基于RFID的礦業(yè)物流管理系統(tǒng)研究

摘要：基于射頻技術(shù)的特點(diǎn)，針對提高礦業(yè)井下安全，預(yù)防礦井災(zāi)害的目的，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于RFID的礦業(yè)物流管理系統(tǒng)，采用了無線射頻非接觸式RFID為基礎(chǔ)的礦業(yè)物流管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對礦井下遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理能夠在不同狀態(tài)(移動(dòng)或靜止)下自動(dòng)識別。通過井下人員和物資的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息識別獲取，以達(dá)到實(shí)時(shí)管理的目的。通過煤礦應(yīng)用證明：該煤礦安全事故同比下降96％，有效降低井下安全事故和責(zé)任事故的發(fā)生，并能達(dá)到預(yù)防礦井災(zāi)害的成效。
關(guān)鍵詞：RFID；物流；礦業(yè)；管理系統(tǒng)

    礦業(yè)物流管理有人員管理和安全物資管理。人員管理首先是日常作業(yè)管理，包括考勤、出入管理、井下人員跟蹤定位等；其次是緊急情況管理，即災(zāi)害事故預(yù)防，責(zé)任事故預(yù)防，災(zāi)害事故后人員定位、搜索、救護(hù)等。安全物資指雷管、炸藥等易燃易爆且對存放、使用有特殊要求的物資。
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國礦業(yè)開采以及巷道掘進(jìn)主要采用爆破方法，機(jī)械化掘進(jìn)尺只占5％，所以安全物資在生產(chǎn)過程中應(yīng)用數(shù)量及大，其管理水平直接影響安全生產(chǎn)狀況。目前國內(nèi)礦業(yè)物流管理仍以經(jīng)驗(yàn)管理、人工管理為主，災(zāi)害、事故發(fā)生率居高不下。此外，礦井下多塵、潮濕等惡劣環(huán)境因素造成人員、物資缺乏可靠的跟蹤管理手段。針對這種情況，利用RFID(射頻識別技術(shù))非接觸遠(yuǎn)距離識別、多目標(biāo)識別、環(huán)境敏感性低、標(biāo)簽數(shù)據(jù)容量大、標(biāo)簽可讀寫等特點(diǎn)，以其為關(guān)鍵技術(shù)且與計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、信息管理技術(shù)有效結(jié)合的礦業(yè)物流管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員、物資的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理，改變礦業(yè)安全管理狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成
1．1 系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)由井下數(shù)據(jù)采集傳輸單元和地面控制管理單元組成，中間為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。礦井下數(shù)據(jù)采集傳輸單元基本組成元件為射頻標(biāo)簽、閱讀器、天線和中間件。系統(tǒng)工作原理為閱讀器通過天線發(fā)射電磁波，射頻標(biāo)簽經(jīng)自身天線接收電磁波后，或者依靠電感能量(無源)，或者依靠自身能量(有源)將所存儲(chǔ)信息發(fā)射回去。信息包括ID、身份標(biāo)識等靜態(tài)信息和環(huán)境、位置等動(dòng)態(tài)信息。閱讀器接收信號并經(jīng)中間件處理后，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給井上數(shù)據(jù)庫，經(jīng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)調(diào)用解析后，實(shí)現(xiàn)人員監(jiān)控、事故預(yù)警、安全物資監(jiān)控、中央控制、遠(yuǎn)程領(lǐng)導(dǎo)查詢等各種應(yīng)用。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    1)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)地面工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器間選取傳統(tǒng)的C／S體系結(jié)構(gòu)。用戶界面、管理系統(tǒng)軟件存放在工作站上，而數(shù)據(jù)庫訪問及后臺(tái)操作則由服務(wù)器來完成。
