【正文】 ........................ 46 附錄 ........................................................................................................................... 47 5 引言 我國礦井地質(zhì)情況復雜，危險性事故頻頻發(fā)生，直接威脅著礦工的人身安全，因此煤礦安全生產(chǎn)管理是一個迫在眉睫急需解決的重大問題。在正常的日常生產(chǎn)活動中，有效的管理系統(tǒng)能夠帶來較高的勞動效率，在災害發(fā)生時，管理系統(tǒng)所記錄的人員最后的位置，將對及時的營救起到至關重要的作用。射頻識別技術 (RadioFrequencyID，簡稱 RFID)通過射頻信號自動識別目標，并獲取相關數(shù)據(jù)，己在煤礦安全管理中嶄露頭角。那就能在事故救援時，及時準確地了解井下的人員分布情況和比較準確的位置，使救援工作做到目標定位準確、速 度快、針對性強。然而該技術在煤炭行業(yè)中的應用才剛剛開始，應用前景廣闊。 第一章 緒論 課題的提出 目前我國的煤炭產(chǎn)量居世界第一位。我國煤層自然賦存條件復雜多變，影響煤 礦安全生產(chǎn)的因素眾多，水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害時刻都在威脅礦井工作人員的生命安全，都可能是造成事故的客觀因素，礦井重大災害及傷亡事故隨時都有可能發(fā)生。近幾年，隨著國民經(jīng)濟對能源的需求增大，煤炭行業(yè)的開始復蘇，我國煤炭開采在規(guī)模和產(chǎn)量上都逐年擴大，但是通過以上觸目驚心的數(shù)據(jù)我們卻看到煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)的形勢非常嚴峻，造成的損失是極其慘重的。 實際上，這些事故的發(fā)生不是偶然的，它是煤礦生產(chǎn)過程中存在問題的集中暴露，涉及許多方面。更讓人擔憂的是，煤礦井下普遍存在入井人員管理困難，難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災、安全救護的效率低。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。二是生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測 :監(jiān)測主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設備的運行狀態(tài)，如煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機、扇風機、壓風機、膠帶輸送機、采煤機等運行狀態(tài)和參數(shù)等運行狀態(tài)和參數(shù)。 礦難事故發(fā)生后，對遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務，決策指揮人員必須全面分析災情及其災變趨勢，迅速組織偵察工作，準確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險人員數(shù)量和所在位置，以最快的速度、最短的路線進入災區(qū)，營救災區(qū)遇險人員。特別是在搜尋井下遇險人員的過程中，救護隊員只能依靠反映礦井現(xiàn)實情況的有關圖紙以及事故現(xiàn)場偵察得來的各種信息展開搶救工作。面對我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢，用高新技術和先進實用技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增加科技含量，促進產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇。 選題的意義 煤礦的現(xiàn)代化管理和煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)舉足輕重的大事。長期以來，大部分礦井，尤其是現(xiàn)代化的礦井，井下都是連續(xù)生產(chǎn)，然而煤礦井下的員工狀況如何，一直是較難查清的問題。 隨著無線通信、自動識別和計算機網(wǎng)絡技術在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測應用領域中的不斷發(fā)展，如何確定災害事故中遇險人員的具體情況和分布位置得到進一步地解決。利用射頻識別技術對井下人員進行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準確了解井下遇險人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時間，還可以用于煤礦的日?？记?、生產(chǎn)調(diào)度等方面。 本文設計的定位系統(tǒng)是需要深入到環(huán)境 十分復雜的煤礦井下工作，在設計方案時，除了考慮其功能外，在穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、容錯能力及異常保護等方面也進行了充分考慮。于是在地面也能及時的了解到井下各個區(qū)域的人員狀況。平時用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策，使生產(chǎn)指揮高效。 隨著數(shù)字化時代的深入，基于遠程信息化網(wǎng)絡管理技術的社會需求， RFID 技術在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中將發(fā)揮越來越重要的作用，在礦井的防災、減災以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重大的作用，而高性能的計算機礦井監(jiān)測系統(tǒng)的應用前景尤為的廣闊。 