基于微波RFID的矿井人员管控与矿难救援

周人

（四川大学电子信息学院，四川 成都610065）

基于微波RFID的矿井人员管控与矿难救援

周人

（四川大学电子信息学院，四川 成都610065）

基于微波RFID，对矿井人员管控、事故预防与矿难救援作了较详细的介绍和探讨，归纳了矿难预防及救援面临的主要问题，及其解决的思路和方法；提出对矿下人员作多标签设置，以保证标签识别应用的可靠性；主张矿下电子标签具备双向呼叫的功能，以便危难沟通；对如何保证矿下信息通道畅通，有效实施救援，给出了具体的方法。主张在采矿行业推广运用基于微波RFID的低成本管控系统，预防事故，显著促进人员及生产的安全，并加速矿难的救援。

RFID；微波标签；矿井管理；矿山事故；矿难救援

1 微波与RFID

微波是一种电磁波，其波长短，沿直线传播，具有可见光的性质。微波波长介于无线电波和红外线辐射之间，频率在300MHz～300GHz的范围。人们熟知的微波应用是微波炉、移动通信，以及雷达导航等。微波在大气中传播比较稳定，可携带较大的信息量。

射频识别系统（RFID）中的微波频段应用，其典型工作频率是433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz和5.8GHz。工作在微波频段的RFID称为微波RFID，由于大多数RFID是工作在微波频段，因此微波RFID也简称为RFID。

微波RFID的电子标签同样分为无源标签、半无源标签和有源标签三类。标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合。阅读器天线的辐射场为无源标签提供能量，或将有源标签唤醒。目前，无源微波电子标签的应用比较普遍，产品相对集中在902～928MHz频段上。2.45GHz和5.8GHz的产品，则多是用半无源微波电子标签。半无源、有源标签一般用小钮扣电池供电，有较大的阅读距离。标签在工作状态下，电池有效期达2年以上。工作时，电子标签必须位于阅读器天线的辐射场内。

微波RFID的阅读距离大，一般大于1m，典型值为5～10m，远距离成熟产品达到100m，最大的已达到150m。[1]

微波电子标签的技术参数，主要是看是否有源、读写距离、是否支持多标签读写、可否高速识别、读写器发射微波的功率，以及电子标签及读写器的价格等方面。电子标签的写入距离一般小于它的阅读距离，因为写入时，需要有较大的微波能量。

标签阅读器的天线一般为定向天线，在阅读器天线定向波束范围内一定距离的电子标签，都可被读写。在阅读区域中，可能同时出现很多个电子标签，需要同时阅读，这是一种常态。如今先进的射频识别系统的多标签识读，每秒可读标签500个以上，是系统的一项重要功能。有源微波电子标签以时速200Km通过阅读器，也能被识读，其防冲突性能好。对于GEN2标准的电子标签，理论上可以实现每秒1500个的多标签识读。

微波电子标签的数据存贮容量通常在2Kbits以内，更大的存贮容量似乎意义不明显。从技术及应用的角度看，微波电子标签不适合作为大量数据的存储体，其主要功能在于标识物体，并在较大的距离上实现标签识别。典型的数据容量有：1Kbits，128Bits，64Bits等。由Auto-ID Center制定的产品电子代码EPC的容量是96Bits。

微波RFID的典型应用有：电子身份识别、移动车辆监控、物流仓储管理、电子遥控门锁控制等。相关的国际标准有：ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930 MHz）、-7（433.92 MHz），ANSI NCITS256-1999等。

微波RFID的识别距离远、识别速度快、穿透力强、抗干扰、防冲突、技术成熟可靠、费用低，是矿井下移动目标管控的理想设备。利用RFID监测并管控井下移动目标，可对井下人员记录考勤、定位、示警和施救等，加强人员安全；也可记录矿车等设备的运行状态，加强生产安全。[2]

