摘要：基于射頻技術的特點，針對提高礦業井下安全，預防礦井災害的目的，設計研發了基于RFID的礦業物流管理系統，采用了無線射頻非接觸式RFID為基礎的礦業物流管理系統設計方案，對礦井下遠距離目標進行非接觸式信息采集處理能夠在不同狀態(移動或靜止)下自動識別。通過井下人員和物資的動態、靜態信息識別獲取，以達到實時管理的目的。通過煤礦應用證明：該煤礦安全事故同比下降96％，有效降低井下安全事故和責任事故的發生，并能達到預防礦井災害的成效。
礦業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，即災害事故預防，責任事故預防，災害事故后人員定位、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。
據統計，我國礦業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過程中應用數量及大，其管理水平直接影響安全生產狀況。目前國內礦業物流管理仍以經驗管理、人工管理為主，災害、事故發生率居高不下。此外，礦井下多塵、潮濕等惡劣環境因素造成人員、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)非接觸遠距離識別、多目標識別、環境敏感性低、標簽數據容量大、標簽可讀寫等特點，以其為關鍵技術且與計算機、網絡、信息管理技術有效結合的礦業物流管理系統，實現人員、物資的動態實時管理，改變礦業安全管理狀況。
1 系統設計原理及構成
1．1 系統原理
系統由井下數據采集傳輸單元和地面控制管理單元組成，中間為數據傳輸網絡。礦井下數據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。系統工作原理為閱讀器通過天線發射電磁波，射頻標簽經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)將所存儲信息發射回去。信息包括ID、身份標識等靜態信息和環境、位置等動態信息。閱讀器接收信號并經中間件處理后，通過數據傳輸網絡傳送給井上數據庫，經應用軟件系統調用解析后，實現人員監控、事故預警、安全物資監控、中央控制、遠程領導查詢等各種應用。系統原理如圖1所示。
1．2 系統結構設計
1)系統軟件結構設計系統地面工作站和數據服務器間選取傳統的C／S體系結構。用戶界面、管理系統軟件存放在工作站上，而數據庫訪問及后臺操作則由服務器來完成。
2)數據傳輸網絡設計數據傳輸接口采用標準RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太網和無線WLAN接口。傳輸網絡盡量采用井下已有的安全監控系統信道、通信光纜等，在保護原有投資基礎上實現功能提升。
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。因此，結合兩者優點，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是否能取得理想效果的關健，而閱讀器的布置直接影響井下物資、人員的跟蹤精度。閱讀器布置應遵循以下原則：
①重點巷道連續布置 井下車場、人員物資必經巷道連續布置閱讀器�？紤]成本，布置間隔以滿足跟蹤精度為依據，在此前提下盡量減少布置數目。
②重點設備、危險地段必須布置 帶式輸送機主機、翻斗等有自然發火預兆的重點設備，除安裝監測設備外，應與RFID閱讀器關聯以實現事故預警。爆破材料庫、油庫、瓦斯區、封閉火區等危險地段必須布置閱讀器。
③工作面、必經巷道雙向布置 在綜采煤工作面這種既有入口又有出口的地段，相關位置應雙向布置閱讀器。對于1條巷道內有多個采面的情況，將采面集中劃分區域，在區域出入巷道安裝閱讀器實行區域管理。掘進面只在入口處布置閱讀器即可實現人員的定位、跟蹤。
④合理布置臨時、手持式閱讀器 在冒頂危險區、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控。
⑤安裝位置易于裝拆 由于采面采礦任務完成后要落頂封巷，生產任務完成后愿架設閱讀器要拆卸，重新布置在新開采面。因此，閱讀器的安裝應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鍵技術，本系統采用的為行鏈路多標簽沖突檢測算法，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”隨機數產生器和2個4位加減1計數器以及少量選擇電路就能實現最多達1 048 576個標簽的仲裁。仿真表明本算法產生的碰撞概率明顯小于二進制數算法，同時通過寄存器高位的靈活設置，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)被動方標簽中設計一個4+4位的寄存器(Rel)和1個“0”、“1”隨機數產生器(RGI)，隨機數產生器產生兩組隨機數，分別加載到寄存器高位和低4位。其中高位加載的位數M可以動態設為1、2、3或4。
2)主動方讀寫器向所有處在等待態的標簽發送初始化命令。標簽因此進入仲裁態，用RGI產生4比特隨機數，加載到Rel高4位R7～R4，低4位R3～R0全部清零。