    2)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸接口采用標(biāo)準(zhǔn)RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太網(wǎng)和無線WLAN接口。傳輸網(wǎng)絡(luò)盡量采用井下已有的安全監(jiān)控系統(tǒng)信道、通信光纜等，在保護(hù)原有投資基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)功能提升。
    3)射頻標(biāo)簽選擇射頻標(biāo)簽工作頻率分為低頻(100～500 kHz)、中頻、高頻(13．56 MHz)、超高頻(860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若頻率高，則識別距離大，通信速度快，抗噪能力強(qiáng)，但對障礙物(如液體)的穿透性、方向敏感性不如低頻。因此，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，井下采用工作頻率為低頻和超高頻的雙頻標(biāo)簽。
    4)礦井下物流管理閱讀器布置原則 礦井下物資和人員的跟蹤可靠性，是基于RFID的礦井下物流管理系統(tǒng)是否能取得理想效果的關(guān)健，而閱讀器的布置直接影響井下物資、人員的跟蹤精度。閱讀器布置應(yīng)遵循以下原則：
    ①重點(diǎn)巷道連續(xù)布置 井下車場、人員物資必經(jīng)巷道連續(xù)布置閱讀器?？紤]成本，布置間隔以滿足跟蹤精度為依據(jù)，在此前提下盡量減少布置數(shù)目。
    ②重點(diǎn)設(shè)備、危險(xiǎn)地段必須布置 帶式輸送機(jī)主機(jī)、翻斗等有自然發(fā)火預(yù)兆的重點(diǎn)設(shè)備，除安裝監(jiān)測設(shè)備外，應(yīng)與RFID閱讀器關(guān)聯(lián)以實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警。爆破材料庫、油庫、瓦斯區(qū)、封閉火區(qū)等危險(xiǎn)地段必須布置閱讀器。
    ③工作面、必經(jīng)巷道雙向布置 在綜采煤工作面這種既有入口又有出口的地段，相關(guān)位置應(yīng)雙向布置閱讀器。對于1條巷道內(nèi)有多個(gè)采面的情況，將采面集中劃分區(qū)域，在區(qū)域出入巷道安裝閱讀器實(shí)行區(qū)域管理。掘進(jìn)面只在入口處布置閱讀器即可實(shí)現(xiàn)人員的定位、跟蹤。
    ④合理布置臨時(shí)、手持式閱讀器 在冒頂危險(xiǎn)區(qū)、放炮警戒處、巷道維修地段、臨時(shí)禁止通行地段，布置臨時(shí)、手持式閱讀器進(jìn)行人員監(jiān)控。
    ⑤安裝位置易于裝拆 由于采面采礦任務(wù)完成后要落頂封巷，生產(chǎn)任務(wù)完成后愿架設(shè)閱讀器要拆卸，重新布置在新開采面。因此，閱讀器的安裝應(yīng)遵循易于裝拆的原則。
1．3 RFID防碰撞算法
    RFID防碰撞算法對于提高礦井下物資和人員的跟蹤可靠性是關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)采用的為行鏈路多標(biāo)簽沖突檢測算法，此算法僅需在電子標(biāo)簽中配置1個(gè)8位寄存器、1個(gè)1位“0”、“1”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和2個(gè)4位加減1計(jì)數(shù)器以及少量選擇電路就能實(shí)現(xiàn)最多達(dá)1 048 576個(gè)標(biāo)簽的仲裁。仿真表明本算法產(chǎn)生的碰撞概率明顯小于二進(jìn)制數(shù)算法，同時(shí)通過寄存器高位的靈活設(shè)置，還能有效解決低標(biāo)簽密度時(shí)空傳率高的問題，從而進(jìn)一步降低了碰撞概率。算法步驟：
    1)被動(dòng)方標(biāo)簽中設(shè)計(jì)一個(gè)4+4位的寄存器(Rel)和1個(gè)“0”、“1”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器(RGI)，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機(jī)數(shù)，分別加載到寄存器高位和低4位。其中高位加載的位數(shù)M可以動(dòng)態(tài)設(shè)為1、2、3或4。
