礦用井下人員管理系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

畢艷梅　金亞?wèn)|　鄧子超

【摘 要】針對(duì)煤礦現(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)所使用的組網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)收發(fā)技術(shù)，對(duì)他們進(jìn)行了技術(shù)比較，并提出一種有著明顯優(yōu)勢(shì)的通信模式。介紹了基于遠(yuǎn)距離RS485組網(wǎng)技術(shù)和RFID握手式通信技術(shù)解決方案。

【關(guān)鍵詞】煤礦；RFID；人員定位；雙向握手通信；KJ351

0 緒論

煤礦井下人員管理系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的直接關(guān)懷下，各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷努力，特別是AQ6210—2007國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定和強(qiáng)制執(zhí)行，加上近年來(lái)電子技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，煤礦井下人員管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成功，具備了良好的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)有不少科研單位和企業(yè)都生產(chǎn)了“井下人員定位系統(tǒng)（井下人員管理系統(tǒng)）”，系統(tǒng)有效解決了煤礦井下作業(yè)人員出入井考勤統(tǒng)計(jì)、井下各區(qū)域作業(yè)人員分布實(shí)時(shí)跟蹤、發(fā)生事故時(shí)對(duì)井下受困作業(yè)人員的準(zhǔn)確清點(diǎn)等問(wèn)題。

1 煤礦井下人員管理系統(tǒng)（井下人員定位系統(tǒng)）發(fā)展歷程

煤礦人員管理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：巡更系統(tǒng)、IC卡考勤系統(tǒng)、基于RFID有源射頻識(shí)別技術(shù)的人員管理系統(tǒng)。

1.1 巡更系統(tǒng)

巡更系統(tǒng)是將特制的信息鈕安置于指定的巡檢線(xiàn)路上，巡查員沿途巡檢，用巡更棒依次碰觸（閱讀）信息鈕，信息便“拷貝”到巡更棒中。管理人員通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)讀解巡更棒中的信息，還原巡檢員的歷史巡檢活動(dòng)。

1.2 IC卡考勤系統(tǒng)

以IC卡為代表的人員考勤系統(tǒng)一度廣泛應(yīng)用于煤礦作業(yè)人員考勤管理工作。煤礦在各個(gè)區(qū)域安裝讀卡器，并為人員配發(fā)IC卡，作業(yè)人員經(jīng)過(guò)讀卡器須逐個(gè)將識(shí)別卡靠近或觸碰讀卡器，即刷卡。

1.3 基于RFID有源射頻識(shí)別技術(shù)的人員管理系統(tǒng)

RFID是利用無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信， 進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別并交換信息的目的。無(wú)源RFID讀卡距離近，識(shí)別率低，讀卡速度慢；而有源RFID卡使用獨(dú)立電池供電，發(fā)射距離遠(yuǎn)，識(shí)別率高，只需攜卡正常通過(guò)分站信號(hào)范圍，分站便能自動(dòng)捕捉到識(shí)別卡信息，同時(shí)傳輸?shù)降孛娼K端。

2 井下人員管理系統(tǒng)的構(gòu)成和主要功能概述

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

目前各科研單位和企業(yè)所開(kāi)發(fā)研制的煤礦井下人員管理系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看基本上都是由地面終端設(shè)備、傳輸介質(zhì)和中繼設(shè)備、井下分站、便攜式識(shí)別卡等幾部分組成。

2.2 系統(tǒng)主要功能

煤礦井下人員管理系統(tǒng)須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)安裝方案，一般在主要控制出入和有監(jiān)控要求的地點(diǎn)安裝分站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)將分站與地面終端連接調(diào)試，確保通信正常。所有下井人員配發(fā)識(shí)別卡，識(shí)別卡身份唯一，并在地面終端登記。