此外，以美 國、日本和歐洲等發(fā)達國家對 RFID 技術的研究和應用已達到相當高的水平，并且產(chǎn)生了相當?shù)慕?jīng)濟效益，而我國起步較晚，大多采用引進的技術成果，需要對 RFID 技術的研究和應用增加投入。因此，對 RF功技術的深入研究具有深遠的理論意義。隨著射頻識別技術的興起，國外也加快了這一領域的發(fā)展，并成功地將其應用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。戴維斯德比公司在地面和井下 RFID 系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務等方面，已擁有十幾年的豐富經(jīng)驗 。在南非的德里方月 (Driefontayne)礦，安裝了 一種人員跟蹤系統(tǒng)，它使用由澳大利亞 ISD 公司制造的一種射頻識別系統(tǒng)源信標 。 1990 年 8月，美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界唯 一 一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng) (PED，即 Personal Emergeney Device 系統(tǒng) )在悉尼附近的一所煤礦投入使用。該系統(tǒng)能夠提供一些預先編制好的緊急信息，這些信息在緊急情況出現(xiàn) 時自動生成。這些警告信息由礦井工作人員預先指定，在緊急情況發(fā)生時，可以在最短的時間內(nèi)，將替告發(fā)送給井下全部或相應的工作人員。為了加快實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦，如美國的 SCADA 系統(tǒng)、英國的 MINOS 系 統(tǒng)、德國的 TF2OO 系統(tǒng)、法國的 CTT63/40/u 系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用，也為我國研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。 1998 年，人同礦務局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套 PED 系統(tǒng)。 80 年代后期，在引進外國設備的同時，消化、吸收了制造 技術，并結合我國煤礦的實際情況，先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng)，如 KJ1， KJ2， KJ4， A1， KJ10， KJll， KJ22， KT， KJ95 及焦作工學院研制的 KJ93 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，并在我國煤礦大批使用，有的系統(tǒng)已達到國際先進水平。 隨著自動識別技術在國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應用，國內(nèi)一些煤炭科研機構不斷推出新一代的人員自動識別系統(tǒng)，并成功應用于下井人員的管理。人員識別系統(tǒng)從最初的條形碼、光電孔卡式到現(xiàn)在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同，這些技術裝備利用不同的識別原理對下井人員進行監(jiān)控、記錄。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)在完成了全部開發(fā)設計、樣機生產(chǎn)加工、實驗室性能測試和防爆檢測檢驗后 ，成套產(chǎn)品于 2020 年 10 月在重慶松藻煤電集團公司二礦、西山焦煤集團屯蘭礦、山西離柳焦煤集團有限公司朱家店煤礦第二坑口等地進行了現(xiàn)場安裝和工業(yè)性試驗。Tec )為專業(yè)致力于 RFID 產(chǎn)品戰(zhàn)略研究的高科技公司。 發(fā)展趨勢 RFID射頻識別技術已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨立跨學科的專業(yè)領域。過去的十多年， RFID射頻識別技術得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應用領域。 總體而言， RFID射頻識別技術當前發(fā)展趨于標準化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。讀寫器性能將達到：多功能（與條碼識讀集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等）；智能多天線端口；多種數(shù)據(jù)接口（ RS232， RS422／ 485， USB，紅外，以太網(wǎng)口）；多制式兼容（兼容讀寫多種標簽類型）；小型化、便攜式和嵌入式，以及模塊化；多頻段兼容；成本更低。標準化將達 到：標準化基礎性研究更深入，也更成熟；標準化為更多企業(yè)所接受。自 2020年起， RFID射頻識別技術單品級應用是全球最大的 RFID射頻識別技術應用市場。如果目前有關 RFID電子標簽的單個條款能得到廣泛接納， RFID射頻識別技術單品級的應用市場份額有可能遠遠超過這個數(shù)字 —— 1年中將有超過萬億的郵件使用 RFID電子標簽。國際郵聯(lián)目前已經(jīng)做出決議，并且正在積極推進高效、低成本的 RFID射頻識別技術解決方案在世界各國郵政監(jiān)管中的應用。 