2 矿难

矿难是指在采矿过程中发生的严重事故，矿难常造成大量人员伤亡。世界上每年有上万人死于矿难。常见的矿难是：瓦斯突出或爆炸、煤尘爆炸、井下透水、矿井失火、塌方等。

1960年5月9日，新中国建国以来最惨烈的煤尘大爆炸，在我国最大的煤炭基地山西大同矿务局发生。事故死亡679人，被救出的228人中又死亡5人，共死亡684人。[3]近年来，矿井事故仍时有发生。2016年3月23日，山西朔州同生安平煤业公司发生井下安全事故，造成19名矿工遇难。[4]

矿山安全，人命关天，严重事故的遇难人数惊人，其经济损失巨大，社会影响恶劣。矿难发生，矿下人员往往瞬间被掩埋、水淹、窒息，或被封闭在矿井、巷道及某些黑暗而狭小的空间中，部分人当即死亡，而另一部分则危在旦夕。

近几年发生的一些矿难，在预防及救援方面暴露出的问题主要是：

（1）地面管理部门对井下人员的基本信息不知或不确知。比如：有多少人？是哪些人？

（2）地面不清楚井下人员的动态。比如：人员的分布点、人员移动，以及井下人员作业的实情和变化；

（3）事故突发，措手不及。比如：不知人员的生死，不知其在矿下的准确位置，抢险救人无确切目标，救人的速度慢、效果差等。

矿难需要紧急救援，首先要尽快救出地下的生者或伤者，同时基于人道主义，也需要寻得死者。但生者、伤者、死者是谁？其位置分别在地下何处？当前的状态如何？在过去的矿难救援中，这些一般都不确知。因为被救援目标的位置不确切，使救援队的救援带有较大的盲目性；而为准确探明受难者的位置，要花费巨大的代价，特别是要延误宝贵的救援时间。公认的黄金救援时间是在72小时以内，延误的时间越长，受难者的生存率就越小。

3 微波RFID与矿难的预防和救援准备

多数矿难在很大程度上是可以预防的。如果有良好的预防，即使矿难发生，在良好预防的基础上展开救援，效果也会好得多。矿难的预防和救援准备，首先需要对矿井井下人员实现实时追踪管控，解决好前述的三个主要问题：

（1）地面管理部门对井下人员的基本信息必须确知。比如：一共有多少人？分别是哪些人？应随时通过网络掌握矿下人员的一览信息，包括姓名、年龄、性别、矿下的工作、工作地点，等等。

（2）地面应清楚井下人员的动态。比如：人员的分布，有过哪些移动？井下人员作业的实情，发生了哪些变化？

（3）尽管事故意外突发，但救援者必须心中有数。比如：矿下人员的生、伤、死情况，受困者的准确位置。要能够直接针对所知的目标快速救人，并按先易后难、由浅入深、先生后死（先救伤者生者，后掘死者）的原则，因人而异地施救。

因此，微波RFID技术及其管理系统是有效的工具。RFID受温度、湿度、粉尘、气压、瓦斯和其它气体的影响很小，在完全黑暗的地下矿道也能正常进行无线的长距离识别，对恶劣环境的适应力强。

采用RFID的矿下人员定位监控系统，可随时判定“人在哪里”。知道人在哪里，就能合理管控，及时发现异常现象。一旦出现异常现象，可立即通知到危险区及附近的每一个人，使其紧急避险，迅速撤离。这可显著增强矿下的安全性，避免部分事故的发生，预防矿难；当事故或矿难发生，系统也可准确掌握受困人员的信息，立即展开救援。保证救援有的放矢、准确及时、高效有序，减轻事故的危害，减少矿难的伤亡。

