射頻識(shí)別技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用

射頻識(shí)別技術(shù)在礦山安全管理中的應(yīng)用

摘 要：射頻識(shí)別技術(shù)rfid 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息。rfid 識(shí)別無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。近年來(lái)，rfid 技術(shù)已經(jīng)成功地引入到礦山安全管理領(lǐng)域，并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。介紹了rfid 系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理及其在礦山安全管理中的應(yīng)用情況，旨在推動(dòng)我國(guó)礦山安全管理技術(shù)的變革。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；礦山；安全管理

0 引 言

射頻識(shí)別（ radio frequency identification，rfid）又稱(chēng)電子標(biāo)簽（e - tag），是一種利用射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)信息的技術(shù)。rfid 最早的應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機(jī)的“ 敵我辨識(shí)”系統(tǒng)［1］。隨著技術(shù)的進(jìn)步，rfid 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大［2，3］，并將成為未來(lái)信息社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。rfid 利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)各類(lèi)物體或設(shè)備（ 人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)或靜止）下的識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，rfid 系統(tǒng)的射頻識(shí)別卡和閱讀器之間不用接觸就可完成識(shí)別。它具有以下特點(diǎn)：

（1）操作方便，工作距離長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別；

（2）無(wú)硬件接觸，避免了因機(jī)械接觸而產(chǎn)生的各種故障，使用壽命長(zhǎng)；

（3）射頻識(shí)別卡無(wú)外露金屬觸點(diǎn)，整個(gè)卡片完全密封，具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能，適合惡劣環(huán)境條件下（ 如溫、濕度變化大，灰塵多，難以保持卡面清潔的井下環(huán)境）工作；

（4）對(duì)無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)隨機(jī)序列的加密，并有完善、保密的通信協(xié)議，卡內(nèi)序列號(hào)是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號(hào)固化，安全性高；

（5）卡內(nèi)具有防碰撞機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；

（6）信號(hào)的穿透能力強(qiáng)（ 可穿透墻壁、路面、衣物、人等），數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強(qiáng)，感應(yīng)靈敏，易于維護(hù)和操作。

近年來(lái)，rfid 技術(shù)已經(jīng)成功地引入到礦山安全管理領(lǐng)域］，并展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

1 rfid 系統(tǒng)構(gòu)成

基本的rfid 系統(tǒng)由rfid 標(biāo)簽（tag）、rfid 閱讀器（reader）及其應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。rfid 標(biāo)簽（tag）由芯片與天線（antenna）組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。標(biāo)簽附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。rfid 標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)的方式不同，分為主動(dòng)式（active）和被動(dòng)式（ passive）兩種。主動(dòng)式標(biāo)簽主動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送射頻信號(hào)，通常由內(nèi)置電池供電，又稱(chēng)為有源標(biāo)簽；被動(dòng)式標(biāo)簽不帶電池，又稱(chēng)為無(wú)源標(biāo)簽，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來(lái)自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。被動(dòng)式標(biāo)簽在接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號(hào)后，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。主動(dòng)式標(biāo)簽通常具有更遠(yuǎn)的通信距離，其價(jià)格相對(duì)較高，主要應(yīng)用于貴重物品遠(yuǎn)距離檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。被動(dòng)式標(biāo)簽具有價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，但其工作距離、存儲(chǔ)容量等受到能量來(lái)源的限制。

rfid 標(biāo)簽根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、形狀、工作頻率和工作距離等因素的不同采用不同類(lèi)型的天線。一個(gè)rfid 標(biāo)簽通常包含一個(gè)或多個(gè)天線。rfid 標(biāo)簽和閱讀器工作時(shí)所使用的頻率稱(chēng)為rfid 工作頻率。目前rfid 使用的頻率跨越低頻（lf）、高頻（hf）、超高頻（uhf）、微波等多個(gè)頻段。 rfid 頻率的選擇影響信號(hào)傳輸?shù)木嚯x、速度等，同時(shí)還受到各國(guó)法律法規(guī)的限制。rfid 閱讀器（reader）的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。根據(jù)應(yīng)用不同，閱讀器可以是手持式或固定式。rfid 應(yīng)用支撐軟件除了標(biāo)簽和閱讀器上運(yùn)行的軟件外，介于閱讀器與應(yīng)用之間的中間件是其中的一個(gè)重要組成部分。該中間件為應(yīng)用提供一系列計(jì)算功能，在電子產(chǎn)品編碼（ electronic productcode，epc）規(guī)范中被稱(chēng)為savant。其主要任務(wù)是對(duì)閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、匯集和計(jì)算，減少?gòu)拈喿x器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時(shí)savant 還提供與其他rfid 支撐系統(tǒng)進(jìn)行互操作的功能。savant定義了閱讀器和應(yīng)用兩個(gè)接口。用戶可以根據(jù)工作距離、工作頻率、工作環(huán)境要求、天線極性、壽命周期、大小及形狀、抗干擾能力、安全性和價(jià)格等因素選擇適合自己應(yīng)用的rfid 系統(tǒng)。