當(dāng)識(shí)別卡通過(guò)或接近安裝在井下的分站，分站捕獲識(shí)別卡信號(hào)并上傳，地面終端與識(shí)別卡登記信息對(duì)比校驗(yàn)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)記錄。通過(guò)操作中心控制軟件，可顯示某一分站內(nèi)所有作業(yè)人員、顯示由若干分站組成的區(qū)域內(nèi)所有作業(yè)人員、查詢(xún)持卡人當(dāng)前位置、部門(mén)人員分布、時(shí)間段下井次數(shù)和工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)、特殊作業(yè)人員巡檢情況、設(shè)備故障報(bào)警、識(shí)別卡電量、作業(yè)人員超時(shí)超員報(bào)警信息等。

系統(tǒng)常見(jiàn)的主要功能有：

（1）查詢(xún)當(dāng)前井下人員分布。顯示分站安裝位置、每個(gè)分站下識(shí)別卡數(shù)量和井下識(shí)別卡總數(shù)。作業(yè)人員由一個(gè)讀卡區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)讀卡區(qū)域時(shí)實(shí)時(shí)更新，點(diǎn)擊分站圖標(biāo)可顯示該分站當(dāng)前所有識(shí)別卡信息。

（2）查詢(xún)作業(yè)人員當(dāng)前位置。輸入人員姓名或識(shí)別卡號(hào)，軟件顯示當(dāng)前人員所處位置和下井行動(dòng)軌跡；輸入部門(mén)信息，顯示該部門(mén)所有井下作業(yè)人員分布情況。

（3）井下人員跟蹤查詢(xún)。軟件可在圖上以動(dòng)畫(huà)或小圖標(biāo)活動(dòng)的方式動(dòng)態(tài)顯示該名人員下井行動(dòng)軌跡。

（4）統(tǒng)計(jì)查詢(xún)進(jìn)入特殊區(qū)域人員。對(duì)于一些危險(xiǎn)區(qū)域，若有非法進(jìn)入記錄，可提供實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史信息記錄查詢(xún)。

（5）報(bào)警信息的顯示與查詢(xún)。對(duì)于某些報(bào)警條件進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)井下實(shí)時(shí)信息與系統(tǒng)設(shè)定報(bào)警條件沖突時(shí)，系統(tǒng)中心控制軟件實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警信息同時(shí)保存到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，可根據(jù)檢索條件查詢(xún)歷史報(bào)警信息。

（6）井下人員考勤管理。根據(jù)檢索條件查詢(xún)井下作業(yè)人員在某時(shí)間段內(nèi)上下井時(shí)間、進(jìn)入離開(kāi)某讀卡分站范圍時(shí)間、井下作業(yè)總工作時(shí)間等信息。

3 KJ351煤礦井下人員管理系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

KJ351煤礦井下人員管理系統(tǒng)讀卡方式類(lèi)似于傳統(tǒng)的RFID無(wú)源卡片方式，讀卡分站采用主叫方式，人員標(biāo)識(shí)卡被動(dòng)響應(yīng)讀卡請(qǐng)求。

（1）讀卡分站不斷發(fā)送尋卡指令。人員標(biāo)識(shí)卡只有在讀卡分站的尋卡范圍內(nèi)，才能被喚醒工作。在讀卡分站的尋卡范圍外，人員標(biāo)識(shí)卡片一直處于待機(jī)狀態(tài)。

（2）使用2.4G高速通訊技術(shù)，減少單次數(shù)據(jù)交換時(shí)間。單次數(shù)據(jù)交換僅在50us內(nèi)完成。

（3）跳頻能力。KJ351煤礦井下人員管理系統(tǒng)采用DSSS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)64頻段跳頻。當(dāng)某一頻段工作不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)按照一定規(guī)則進(jìn)行跳頻，更換通訊頻率，再度握手通訊。

（4）讀卡分站與人員標(biāo)識(shí)卡之間雙向數(shù)據(jù)握手，互相確認(rèn)對(duì)方存在，數(shù)據(jù)正確。

（5）人員標(biāo)識(shí)卡被讀卡分站正確讀取后，不再繼續(xù)讀取，卡片自動(dòng)關(guān)閉。只要在當(dāng)前讀卡器的尋卡范圍內(nèi)，本張卡片不再作任何響應(yīng)，只有其他讀卡分站才能喚醒本張卡片繼續(xù)工作。這樣，正確讀取一張人員標(biāo)識(shí)卡就關(guān)閉的方式，保證已讀取的人員標(biāo)識(shí)卡不會(huì)影響后序人員標(biāo)識(shí)卡的讀取。這樣，無(wú)形中增加了并發(fā)數(shù)量，實(shí)際上是讀一張就關(guān)閉的方式，不存在并發(fā)讀取問(wèn)題。