而基于微波RFID技术的监控系统基本的规划设计应该是：

（1）标签设置

RFID监控系统，为每一位工作人员确定一个RFID编码。对每一位下矿人员配备个人电子标签（标识卡），记录其个人信息和工作信息。通常的应用是每人配一个标签，但由于电子标签与阅读器之间的无线信息识别具有一定的方向性，故个人电子标签宜作多标签配置，即每人配一个以上的标签，以避免识别遗漏或标签本身在事故中失效。多标签配置一般可把标签固定在安全帽、工作服、腰带或工作裤上。电子标签的成本低，多标签设置经济上可行，并使监控更加有效、可靠。对矿下主要的移动设备，也需要设置电子标签。

（2）双向呼叫设置

电子标签需具备呼叫和被呼叫（双向呼叫）的功能。呼叫在于求救，一般是在标签上设置呼叫按键，被困人员即使伤势严重、奄奄一息，只要还能触按呼叫按键，求救信息就会由标签主动发出，从而提示被困人员的准确位置，引导救援。被呼叫，是在标签上设计被管理人员呼叫的提示功能，如蜂鸣、灯闪烁等。如果被困人员得知被呼叫，可通过触按标签上的呼叫求救按键回应。

被困者在矿难中对呼叫有无回应，是判断其生、伤、死的关键信息。呼叫和被呼叫的功能建立起了危难沟通，实现这类简捷而必要的设计，在技术上没有任何困难。

（3）阅读器和系统设置

在矿井的出入口、主要巷道、工作面、地下的主要场所和主要设备附近，安装阅读器，使得矿下人员任何时间在矿下的任何地点，都能够被阅读器追踪识别。

各阅读器与地面的管理中心和信息管理系统，可采用有线网或无线网联接。由此，管理中心可不间断地从网络获取矿下阅读器识别的信息，矿下人员则人人踪迹清晰。

这样的系统具有远距离识别、结构简单、成本低、功耗低、安全可靠等特点。为保证数据传输过程中的安全性，可利用加密算法，一般的加密算法也实现简单、技术成熟。考虑到可扩展性，系统的设计应具有一般的通用性。电子标签可引出全部IO功能接口，以用于各种电子标签的识别。矿用的阅读器一般选用IP67等级的防护①，结构坚固耐用。

微波RFID阅读器可支持多种语言环境，便于编程控制，且易于安装，即插即用。其扩展通讯接口可包括：USB、RS232、RS422、RS485、Ethernet、Profibus、Profinet、Modbus RTU、Modbus TCP、DeviceNet等。这些为系统功能的完善和扩展，提供了良好的条件。

基于RFID的监控系统形成了安全管理系统，依靠联网的阅读器和电子标签，管理中心可准确及时地识别人员及设备，合理管控调度，大大降低矿下发生事故的可能性，加强矿下作业人员及生产的安全，对遏制重大事故的发生有显著的积极作用。

4 矿难救援

有备无患，有备减灾。以微波RFID监控系统为基础，矿难救援也可有条不紊地进行，降低事故的危害程度。

4.1 依据RFID系统直接救援

RFID系统如果没有被事故破坏或保持部分正常，依据RFID系统在事故前、事故中和事故后对矿下人员和设备的定位信息，可直接展开救援。如果系统接收到受困人员的求救呼叫，则更是目标明确。由于能确知受困人员的位置，救援即可高效快速地展开，人员伤亡也可望减少或避免。

4.2 用便携式阅读器即时识别搜救

一般而言，矿难发生后，RFID系统可能会被部分破坏，要对矿下每一个人的准确位置都了如指掌，也会有困难，因而需要采用进一步的补充方法。

矿难发生后，有人受伤、昏迷、被掩埋甚至死亡，也有人被封闭在地下的某个空间。但受难人不论生死，救援人员都可用便携式的阅读器，在各处即时搜寻识别受难者。只要他们的电子标签仍然工作正常，就会有显著的效果。由于RFID受温度、湿度、粉尘、气压、瓦斯和其它气体的影响很小，在完全黑暗的地下矿道中也能正常工作，用阅读器对巷道和事故空间扫描，其辐射场内的标签信息即刻可得。