存在的主要問題 近幾年，國外己經(jīng)成功地將無線通訊和遙測監(jiān)測技術應用到事故搶險中人員搜尋、定位和急救上，但在國內(nèi)因地質(zhì)條件限制和技術方面的不成熟，成功開發(fā)的實例并不多。在引進吸收國外先進技術的基礎上，國產(chǎn)的 KT6 等多種泄漏通信設備也相繼問世，但是它們大都存在不足 : （ 1）成本高、推廣程度低 國內(nèi)曾先后引進國外先進的人員監(jiān)測設備，收效 尚好。像美國安菲斯公司與煤炭部安全司、中國國際技術咨詢公司連手在大同礦務局的大同煤峪口礦安裝了中國第一套 PED 系統(tǒng)后就很少在其它煤礦企業(yè)得到應用。國內(nèi)自行研制的通訊設備針對各個煤礦的具體情況，通用性不夠。 目前國內(nèi)大部分礦井還只能通過傳統(tǒng)礦燈管理等考勤方式來了解下井人員的數(shù)量和情況。通過查閱資料和現(xiàn)場調(diào)研，我發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題 : （ 1）無法實現(xiàn)對作業(yè)人員的情況進行實時監(jiān)測井下人員跟蹤定位系統(tǒng)要求地面監(jiān)測人員能夠了解井下任一區(qū)域、任一時刻人員分布的具體情況。 （ 2）考勤時間長、效率低 國內(nèi)一些煤炭科研機構曾利用紅外線編碼識別技術自行研 制了井下人員識別裝置，彌補井下人員監(jiān)測的不足。 （ 3）維護量大，成本高 像紅外線編碼識別技術需要系統(tǒng)對礦燈進行改造和維護，工作量均比較大。 (4)利用 RS485 總線進行井下通信不夠靈活 現(xiàn)有煤礦井下人員定位系統(tǒng)通信方式大都采用 RS485 總線，而恰恰是這種半雙工通信的方式?jīng)Q定了該系統(tǒng)僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，不能實時修改井下某監(jiān)控接點信息，不 夠靈活。 11 論文的研究任務和工作 本研究的目的是利用射頻識別技術來設計一個井下人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)人員自動化管理，并為災難發(fā)生時提供可靠的人員位置信息?；诖四康模疚陌颜麄€課題的研究任務分為以下三個部分來完成 : RFID 技術研究 這個部分重點介紹了射頻識別系統(tǒng)的原理組成、 工作方式以及射頻識別技術的物理基礎 。 閱讀器研究 閱讀器是整個應用系統(tǒng)的核心，沒有它，根本不能談應用。在硬件模塊中，按照閱讀器的組成對閱讀器的高頻接口、控制單元以及所使用的天線類型分別進行研究?？刂茊卧O計主要完成單片機與外圍通信接口的研究 。閱讀器軟件設計主要完成閱讀器與電子標簽的通信流程設計。首先，制定了應用程序的整體框架并使用 MFC 中的MSC0MM 控件完成 PC 機與閱讀器的通信 。 論文的結構安排 第 1 章簡要介紹了 RFID 的發(fā)展歷史和當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時對我國煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀進行了分析。將 RFID射頻識別技術應用于礦井人員定位，對提高煤礦的信息化管理水平，和災害發(fā)生時對井下人員的準確定位以便實施有效的救援具有理論和實際意義。 第 3 章對 RFID 的技術研究做了詳細的介紹，然后分別對電子標簽和閱讀器展開了闡述，并且詳細的探討了電子標簽的選型，工作頻率的選取，以及標簽的成本等。 第 4 章 是對井下系統(tǒng)的設計，主要是電子標簽和閱讀器的軟硬件設 計。 第 5 章是 RFID 系統(tǒng) 井上部分的 設計，在系統(tǒng)分析部分給出了算法流程圖和仿真結果，標簽分析，閱讀器與標簽通信模型，系統(tǒng)組網(wǎng)分析，以及操作可行性分析。在數(shù)據(jù)庫部分介紹了數(shù)據(jù)庫訪問技術，針對井下人員定位的需要進行了數(shù)據(jù)庫需求分析和邏輯設計。 最后對論文進行了總結和展望。 13 第二章 總體方案設計 確定總體結構方案 整個礦井目標監(jiān)控與定位系統(tǒng)由兩大部分組成，分為井上控制系統(tǒng)和井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。井下主要由采集站、 閱讀器、 電子 標簽 、防爆電源等組成。系統(tǒng)組成框圖見圖 21 圖 21礦井監(jiān)控與定位系統(tǒng)結構圖 工作流程 大體工作過程為：在井下入口、巷道、作業(yè)面的交叉 道口等需要監(jiān)控的主要位置安裝一定數(shù)量的檢測站點 ,安裝在礦燈上的員工 標簽 （即電子標簽），定時向采集站發(fā)出具有代表身份特征的射頻信號，同時在程序的控制下，閱讀器也不斷的將采集的瓦斯?jié)舛燃爱斍暗臏囟鹊拳h(huán)境數(shù)據(jù)，通過 CAN 總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面中心站，中心站接井上部分 井下采集站 1 ……… 井下部分 井下采集站 n ……… 閱讀器 1 閱讀器 n 標簽 n 標簽 1 ……… WidowsXP+VC++ SQL server 數(shù)據(jù)庫 信息傳輸接口 收到來自采集分站上的時間、位置和動目標特征的數(shù)據(jù)編碼信號后，作進一步地分析處理，形成各種文件和圖表，并發(fā)布到網(wǎng)上，使管理人員能及時準確地查詢各種信息。 整個系統(tǒng)又可分為井上部分和井下部分兩個部分來介紹。 井上部分 由中心站主機與傳輸接口組成的井上部分，主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為實時監(jiān)控子系統(tǒng)與信息管理子系統(tǒng)，具體將在下面的軟件設計中介紹。