    2)主動(dòng)方讀寫器向所有處在等待態(tài)的標(biāo)簽發(fā)送初始化命令。標(biāo)簽因此進(jìn)入仲裁態(tài)，用RGI產(chǎn)生4比特隨機(jī)數(shù)，加載到Rel高4位R7～R4，低4位R3～R0全部清零。
    3)讀寫囂等待一定時(shí)間后發(fā)送允許回傳命令。
    4)Rel為全零的標(biāo)簽向讀寫器回傳標(biāo)簽ID。
    5)如果當(dāng)前只有一個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。回傳ID的標(biāo)簽接收到該命令后，進(jìn)入確認(rèn)態(tài)，其他高4位為全零的標(biāo)簽Rel低4位減1，回到步驟4)重復(fù)操作。
    6)如果當(dāng)前有多個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器通過CRC校驗(yàn)或碼長校驗(yàn)，檢測到錯(cuò)誤的ID號，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“寄存器加1”。接收到讀寫器這個(gè)命令后，所有在仲裁態(tài)且Rel為全零的標(biāo)簽由RGI產(chǎn)生1比特隨機(jī)數(shù)和寄存器上的數(shù)相加后重新載入到寄存器中；其他仲裁態(tài)且Rel高4位為零而低4位不為零的標(biāo)簽Rel加1，回到步驟4)重復(fù)操作。
    7)如果當(dāng)前沒有標(biāo)簽回傳ID。讀寫器等待一定時(shí)間后發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。所有在仲裁態(tài)且高4為全零的標(biāo)簽Rel低4位減1，回到步驟4)重復(fù)操作。
    8)低4位減1操作重復(fù)L次(L是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，由系統(tǒng)設(shè)定，經(jīng)驗(yàn)值為4)后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4位為零的標(biāo)簽都已經(jīng)被正確讀取，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“高4位減1”，回到步驟4)。
    9)標(biāo)簽接收到附加“高位減1”參數(shù)的確認(rèn)命令后，所有Rel高4位不為零的標(biāo)簽高4位減1，回到步驟4)重復(fù)操作；在被要求高位減1前已為零的標(biāo)簽則回到等待態(tài)。
    10)重復(fù)2 M次高位減1操作后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)的標(biāo)簽都已經(jīng)被讀取，則仲裁過程停止，所有還處于仲裁態(tài)的標(biāo)簽返回等待態(tài)。防碰撞算法實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

    算法仿真：仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到當(dāng)標(biāo)簽總數(shù)為20時(shí)，如果把高位寄存囂的位數(shù)從4降到1，則平均碰撞次數(shù)從5．5回落到1．4。而當(dāng)標(biāo)簽總數(shù)為200和2000時(shí)，高位寄存器位數(shù)的改變對平均碰撞次數(shù)的影響不大。因此如果在某次仲裁中出現(xiàn)多次空傳，讀寫器可以在下一次仲裁時(shí)指示標(biāo)簽改變寄存器高位個(gè)數(shù)，以此降低空傳率，進(jìn)而可以降低平均碰撞次數(shù)。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
2. 1 人員管理
