基于微波RFID的礦井人員管控與礦難救援

周人

【摘 要】基于微波RFID，對礦井人員管控、事故預防與礦難救援作了較詳細的介紹和探討，歸納了礦難預防及救援面臨的主要問題，及其解決的思路和方法；提出對礦下人員作多標簽設置，以保證標簽識別應用的可靠性；主張礦下電子標簽具備雙向呼叫的功能，以便危難溝通；對如何保證礦下信息通道暢通，有效實施救援，給出了具體的方法。主張在采礦行業推廣運用基于微波RFID的低成本管控系統，預防事故，顯著促進人員及生產的安全，并加速礦難的救援。

【關鍵詞】RFID；微波標簽；礦井管理；礦山事故；礦難救援

1 微波與RFID

微波是一種電磁波，其波長短，沿直線傳播，具有可見光的性質。微波波長介于無線電波和紅外線輻射之間，頻率在300MHz～300GHz的范圍。人們熟知的微波應用是微波爐、移動通信，以及雷達導航等。微波在大氣中傳播比較穩定，可攜帶較大的信息量。

射頻識別系統（RFID）中的微波頻段應用，其典型工作頻率是433.92MHz、862（902）～928MHz、2.45GHz和5.8GHz。工作在微波頻段的RFID稱為微波RFID，由于大多數RFID是工作在微波頻段，因此微波RFID也簡稱為RFID。

微波RFID的電子標簽同樣分為無源標簽、半無源標簽和有源標簽三類。標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合。閱讀器天線的輻射場為無源標簽提供能量，或將有源標簽喚醒。目前，無源微波電子標簽的應用比較普遍，產品相對集中在902～928MHz頻段上。2.45GHz和5.8GHz的產品，則多是用半無源微波電子標簽。半無源、有源標簽一般用小鈕扣電池供電，有較大的閱讀距離。標簽在工作狀態下，電池有效期達2年以上。工作時，電子標簽必須位于閱讀器天線的輻射場內。

微波RFID的閱讀距離大，一般大于1m，典型值為5～10m，遠距離成熟產品達到100m，最大的已達到150m。[1]

微波電子標簽的技術參數，主要是看是否有源、讀寫距離、是否支持多標簽讀寫、可否高速識別、讀寫器發射微波的功率，以及電子標簽及讀寫器的價格等方面。電子標簽的寫入距離一般小于它的閱讀距離，因為寫入時，需要有較大的微波能量。

標簽閱讀器的天線一般為定向天線，在閱讀器天線定向波束范圍內一定距離的電子標簽，都可被讀寫。在閱讀區域中，可能同時出現很多個電子標簽，需要同時閱讀，這是一種常態。如今先進的射頻識別系統的多標簽識讀，每秒可讀標簽500個以上，是系統的一項重要功能。有源微波電子標簽以時速200Km通過閱讀器，也能被識讀，其防沖突性能好。對于GEN2標準的電子標簽，理論上可以實現每秒1500個的多標簽識讀。

微波電子標簽的數據存貯容量通常在2Kbits以內，更大的存貯容量似乎意義不明顯。從技術及應用的角度看，微波電子標簽不適合作為大量數據的存儲體，其主要功能在于標識物體，并在較大的距離上實現標簽識別。典型的數據容量有：1Kbits，128Bits，64Bits等。由Auto-ID Center制定的產品電子代碼EPC的容量是96Bits。

微波RFID的典型應用有：電子身份識別、移動車輛監控、物流倉儲管理、電子遙控門鎖控制等。相關的國際標準有：ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930 MHz）、-7（433.92 MHz），ANSI NCITS256-1999等。

微波RFID的識別距離遠、識別速度快、穿透力強、抗干擾、防沖突、技術成熟可靠、費用低，是礦井下移動目標管控的理想設備。利用RFID監測并管控井下移動目標，可對井下人員記錄考勤、定位、示警和施救等，加強人員安全；也可記錄礦車等設備的運行狀態，加強生產安全。[2]

2 礦難

礦難是指在采礦過程中發生的嚴重事故，礦難常造成大量人員傷亡。世界上每年有上萬人死于礦難。常見的礦難是：瓦斯突出或爆炸、煤塵爆炸、井下透水、礦井失火、塌方等。

1960年5月9日，新中國建國以來最慘烈的煤塵大爆炸，在我國最大的煤炭基地山西大同礦務局發生。事故死亡679人，被救出的228人中又死亡5人，共死亡684人。[3]近年來，礦井事故仍時有發生。2016年3月23日，山西朔州同生安平煤業公司發生井下安全事故，造成19名礦工遇難。[4]

礦山安全，人命關天，嚴重事故的遇難人數驚人，其經濟損失巨大，社會影響惡劣。礦難發生，礦下人員往往瞬間被掩埋、水淹、窒息，或被封閉在礦井、巷道及某些黑暗而狹小的空間中，部分人當即死亡，而另一部分則危在旦夕。