（6）按時(shí)隙分配上卡周期，減少讀卡沖突次數(shù)，類(lèi)似于手機(jī)系統(tǒng)的分時(shí)復(fù)用概念。在一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)，最多只有10張卡片進(jìn)行反碰撞，這10張反碰撞的人員標(biāo)識(shí)卡，采用CSCD/MA技術(shù)，利用在計(jì)算機(jī)上計(jì)算好的偽隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行反沖突分配，用盡量亂的數(shù)據(jù)，在歐氏空間距離上盡量遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞。實(shí)現(xiàn)反沖突，降低數(shù)據(jù)沖突的可能性。

（7）人員識(shí)別卡在讀卡分站的尋卡范圍內(nèi)，人員標(biāo)識(shí)卡不斷與讀卡分站交換數(shù)據(jù)，直到交換成功為至。

（8）容錯(cuò)能力強(qiáng)，當(dāng)人員標(biāo)識(shí)卡檢測(cè)到干擾后，自動(dòng)重新復(fù)位系統(tǒng)，重新工作。

（9）人員標(biāo)識(shí)卡片具備電壓管理能力，當(dāng)人員標(biāo)識(shí)卡片電池電壓下降時(shí)，及時(shí)能過(guò)計(jì)算機(jī)報(bào)警使用者更換電池。

（10）靈活的硬件狗能力，當(dāng)人員標(biāo)識(shí)卡片出現(xiàn)強(qiáng)干擾，程序進(jìn)入軟件陷井后，自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

（11）低功耗設(shè)計(jì)

KJ351煤礦井下人員管理系統(tǒng)采用雙向通訊方式，這樣在空間內(nèi)，因通訊環(huán)境不同，波的反射、繞射、折射、衍射等行為，都能影響至通訊距離。形成的讀卡分站與人員標(biāo)識(shí)卡的不對(duì)等通訊區(qū)域，出現(xiàn)死區(qū)內(nèi)功耗大的情況。如何解決這一問(wèn)題，我們將通訊范圍分為三個(gè)區(qū)域?？煽客ㄓ崊^(qū)，不可靠通訊區(qū)和不能通訊區(qū)。

在不能通訊區(qū)和不可靠通訊區(qū)，人員標(biāo)識(shí)卡根本不響應(yīng)讀卡分站的請(qǐng)求。只有在可靠通訊區(qū)，讀卡分站才能打開(kāi)人員標(biāo)識(shí)卡。這樣，在盡量小的讀卡范圍內(nèi)，盡快讀取人員標(biāo)識(shí)卡數(shù)據(jù)。讀取完畢后，立即關(guān)閉人員標(biāo)識(shí)卡，并且不在響應(yīng)本讀卡分站的任何指令。直到下一個(gè)分站才能喚醒卡片。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，本方法省電、上卡可靠。能夠在4.26ms內(nèi)完成人員標(biāo)識(shí)卡數(shù)據(jù)交換。實(shí)測(cè)人員標(biāo)識(shí)卡上卡功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待機(jī)功耗，而待機(jī)功耗僅為4uA。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述。KJ351煤礦井下人員管理系統(tǒng)很好地解決了低功耗、不漏卡問(wèn)題；該系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)距離RS485技術(shù)能很好地滿(mǎn)足大中型煤礦巷道復(fù)雜，傳輸距離遠(yuǎn)的問(wèn)題；采用無(wú)線(xiàn)握手通信技術(shù)能很好地解決煤礦人員集中、讀卡信息量大等問(wèn)題，真正做到人員區(qū)域性定位，井下區(qū)域人數(shù)管理，下井總?cè)藬?shù)管理，帶班領(lǐng)導(dǎo)下井統(tǒng)計(jì)等功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]【國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)】AQ 6210-2007煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S].2007，03.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]