2 rfid 技術(shù)基本原理

在實(shí)際應(yīng)用中，rfid 電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面，電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。

閱讀器可無(wú)接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。閱讀器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息，被讀取器讀取并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理。在電磁場(chǎng)系統(tǒng)中，閱讀器（reader）發(fā)出一個(gè)電磁（em）波，電磁波以一個(gè)球形波向前傳播，電子標(biāo)簽淹沒(méi)在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個(gè)點(diǎn)上，可用的能量的大小與該點(diǎn)距發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。由上可知，閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)合適的能量場(chǎng)以激勵(lì)電子標(biāo)簽。

3 rfid 在礦山安全管理中的應(yīng)用

無(wú)線及移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用帶動(dòng)了人們對(duì)位置感知服務(wù)的需求，人們需要確定物品的3 維坐標(biāo)并跟蹤其變化?，F(xiàn)有的定位服務(wù)系統(tǒng)主要包括基于衛(wèi)星定位的gps 系統(tǒng)、基于紅外線或超聲波的定位系統(tǒng)以及基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。rfid 為人與物體的空間定位與跟蹤服務(wù)提供了一種新的解決方案。rfid 定位與跟蹤系統(tǒng)主要利用標(biāo)簽對(duì)物體的唯一標(biāo)識(shí)特性，依據(jù)閱讀器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)測(cè)定物品的空間位置，應(yīng)用于gps 系統(tǒng)難以應(yīng)用的室內(nèi)定位。目前，rfid系統(tǒng)在礦山安全管理中的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的定位及跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)安全管理的目的。

3. 1 基于rfid 的井下人員跟蹤定位

礦井危險(xiǎn)性事故時(shí)有發(fā)生，井下復(fù)雜的環(huán)境給人員撤離和事故搶救帶來(lái)極大困難。若能及早確定井下人員所處的位置，會(huì)給營(yíng)救工作帶來(lái)極大方便，將人員損失減少到最小?，F(xiàn)有的識(shí)別技術(shù)，無(wú)論是ic 卡、手紋識(shí)別技術(shù)還是紅外線編碼識(shí)別技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人員考勤，無(wú)法很好解決對(duì)多個(gè)移動(dòng)的物體和人員進(jìn)行快速識(shí)別和跟蹤。采用rfid 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，對(duì)井下人員、設(shè)備進(jìn)行跟蹤定位在一定程度上能夠保障人員生命安全、減少財(cái)產(chǎn)的損失。將閱讀器安裝在井下一些重要的峒室、危險(xiǎn)區(qū)等需要監(jiān)控的地方，分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定。射頻識(shí)別卡可以內(nèi)嵌在安全帽中，無(wú)需附加攜帶裝備。在井下，員工只要穿過(guò)感應(yīng)區(qū)域，閱讀器就將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸電纜傳送到地面中心站，處理后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中?；趓fid 的井下人員定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能［4］：

（1）井下人員查詢功能。實(shí)時(shí)查詢當(dāng)前井下人員的分布情況（分布區(qū)域的大小由閱讀器的分布情況而定）；查詢?nèi)我蝗藛T某一時(shí)刻所處的位置；查詢?nèi)我蝗藛T當(dāng)日或某日的活動(dòng)蹤跡。

（2）安全保障功能。發(fā)現(xiàn)人員丟失或發(fā)現(xiàn)井下人員超過(guò)規(guī)定時(shí)間，自動(dòng)報(bào)警提示并提供相關(guān)人員的名單；對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)被埋人員進(jìn)行搜尋和定位，以便及時(shí)救護(hù)。

（3）統(tǒng)計(jì)考勤功能。對(duì)下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、井下停留時(shí)間等信息分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，便于考核；與此相應(yīng)的中長(zhǎng)期數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和有關(guān)報(bào)表的打印。

（4）信息聯(lián)網(wǎng)功能。作為礦山局域網(wǎng)的信息源，具有功能完善的數(shù)據(jù)庫(kù)?？上騧is 網(wǎng)提供所需與人員有關(guān)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3. 2 礦山井下機(jī)車(chē)定位跟蹤

礦山機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)定位對(duì)拓展礦山軌道網(wǎng)現(xiàn)存容量，提高礦山機(jī)車(chē)的出行密度，提高礦山機(jī)車(chē)運(yùn)作的安全性等都有著重要的意義。準(zhǔn)確地了解每輛機(jī)車(chē)在任一時(shí)刻的位置就等于在任何時(shí)候都能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整機(jī)車(chē)的啟程和到站時(shí)間，并且提高機(jī)車(chē)對(duì)不能預(yù)見(jiàn)情況的反應(yīng)，從而大大提高礦山運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量，有力保障礦山運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