近幾年發生的一些礦難，在預防及救援方面暴露出的問題主要是：

（1）地面管理部門對井下人員的基本信息不知或不確知。比如：有多少人？是哪些人？

（2）地面不清楚井下人員的動態。比如：人員的分布點、人員移動，以及井下人員作業的實情和變化；

（3）事故突發，措手不及。比如：不知人員的生死，不知其在礦下的準確位置，搶險救人無確切目標，救人的速度慢、效果差等。

礦難需要緊急救援，首先要盡快救出地下的生者或傷者，同時基于人道主義，也需要尋得死者。但生者、傷者、死者是誰？其位置分別在地下何處？當前的狀態如何？在過去的礦難救援中，這些一般都不確知。因為被救援目標的位置不確切，使救援隊的救援帶有較大的盲目性；而為準確探明受難者的位置，要花費巨大的代價，特別是要延誤寶貴的救援時間。公認的黃金救援時間是在72小時以內，延誤的時間越長，受難者的生存率就越小。

3 微波RFID與礦難的預防和救援準備

多數礦難在很大程度上是可以預防的。如果有良好的預防，即使礦難發生，在良好預防的基礎上展開救援，效果也會好得多。礦難的預防和救援準備，首先需要對礦井井下人員實現實時追蹤管控，解決好前述的三個主要問題：

（1）地面管理部門對井下人員的基本信息必須確知。比如：一共有多少人？分別是哪些人？應隨時通過網絡掌握礦下人員的一覽信息，包括姓名、年齡、性別、礦下的工作、工作地點，等等。

（2）地面應清楚井下人員的動態。比如：人員的分布，有過哪些移動？井下人員作業的實情，發生了哪些變化？

（3）盡管事故意外突發，但救援者必須心中有數。比如：礦下人員的生、傷、死情況，受困者的準確位置。要能夠直接針對所知的目標快速救人，并按先易后難、由淺入深、先生后死（先救傷者生者，后掘死者）的原則，因人而異地施救。

因此，微波RFID技術及其管理系統是有效的工具。RFID受溫度、濕度、粉塵、氣壓、瓦斯和其它氣體的影響很小，在完全黑暗的地下礦道也能正常進行無線的長距離識別，對惡劣環境的適應力強。

采用RFID的礦下人員定位監控系統，可隨時判定“人在哪里”。知道人在哪里，就能合理管控，及時發現異?，F象。一旦出現異?，F象，可立即通知到危險區及附近的每一個人，使其緊急避險，迅速撤離。這可顯著增強礦下的安全性，避免部分事故的發生，預防礦難；當事故或礦難發生，系統也可準確掌握受困人員的信息，立即展開救援。保證救援有的放矢、準確及時、高效有序，減輕事故的危害，減少礦難的傷亡。

而基于微波RFID技術的監控系統基本的規劃設計應該是：

（1）標簽設置

RFID監控系統，為每一位工作人員確定一個RFID編碼。對每一位下礦人員配備個人電子標簽（標識卡），記錄其個人信息和工作信息。通常的應用是每人配一個標簽，但由于電子標簽與閱讀器之間的無線信息識別具有一定的方向性，故個人電子標簽宜作多標簽配置，即每人配一個以上的標簽，以避免識別遺漏或標簽本身在事故中失效。多標簽配置一般可把標簽固定在安全帽、工作服、腰帶或工作褲上。電子標簽的成本低，多標簽設置經濟上可行，并使監控更加有效、可靠。對礦下主要的移動設備，也需要設置電子標簽。

（2）雙向呼叫設置

電子標簽需具備呼叫和被呼叫（雙向呼叫）的功能。呼叫在于求救，一般是在標簽上設置呼叫按鍵，被困人員即使傷勢嚴重、奄奄一息，只要還能觸按呼叫按鍵，求救信息就會由標簽主動發出，從而提示被困人員的準確位置，引導救援。被呼叫，是在標簽上設計被管理人員呼叫的提示功能，如蜂鳴、燈閃爍等。如果被困人員得知被呼叫，可通過觸按標簽上的呼叫求救按鍵回應。

