基于RFID的煤矿井下物流管理系统研究

基于RFID的煤矿井下物流管理系统的中心议题：
    * 介绍了一种煤矿井下物流管理系统
    * 提出新的煤矿井下管理模型，建立完整性、实时性和灵活性的井下物流管理系统
基于RFID的煤矿井下物流管理系统的解决方案：
    * RFID技术特点与煤矿生产具体流程相结合

1 概述

煤矿井下物流管理有人员管理和安全物资管理。人员管理首先是日常作业管理，包括 考勤、出入管理、井下人员跟踪定位等；其次是紧急情况管理，即灾害事故预防，责任事故预防，灾害事故后人员定位、搜索、救护等。安全物资指雷管、炸药等易 燃易爆且对存放、使用有特殊要求的物资。

据统计我国煤矿巷道掘进主要采用爆破方法，机械化掘进尺只占5％，所以安全物资在煤矿井下应 用数量大，其管理水平直接影响安全生产状况。目前? 煤矿井下物流管理仍以经验管理、人工管理为主，灾害、事故发生率居高不下。此外，井下多尘、潮湿等恶劣环境因素造成人员、物资缺乏可靠的跟踪管理手段。针 对这种情况，利用RFID(射频识别技术)非接触远距离识别、多目标识别、环境敏感性低、标签数据容量大、标签可读写等特点，以其为关键技术且与计算机、 网络、信息管理技术有效结合的井下物流管理系统，实现人员、物资的动态实时管理，改变矿井安全管理状况。

2 系统原理及构成

2．1 系统原理

系统由井下数据采集传输单元和地面控制管理单元组成，中间为数据传输网络。井下数据采集传输单元基本组成元件为射频标签、阅读器、天线和中间件。系统工 作原理为阅读器通过天线发射电磁波，射频标签经自身天线接收电磁波后，或者依靠电感能量(无源)，或者依靠自身能量(有源)将所存储信息发射回去。信息包 括ID、身份标识等静态信息和环境、位置等动态信息。阅读器接收信号并经中间件处理后，通过数据传输网络传送给井上数据库，经应用软件系统调用解析后，实 现人员监控、事故预警、安全物资监控、中央控制、远程领导查询等各种应用。系统原理如图1所示。

图1 系统原理

2．2系统结构设计

(1)系统软件结构设计。系统地面工作站和数据服务器间选取传统的c／s体系结构。用户界面、管理系统软件存放在工作站上，而数据库访问及后台操作则由服务器来完成。该模式下系统各个2 系统原理及构成。

(2)数据传输网络设计。数据传输接口采用标准RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太网和无线wLAN接口。传输网络尽量采用井下已有的安全监控系统信道、通信光缆等，在保护原有投资基础上实现功能提升。

(3)射频标签选择。射频标签工作频率分为低频(100—500 kHz)、中频(10～15 MHz)、高频(13．56 MHz)、超高频 (860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若频率高，则识别距离大，通信速度快，抗噪能力强，但对障碍物(如液体)的穿透性、方向敏感性 不如低频。因此，结合两者优点，井下采用工作频率为低频和超高频的双频标签。

(4)井下物流管理阅读器布置原则。井下物资和人员的 跟踪可靠性，是基于RFID的井下物流管理系统是否能取得理想效果的关键，而阅读器的布置直接影响井下物资、人员的跟踪精度。阅读器布置应遵循以下原 则：①重点巷道连续布置。井下车场、人员物资必经巷道连续布置阅读器。考虑成本，布置间隔以满足跟踪精度为依据，在此前提下尽量减少布置数目。②重点设 备、危险地段必须布置。带式输送机主机、翻斗等有自然发火预兆的重点设备，除安装监测设备外，应与RFID阅读器关联以实现事故预警。爆破材料库、油库、 瓦斯部分任务清楚，数据访问实时性好。中央监控及其他部门远程信息查询模块设计成B／s体系结构。

该模式中数据的处理分析均在服务器上进行，简化了客户端工作。

(2)数据传输网络设计。数据传输接口采用标准RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太网和无线wLAN接口。传输网络尽量采用井下已有的安全监控系统信道、通信光缆等，在保护原有投资基础上实现功能提升。

(3)射频标签选择。射频标签工作频率分为低频(100—500 kHz)、中频(10～15 MHz)、高频(13．56 MHz)、超高频 (860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若频率高，则识别距离大，通信速度快，抗噪能力强，但对障碍物(如液体)的穿透性、方向敏感性 不如低频。因此，结合两者优点，井下采用工作频率为低频和超高频的双频标签。