目前，rfid 技術(shù)運(yùn)用于礦山機(jī)車(chē)定位跟蹤系統(tǒng)的技術(shù)已基本形成。廈門(mén)礦通科技有限公司的“ 礦山機(jī)車(chē)定位跟蹤系統(tǒng)”，其工作頻率可達(dá)125khz，使用可讀寫(xiě)標(biāo)簽時(shí)，其閱讀速度可達(dá)300 km/h，并可將有關(guān)信息下載至標(biāo)簽的空閑內(nèi)存中。對(duì)于干線機(jī)車(chē)定位系統(tǒng)，可將無(wú)源標(biāo)簽以100 m 的間距固定于枕木上，標(biāo)簽讀寫(xiě)器及通訊設(shè)備安裝于車(chē)上，并聯(lián)至車(chē)載微機(jī)。該系統(tǒng)由地面信標(biāo)、移動(dòng)讀標(biāo)器、無(wú)線數(shù)傳、可視調(diào)度、無(wú)線對(duì)講、聲光報(bào)警等部分組成。運(yùn)行中，如果兩個(gè)機(jī)車(chē)太靠近（ 小于或等于3個(gè)信標(biāo)器間隔）時(shí)，機(jī)車(chē)變成紅色顯示，如果允許聲音報(bào)警，則同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲。管理員分為3 個(gè)等級(jí)：系統(tǒng)級(jí)、高級(jí)和普通。系統(tǒng)級(jí)管理員可以對(duì)程序進(jìn)行任何操作。高級(jí)管理員可以進(jìn)行除“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”外的其它操作，普通管理員不能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作。每個(gè)管理員都有相應(yīng)的工號(hào)，管理員登錄時(shí)，使用工號(hào)進(jìn)行登錄。系統(tǒng)日志記錄管理員值班信息。當(dāng)以高級(jí)管理員登錄時(shí)，可以保存和清空日志信息。如果要重放機(jī)車(chē)運(yùn)行位置信息，可以使用回放功能。

3. 3 人員進(jìn)出礦區(qū)自動(dòng)識(shí)別管理

對(duì)于礦區(qū)內(nèi)的炸藥庫(kù)等重要安全部門(mén)或設(shè)施，可以運(yùn)用rfid 系統(tǒng)進(jìn)行人員出入自動(dòng)識(shí)別。識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

（1）遠(yuǎn)距離識(shí)別（1 ～ 10 m），免刷卡操作，方便用戶人性化管理；

（2）自動(dòng)記錄人員進(jìn)出時(shí)間、地點(diǎn)信息；

（3）人員進(jìn)出可實(shí)現(xiàn)圖像對(duì)比，有效控制無(wú)關(guān)人員進(jìn)出；

（4）對(duì)射頻卡設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，控制有關(guān)人員可出入的地點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)未授權(quán)卡、失效卡、報(bào)失卡（ 黑名單卡）通過(guò)報(bào)警；

（5）同時(shí)允許多人同行；

（6）可適應(yīng)從高速大范圍到小范圍的各種使用環(huán)境；

（7）采用中低頻對(duì)人體無(wú)傷害的電磁污染；

（8）系統(tǒng)設(shè)備和射頻卡為用戶提供了獨(dú)一無(wú)二的識(shí)別編碼，從根本上消除了復(fù)制、偽造和作弊的現(xiàn)象，從而達(dá)到高度保密；

（9）系統(tǒng)軟件操作簡(jiǎn)單、方便；

（10）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易于維護(hù)。

識(shí)別系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控管理3部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要是遠(yuǎn)距離非接觸采集人員通過(guò)的時(shí)間、地點(diǎn)信息。數(shù)據(jù)傳輸主要是完成出入口與監(jiān)控室之間的網(wǎng)絡(luò)連接。監(jiān)控管理部分主要是對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供完整的通行記錄報(bào)告，生成考勤統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，并實(shí)時(shí)監(jiān)控人員進(jìn)出狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存入硬盤(pán)備查；當(dāng)人員非法進(jìn)入或不按規(guī)定通道進(jìn)出時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)持卡人員進(jìn)出大門(mén)設(shè)置的識(shí)別區(qū)域時(shí)，其隨身攜帶的射頻卡被系統(tǒng)識(shí)別，計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)取該卡的相關(guān)信息，值班人員根據(jù)系統(tǒng)預(yù)存的個(gè)人圖像資料，可判斷該持卡人通過(guò)是否合法有效。當(dāng)無(wú)卡、失效卡、掛失卡人員進(jìn)入識(shí)別區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)不到該人員的信息時(shí)提供報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，rfid 技術(shù)已成為it 業(yè)界的研究熱點(diǎn)，被視為it 業(yè)的下一個(gè)“金礦”。rfid 技術(shù)為礦山安全管理提供了新的有效途徑。目前基于rfid 的礦山安全管理技術(shù)的研究和應(yīng)用仍然處于起步階段，但可以預(yù)見(jiàn)，隨著rfid 技術(shù)的不斷發(fā)展，其在礦山安全管理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用將得到迅速發(fā)展，并將有力推動(dòng)礦山安全管理的技術(shù)變革和創(chuàng)新。