被困者在礦難中對呼叫有無回應，是判斷其生、傷、死的關鍵信息。呼叫和被呼叫的功能建立起了危難溝通，實現這類簡捷而必要的設計，在技術上沒有任何困難。

（3）閱讀器和系統設置

在礦井的出入口、主要巷道、工作面、地下的主要場所和主要設備附近，安裝閱讀器，使得礦下人員任何時間在礦下的任何地點，都能夠被閱讀器追蹤識別。

各閱讀器與地面的管理中心和信息管理系統，可采用有線網或無線網聯接。由此，管理中心可不間斷地從網絡獲取礦下閱讀器識別的信息，礦下人員則人人蹤跡清晰。

這樣的系統具有遠距離識別、結構簡單、成本低、功耗低、安全可靠等特點。為保證數據傳輸過程中的安全性，可利用加密算法，一般的加密算法也實現簡單、技術成熟?？紤]到可擴展性，系統的設計應具有一般的通用性。電子標簽可引出全部IO功能接口，以用于各種電子標簽的識別。礦用的閱讀器一般選用IP67等級的防護①，結構堅固耐用。

微波RFID閱讀器可支持多種語言環境，便于編程控制，且易于安裝，即插即用。其擴展通訊接口可包括：USB、RS232、RS422、RS485、Ethernet、Profibus、Profinet、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet等。這些為系統功能的完善和擴展，提供了良好的條件。

基于RFID的監控系統形成了安全管理系統，依靠聯網的閱讀器和電子標簽，管理中心可準確及時地識別人員及設備，合理管控調度，大大降低礦下發生事故的可能性，加強礦下作業人員及生產的安全，對遏制重大事故的發生有顯著的積極作用。

4 礦難救援

有備無患，有備減災。以微波RFID監控系統為基礎，礦難救援也可有條不紊地進行，降低事故的危害程度。

4.1 依據RFID系統直接救援

RFID系統如果沒有被事故破壞或保持部分正常，依據RFID系統在事故前、事故中和事故后對礦下人員和設備的定位信息，可直接展開救援。如果系統接收到受困人員的求救呼叫，則更是目標明確。由于能確知受困人員的位置，救援即可高效快速地展開，人員傷亡也可望減少或避免。

4.2 用便攜式閱讀器即時識別搜救

一般而言，礦難發生后，RFID系統可能會被部分破壞，要對礦下每一個人的準確位置都了如指掌，也會有困難，因而需要采用進一步的補充方法。

礦難發生后，有人受傷、昏迷、被掩埋甚至死亡，也有人被封閉在地下的某個空間。但受難人不論生死，救援人員都可用便攜式的閱讀器，在各處即時搜尋識別受難者。只要他們的電子標簽仍然工作正常，就會有顯著的效果。由于RFID受溫度、濕度、粉塵、氣壓、瓦斯和其它氣體的影響很小，在完全黑暗的地下礦道中也能正常工作，用閱讀器對巷道和事故空間掃描，其輻射場內的標簽信息即刻可得。

對直巷道或較寬敞的空間，閱讀器的作用距離可望達到100米以上；對廢墟或礦渣，礦難的廢墟及礦渣中，通常有大量的縫隙，閱讀器的輻射場可能深入廢墟或礦渣中達數米遠，并獲得電子標簽的信息回應。

用閱讀器即時掃描礦難區域，搜尋電子標簽信息，通過在各處搜尋，可很快確定被困人員的準確位置，支持救援。

4.3 新建信息通道識別搜救

礦難發生后，RFID的信息通道（有線或無線網）可能被破壞或者失效。比如在地下的某個被封閉的空間，有線或無線網可能已無法工作。這時候，就需要新建信息通道，幫助閱讀器的輻射場深入礦難區域，搜尋電子標簽的信息。

新建信息通道的方法之一，是對目標區域人工鉆通小孔，通過小孔，可送入小型化的閱讀器，進而形成RFID新的信息通道。如果在目標區域尚有正常運行的電子標簽，閱讀器一旦掃描，即可讀取該目標的具體信息。

對目標區域人工鉆通小孔，可在目標區域的附近進行，也可在礦外的地面進行。由于鉆孔的孔徑小，工作量不太大，耗時相對較少，故適合采用。

在礦難救援中，生命探測儀也是一種有效的工具，它可以幫助搜救人員迅速準確地發現活著的遇險者，進而實施營救。生命探測儀可把探頭深入到廢墟或礦渣的縫隙中，但只能探測較小的區域。這種探測儀實際上是一個呼吸、心跳、運動或溫差的探測器，是通過探測被探測者的“動”或溫度來判斷。其信號發送器連續發射信號，對附近空間進行掃描；接收器不斷接收反射信號，并對返回信號進行算法處理。

由于人呼吸、心跳的頻率比較固定，一般每分鐘呼吸12-20次，心跳60-100次，故可以把人的動與其他不同頻率的動區分開來。探測儀探測人的移動、溫度并能與其它動物或物體的相區別，其原理也大致如此。[5]

生命探測儀能敏銳地感知非常微弱的運動，但它無法確定目標是幾個人，更無法確定是哪個人或哪幾個人；它能探測到生命的跡象，但有時候可能誤判人與其它生命，比如貓、狗。這有可能導致對其它動物的努力“搜救”。對已遇難者，生命探測儀無能為力。也就是說，要搜尋死者遺體，生命探測儀無效。