    1)日常管理  包括考勤登記、礦井下工時(shí)計(jì)數(shù)、上井人員查點(diǎn)、礦井下人員定位跟蹤等。礦業(yè)工作人員根據(jù)崗位不同分為井上、半井上、井下等幾類。礦井下人員工作量確定既依據(jù)產(chǎn)礦量、掘進(jìn)尺等工程數(shù)據(jù)，又與下井工時(shí)直接掛鉤。半井上、井上人員都要求月井下工時(shí)數(shù)。引入RFID后，考勤、工時(shí)、查點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，確保高效率和準(zhǔn)確性。礦井下人員定位、跟蹤是事故頊防的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)管理根本無法實(shí)現(xiàn)，而RFID技術(shù)填補(bǔ)了該管理空白。工作流程以地面管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃人員、區(qū)域調(diào)度信息為基礎(chǔ)，將射頻標(biāo)簽ID、身份信息與巷道工作面信息等靜態(tài)信息作為參考系，與巷道工作面閱讀器獲取的動(dòng)態(tài)信息相對應(yīng)，經(jīng)系統(tǒng)中軟件功能邏輯，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。
    2)緊急情況管理  包括事故預(yù)防和事故后處理。事故預(yù)防首先是災(zāi)害事故預(yù)防。即將RFID技術(shù)與災(zāi)害監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，對井下災(zāi)害事故作預(yù)警管理，這是傳統(tǒng)管理方法和技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。將RFID設(shè)備與煤層瓦斯壓力(含量)測定儀，溫度、煙量、火焰等火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備，測塵儀，風(fēng)速、負(fù)壓傳感器，水位傳感器等相關(guān)聯(lián)。一且危險(xiǎn)因素水平超過警戒線，在前臺(tái)管理界面中立即準(zhǔn)確顯示預(yù)警位置，點(diǎn)擊危險(xiǎn)區(qū)域信息可查看人員情況，通過井下通信系統(tǒng)及時(shí)發(fā)布警報(bào)，采取相關(guān)措施消除事故源，并組織人員疏散。其次是責(zé)任事故預(yù)防。責(zé)任事故預(yù)防有2種情況：一是在封閉火區(qū)、瓦斯區(qū)、盲巷、廢棄巷道等嚴(yán)禁入內(nèi)區(qū)域架設(shè)固定RFID設(shè)備，以防人員誤入造成事故；其次是在危險(xiǎn)區(qū)、放炮警戒處、巷道維修地段等臨時(shí)禁行地段，由專人拿臨時(shí)、手持式RFID閱讀器進(jìn)行人員監(jiān)控，與警燈、音頻報(bào)警器、警示牌相結(jié)合，避免責(zé)任事故發(fā)生。事故后處理指災(zāi)害事故發(fā)生后及時(shí)組織撲救和人員救護(hù)工作。傳統(tǒng)管理方式事故發(fā)生后，救護(hù)隊(duì)往往盲目入井，對災(zāi)情、滯留人員情況不了解，容易造成意外傷害。RFID管理系統(tǒng)中，利用事故發(fā)生工作面入口RFID閱讀器上傳的信息，可準(zhǔn)確得到各工作面的人員數(shù)量、位置信息，及時(shí)配備人力、設(shè)備，在最短時(shí)間內(nèi)采取搶險(xiǎn)營救措施。營救過程中利用手持式RFID閱讀器對滯留人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位。
2．2 安全物資管理
    在RFID井下物流管理系統(tǒng)中，安全物資、運(yùn)送安全物資的容器(托盤)和設(shè)備(專用車輛)、庫存管理人員、領(lǐng)用人員都粘貼、佩戴RFID標(biāo)簽。通過物資、人員、位置信息的一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全環(huán)節(jié)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化監(jiān)控管理。實(shí)現(xiàn)物資出入庫、盤庫等物流作業(yè)高效自動(dòng)管理，物資領(lǐng)用管理責(zé)任明確，物資流動(dòng)路線在途實(shí)時(shí)跟蹤，提高了安全物資管理的安全性。

3 結(jié)束語
    礦業(yè)物流管理系統(tǒng)通過RFID技術(shù)特點(diǎn)與采礦生產(chǎn)具體流程相結(jié)合，提出新的礦井下管理模型，建立完整性、實(shí)時(shí)性和靈活性的礦井下物流管理系統(tǒng)。RFID只是一項(xiàng)自動(dòng)識別技術(shù)，以其為技術(shù)支撐的管理信息系統(tǒng)功能的合理設(shè)計(jì)，管理流程的嚴(yán)格規(guī)范，才是我國礦業(yè)安全生產(chǎn)管理水平真正提高的根本保證。