設(shè)備的基礎(chǔ)信息，并將這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，在錄入好電纜信息之后，利用樹脂澆灌技術(shù)將標(biāo)簽封裝進標(biāo)簽固定裝置當(dāng)中。利用RFID 技術(shù)將電纜等信息錄入電子標(biāo)簽中同傳統(tǒng)方式相比工作效率得到了極大的提升。

2.2 礦用電纜信息的變更

在施工過程中，根據(jù)施工前制定好的技術(shù)方案對現(xiàn)場進行施工并對電纜、設(shè)備進行變更，在變更的同時工作者利用讀寫器通過掃描RFID 碼對數(shù)據(jù)庫中電纜信息以及運維信息進行增刪改查。

1）情況1：對某一線路上的配電柜或所連接的設(shè)備進行修改。1 條線路上可能會連接有幾百根電纜，但是對于該系統(tǒng)而言只要工作人員利用讀寫器對其中1 根電纜的標(biāo)簽進行掃描并修改其配電柜或設(shè)備，那么整條線路上的電纜都會跟著變更。與傳統(tǒng)的管理方式相比不僅僅提高了效率，更節(jié)省了人力資源。其中配電柜與設(shè)備可以同時變更也可以僅變更其中一個，情況1 如圖2。

圖2 情況1

2）情況2：減少某一線路上的電纜根數(shù)。此時僅僅需要工作者掃描想要撤走的電纜，對其信息進行刪除或者變更便可實現(xiàn)線路電纜根數(shù)的變更。同時工作者可以從讀寫器中獲得變更后的電纜根數(shù)。與傳統(tǒng)的管理方式相比能夠使管理者更加及時地獲取電纜的狀態(tài)信息。情況2 如圖3。

圖3 情況2

3）情況3：某線路中的某1 段電纜已壞，將用另1 根電纜替換它。對于傳統(tǒng)的電纜信息管理模式而言，需要通知維修部將已損壞的電纜帶回維修部，并用1 根正常工作的電纜替換它，再手動記錄新的電纜信息。然而對于該系統(tǒng)而言，只需使用讀寫器將已損壞的電纜進行標(biāo)記添加至已損壞電纜行列，并更改替換的電纜的信息即可。與傳統(tǒng)的管理方式相比，該系統(tǒng)使得各個部門的工作更加明了，合作更加緊密，能夠使工作完成得更加高效，情況3 如圖4。

圖4 情況3

4）情況4：某線路的某根電纜損壞，切斷其損壞部分，保存未損壞部分，再增加2 個標(biāo)簽的方式，相當(dāng)于增加了1 根電纜。基于該系統(tǒng)，用讀寫器重新寫入2 個標(biāo)簽，分別置于斷開部分的耦合器左右兩端并改變原電纜的信息。與傳統(tǒng)的電纜管理方式相比，該系統(tǒng)在操作上智能化程度更高，情況4 如圖5。

圖5 情況4

2.3 電纜連接示意圖的生成與打印功能

可以利用讀寫器對電纜的通斷電情況進行記錄并上傳至數(shù)據(jù)庫，不僅可以通過臺賬管理平臺查看今日電纜運維狀態(tài)與通斷電情況并打印。而且在臺賬管理平臺中還有1 個查看并打印連接示意圖的功能，根據(jù)該圖能夠簡潔明了地獲取礦用電纜的連接情況、通斷電等信息。與傳統(tǒng)的管理模式相比，該系統(tǒng)的用戶體驗感更佳、智能化程度更高，很大程度解放了勞動力。電纜部分連接示意圖如圖6。

圖6 電纜部分連接示意圖

3 電子標(biāo)簽固定裝置與手持機

3.1 電子標(biāo)簽固定裝置

想要將電子標(biāo)簽固定在電纜上必須得依靠特定的裝置，同時該裝置必須具有耐磨性、抗摔性、抗寒性、質(zhì)地輕巧等特性以適應(yīng)煤礦惡劣的自然環(huán)境與工作環(huán)境。研究了若干材料，比如不銹鋼、尼龍、聚酰胺、聚乙烯、尼龍pa66 等，經(jīng)過試驗決定采用聚酰胺作為該放置裝置的材料。電子標(biāo)簽固定裝置模型圖如圖7，它是由聚氨酯制成的圓環(huán)柱，該圓環(huán)柱是半開合的，可以依靠螺絲將其固定在電纜上，其內(nèi)圓半徑即電纜的半徑。螺絲是內(nèi)陷設(shè)計，防止螺絲被砸斷而降低該模型的使用壽命。同時，小圓片即電子標(biāo)簽，采用樹脂封裝的方式將電子標(biāo)簽固定在聚氨酯的內(nèi)部，保證了標(biāo)簽固定的牢固性。

圖7 電子標(biāo)簽固定裝置模型圖

3.2 手持機

為了增加系統(tǒng)的安全性，選擇礦上內(nèi)網(wǎng)作為信息傳輸?shù)耐ǖ?，但是礦上的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的頻段具有獨特性，僅有華為的少數(shù)設(shè)備可以直接接入煤礦的內(nèi)網(wǎng)，于是選用華為設(shè)備（具有定位功能）作為該系統(tǒng)的PDA。手持機由3 部分組成：適合煤礦網(wǎng)絡(luò)頻段的華為手機（PDA）、背夾以及RFID 射頻模塊。其中華為手機與射頻模塊之間通過藍(lán)牙連接，以實現(xiàn)利用手機控制RFID 射頻模塊。RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8.

圖8 RFID 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)電纜信息管理模式低效率、低智能化的問題，將RFID 技術(shù)引用至礦用電纜信息的管理上。①對RFID 技術(shù)的基本知識、特點等進行了概述；②對RFID 技術(shù)在礦用電纜信息的錄入過程、作業(yè)施工中的變更情況以及施工后電纜連接信息示意圖的生成、打印功能進行了詳解。③對電子標(biāo)簽固定裝置與手持機進行了說明。實踐證明，該系統(tǒng)在礦用電纜信息管理上不僅功能強大、能滿足工作者的需求、而且智能化程度高、用戶體驗感好，在極大程度上提高了電纜信息管理的工作效率、降低了勞動力損耗，為礦用電纜信息管理整體水平的提升做出了巨大的貢獻。