所以，在礦難救援中，RFID系統對生者死者均可探知，且系統作用的范圍大，因而具有獨特的優勢。

5 應用實例

為預防礦難、準備救援，微波RFID的基本運用已經在逐步展開。

智利一家礦業公司嘗試用RFID系統在地下銅礦中追蹤礦工。該公司有許多小礦井，分別承包給了不同的開發商。該公司要求在任何時刻都要知道礦工在井下的位置，于是設計了RFID系統。當礦工入井時，要用閱讀器掃描個人的RFID卡，獲取他們的信息。當礦工出礦井時，要再次掃描RFID卡，以確認他出了礦井。

該公司在每個礦井的入口處安裝了4個RFID閱讀器，以判斷礦工的位置和行走方向。管理人員可通過RFID傳回的數據，了解誰在礦井里？什么時候進去的？是哪家分公司的雇員？RFID卡片上還有一個緊急按鈕，礦工按2次就是報告自己遇到麻煩了。如發生事故，管理中心的屏幕上會顯示礦井內所有礦工的位置，施救人員可據此及時施救。在緊急情況下，礦井的電源可能被切斷，但RFID系統仍然可以運行。該系統有一個備用電源，可在事故發生后繼續工作48小時。[6]

河南的義煤集團孟津煤礦，2006年7月29日發生重大煤與瓦斯突出事故，死亡8人，直接經濟損失412.76萬元。2011年4月，該礦安裝了KJ222型礦用人員定位安全管理系統。該系統采用RFID技術，能準確地將井下各區域人員的動態，及時反映到地面的計算機管理系統，使管理人員能隨時掌握井下人員的分布狀況和每個礦工入井、升井的時間，及在井下的運動軌跡，并進行合理的調度管理。若事故發生，救援人員可根據井下人員定位系統所提供的數據、圖示，準確確定有關人員的位置，及時救援，這使該礦的安全管理水平大大提高。[7]

云南某銅礦，地下作業區的范圍大，作業人員流動性大，利用RFID技術與RSSI定位算法，實現了對人員的定位。系統分別在中央變電所、風機房、配電硐室設置分站，在采礦監控中心設置主站，各井下分站及地面主站通過礦用環網接入器組建了光纖冗余主干環網，系統運行的效果良好。[8]

運用RFID技術的礦山人員追蹤定位系統，已在我國的山西、遼寧、貴州、內蒙古等地試用。依據有關的成功經驗，全國也在逐步推廣。

6 結束語

微波信號的穿透力強、環境適應性強，安全保密性能好，對人體基本無電磁污染。

把微波電子標簽設置在物體上，通過非接觸的無線方式，可遠距離進行電子標簽內信息的讀寫，實現對人、車、物在靜止或移動狀態下的自動識別，從而實現對目標位置和狀態的及時掌握和管控；可采用雙頻實現可靠的全雙工通信，也可根據需要調整系統的識別范圍，識別基本無盲區。

采礦行業需要重視微波RFID技術及其應用的經驗。利用微波RFID易于建立礦下安全信息系統，此管理系統把微波RFID、網絡通訊技術和自動控制技術相結合，實現礦井下人員的實時跟蹤管控，可有力地促進礦山人員的安全管理，且成本很低。利用RFID積極預防礦難，或在礦難突發后有條不紊地進行礦難救援，都是很有經濟和社會意義的。

【參考文獻】

[1]上海環極信息技術有限公司.有源微波遠距離讀寫器[EB/OL].http：//www.bornlead.com，2016-6-1.

[2]趙海濤，逄明祥，鄭豐隆，王鳳瑛.基于射頻識別的礦車定位監測系統[J].煤礦機械，2010（11）.

[3]孫寶福.同煤集團“五·九”安全教育館落成[N].中國煤炭報，2005-10-1.

[4]國家安全生產監督管理總局.山西省朔州市山陰縣同煤集團安平煤礦發生冒頂事故[EB/OL]. http：//www.chinasafety.gov.cn/，2016-3-24.

[5]侯培國，李寧，宋濤生.命探測技術研究現狀與發展[J].傳感器與微系統，2014（6）.

[6]高育紅.“地震指紋”指路，無線射頻定位[N].中國安全生產報，2009-9-8.

[7]王保民.KJ222型礦用人員定位安全管理系統在孟津煤礦的應用[J].科技促進發展，2011（6）.

[8]李海濤，范紅衛.云南某銅礦地下人員定位系統[J].有色金屬工程，2014（4）.

注釋：

①IP （International Protection code）是定義一個界面對液態和固態微粒的防護能力。IP67能防塵吸入，防短暫浸泡，是目前在布線行業實用的最高等級。

[責任編輯：李書培]