(4)井下物流管理阅读器布置原则。井下物资和人员的跟踪可靠性，是基于RFID的井下物流管理系统是否能取得理想效果的关键，而阅读器的布置直接影响井下物资、人员的跟踪精度。阅读器布置应遵循以下原则：

①重点巷道连续布置。井下车场、人员物资必经巷道连续布置阅读器。考虑成本，布置间隔以满足跟踪精度为依据，在此前提下尽量减少布置数目。

②重点设备、危险地段必须布置。带式输送机主机、翻斗等有自然发火预兆的重点设备，除安装监测设备外，应与RFID阅读器关联以实现事故预警。爆破材料库、油库、瓦斯区、封闭火区等危险地段必须布置阅读器。

③工作面、必经巷道双向布置。在综采煤工作面这种既有人口又有出口的地段，相关位置应双向布置阅读器。对于1条巷道内有多个采面的情况，将采面集中划分区域，在区域出入巷道安装阅读器实行区域管理。掘进面只在人口处布置阅读器即可实现人员的定位、跟踪。

④合理布置临时、手持式阅读器。在冒顶危险区、放炮警戒处、巷道维修地段、临时禁止通行地段，布置临时、手持式阅读器进行人员监控。

⑤安装位置易于装拆。由于采面采煤任务完成后要落顶封巷，生产任务完成后原架设阅读器要拆卸，重新布置在新开采面。因此，阅读器的安装应遵循易于装拆的原则。

3系统功能实现

3．1 人员管理

(1)日常管理。包括考勤登记、井下工时计数、上井人员查点、井下人员定位跟踪等。煤矿工作人员根据岗位不同分为井上、半井上、井下等几类。井下人员工 作量确定既依据产煤量、掘进尺等工程数据，又与下井工时直接挂钩。半井上、井上人员都要求月井下工时数。引入RFID后，考勤、工时、查点实现自动化，确 保高效率和准确性。井下人员定位、跟踪是事故预防的基础，传统管理根本无法实现，而RFID技术填补了该管理空白。

工作流程以地面管理系统数据库中生产作业计划人员、区域调度信息为基础，将射频标签ID、身份信息与巷道工作面信息等静态信息作为参考系，与巷道工作面阅读器获取的动态信息相对应，经系统中软件功能逻辑，实现各项功能。

(2)紧急情况管理。包括事故预防和事故后处理。事故预防首先是灾害事故预防。即将RFID技术与灾害监控技术相结合，对井下灾害事故作预警管理，这是 传统管理方法和技术无法实现的。将RFID设备与煤层瓦斯压力(含量)测定仪，温度、烟量、火焰等火灾监测设备，测尘仪，风速、负压传感器，水位传感器等 相关联。一旦危险因素水平超过警戒线，在前台管理界面中立即准确显示预警位置，点击危险区域信息可查看人员情况，通过井下通信系统及时发布警报，采取相关 措施消除事故源，并组织人员疏散。其次是责任事故预防。责任事故预防有2种情况：一是在封闭火区、瓦斯区、盲巷、废弃巷道等严禁入内区域架设固定

RFID设备，以防人员误人造成事故；其次是在危险区、放炮警戒处、巷道维修地段等临时禁行地段，由专人拿临时、手持式RFID阅读器进行人员监控，与警灯、音频报警器、警示牌相结合，避免责任事故发生。

事故后处理指灾害事故发生后及时组织扑救和人员救护工作。传统管理方式事故发生后，救护队往往盲目人井，对灾情、滞留人员情况不了解，容易造成意外伤 害。RFID管理系统中，利用事故发生工作面人口RFID阅读器上传的信息，可准确得到各工作面的人员数量、位置信息，及时配备人力、设备，在最短时间内 采取抢险营救措施。营救过程中利用手持式RFID阅读器对滞留人员进行准确定位。

3．2安全物资管理

在RFID井下物流管理系统中，安全物资、运送安全物资的容器(托盘)和设备(专用车辆)、库存管理人员、领用人员都粘贴、佩戴RFID标签。通过物 资、人员、位置信息的一一对应，实现全环节自动化、数据化监控管理。实现物资出入库、盘库等物流作业高效自动管理，物资领用管理责任明确，物资流动路线在 途实时跟踪，提高了安全物资管理的安全性。系统总体功能如图2所示。

图2 系统总体功能

4 结语

本文介绍的煤矿井下物流管理系统通过RFID技术特点与煤矿生产具体流程相结合，提出新的煤矿井下管理模型，建立完整性、实时性和灵活性的井下物流管理系统。RFID只是一项自动识别技术，以其为技术支撑的管理信息系统功能的合理设计，管理流程的严格规范，才是我国煤矿井下生产管理水平真正提高的根本保证。