3)讀寫囂等待一定時間后發送允許回傳命令。
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，則發送確認命令，附加命令參數“低位減1”�；貍鱅D的標簽接收到該命令后，進入確認態，其他高4位為全零的標簽Rel低4位減1，回到步驟4)重復操作。
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，則發送確認命令，附加命令參數“寄存器加1”。接收到讀寫器這個命令后，所有在仲裁態且Rel為全零的標簽由RGI產生1比特隨機數和寄存器上的數相加后重新載入到寄存器中；其他仲裁態且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送確認命令，附加命令參數“低位減1”。所有在仲裁態且高4為全零的標簽Rel低4位減1，回到步驟4)重復操作。
8)低4位減1操作重復L次(L是一個系統參數，由系統設定，經驗值為4)后，讀寫器認為所有在仲裁態且寄存器高4位為零的標簽都已經被正確讀取，則發送確認命令，附加命令參數“高4位減1”，回到步驟4)。
9)標簽接收到附加“高位減1”參數的確認命令后，所有Rel高4位不為零的標簽高4位減1，回到步驟4)重復操作；在被要求高位減1前已為零的標簽則回到等待態。
10)重復2 M次高位減1操作后，讀寫器認為所有在仲裁態的標簽都已經被讀取，則仲裁過程停止，所有還處于仲裁態的標簽返回等待態。防碰撞算法實現電路如圖2所示。
算法仿真：仿真結果如圖3所示，可以看到當標簽總數為20時，如果把高位寄存囂的位數從4降到1，則平均碰撞次數從5．5回落到1．4。而當標簽總數為200和2000時，高位寄存器位數的改變對平均碰撞次數的影響不大。因此如果在某次仲裁中出現多次空傳，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，以此降低空傳率，進而可以降低平均碰撞次數。
2 系統功能實現
2. 1 人員管理
1)日常管理 包括考勤登記、礦井下工時計數、上井人員查點、礦井下人員定位跟蹤等。礦業工作人員根據崗位不同分為井上、半井上、井下等幾類。礦井下人員工作量確定既依據產礦量、掘進尺等工程數據，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。引入RFID后，考勤、工時、查點實現自動化，確保高效率和準確性。礦井下人員定位、跟蹤是事故頊防的基礎，傳統管理根本無法實現，而RFID技術填補了該管理空白。工作流程以地面管理系統數據庫中生產作業計劃人員、區域調度信息為基礎，將射頻標簽ID、身份信息與巷道工作面信息等靜態信息作為參考系，與巷道工作面閱讀器獲取的動態信息相對應，經系統中軟件功能邏輯，實現各項功能。
2)緊急情況管理 包括事故預防和事故后處理。事故預防首先是災害事故預防。即將RFID技術與災害監控技術相結合，對井下災害事故作預警管理，這是傳統管理方法和技術無法實現的。將RFID設備與煤層瓦斯壓力(含量)測定儀，溫度、煙量、火焰等火災監測設備，測塵儀，風速、負壓傳感器，水位傳感器等相關聯。一且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警位置，點擊危險區域信息可查看人員情況，通過井下通信系統及時發布警報，采取相關措施消除事故源，并組織人員疏散。其次是責任事故預防。責任事故預防有2種情況：一是在封閉火區、瓦斯區、盲巷、廢棄巷道等嚴禁入內區域架設固定RFID設備，以防人員誤入造成事故；其次是在危險區、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閱讀器進行人員監控，與警燈、音頻報警器、警示牌相結合，避免責任事故發生。事故后處理指災害事故發生后及時組織撲救和人員救護工作。傳統管理方式事故發生后，救護隊往往盲目入井，對災情、滯留人員情況不了解，容易造成意外傷害。RFID管理系統中，利用事故發生工作面入口RFID閱讀器上傳的信息，可準確得到各工作面的人員數量、位置信息，及時配備人力、設備，在最短時間內采取搶險營救措施。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井下物流管理系統中，安全物資、運送安全物資的容器(托盤)和設備(專用車輛)、庫存管理人員、領用人員都粘貼、佩戴RFID標簽。通過物資、人員、位置信息的一一對應，實現全環節自動化、數據化監控管理。實現物資出入庫、盤庫等物流作業高效自動管理，物資領用管理責任明確，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。
3 結束語
礦業物流管理系統通過RFID技術特點與采礦生產具體流程相結合，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。RFID只是一項自動識別技術，以其為技術支撐的管理信息系統功能的合理設計，管理流程的嚴格規范，才是我國礦業安全生產管理水平真正提高的根本保證。