对直巷道或较宽敞的空间，阅读器的作用距离可望达到100米以上；对废墟或矿渣，矿难的废墟及矿渣中，通常有大量的缝隙，阅读器的辐射场可能深入废墟或矿渣中达数米远，并获得电子标签的信息回应。

用阅读器即时扫描矿难区域，搜寻电子标签信息，通过在各处搜寻，可很快确定被困人员的准确位置，支持救援。

4.3 新建信息通道识别搜救

矿难发生后，RFID的信息通道（有线或无线网）可能被破坏或者失效。比如在地下的某个被封闭的空间，有线或无线网可能已无法工作。这时候，就需要新建信息通道，帮助阅读器的辐射场深入矿难区域，搜寻电子标签的信息。

新建信息通道的方法之一，是对目标区域人工钻通小孔，通过小孔，可送入小型化的阅读器，进而形成RFID新的信息通道。如果在目标区域尚有正常运行的电子标签，阅读器一旦扫描，即可读取该目标的具体信息。

对目标区域人工钻通小孔，可在目标区域的附近进行，也可在矿外的地面进行。由于钻孔的孔径小，工作量不太大，耗时相对较少，故适合采用。

在矿难救援中，生命探测仪也是一种有效的工具，它可以帮助搜救人员迅速准确地发现活着的遇险者，进而实施营救。生命探测仪可把探头深入到废墟或矿渣的缝隙中，但只能探测较小的区域。这种探测仪实际上是一个呼吸、心跳、运动或温差的探测器，是通过探测被探测者的“动”或温度来判断。其信号发送器连续发射信号，对附近空间进行扫描；接收器不断接收反射信号，并对返回信号进行算法处理。

由于人呼吸、心跳的频率比较固定，一般每分钟呼吸12－20次，心跳60－100次，故可以把人的动与其他不同频率的动区分开来。探测仪探测人的移动、温度并能与其它动物或物体的相区别，其原理也大致如此。[5]

生命探测仪能敏锐地感知非常微弱的运动，但它无法确定目标是几个人，更无法确定是哪个人或哪几个人；它能探测到生命的迹象，但有时候可能误判人与其它生命，比如猫、狗。这有可能导致对其它动物的努力“搜救”。对已遇难者，生命探测仪无能为力。也就是说，要搜寻死者遗体，生命探测仪无效。

所以，在矿难救援中，RFID系统对生者死者均可探知，且系统作用的范围大，因而具有独特的优势。

5 应用实例

为预防矿难、准备救援，微波RFID的基本运用已经在逐步展开。

智利一家矿业公司尝试用RFID系统在地下铜矿中追踪矿工。该公司有许多小矿井，分别承包给了不同的开发商。该公司要求在任何时刻都要知道矿工在井下的位置，于是设计了RFID系统。当矿工入井时，要用阅读器扫描个人的RFID卡，获取他们的信息。当矿工出矿井时，要再次扫描RFID卡，以确认他出了矿井。

该公司在每个矿井的入口处安装了4个RFID阅读器，以判断矿工的位置和行走方向。管理人员可通过RFID传回的数据，了解谁在矿井里？什么时候进去的？是哪家分公司的雇员？RFID卡片上还有一个紧急按钮，矿工按2次就是报告自己遇到麻烦了。如发生事故，管理中心的屏幕上会显示矿井内所有矿工的位置，施救人员可据此及时施救。在紧急情况下，矿井的电源可能被切断，但RFID系统仍然可以运行。该系统有一个备用电源，可在事故发生后继续工作48小时。[6]

河南的义煤集团孟津煤矿，2006年7月29日发生重大煤与瓦斯突出事故，死亡8人，直接经济损失412.76万元。2011年4月，该矿安装了KJ222型矿用人员定位安全管理系统。该系统采用RFID技术，能准确地将井下各区域人员的动态，及时反映到地面的计算机管理系统，使管理人员能随时掌握井下人员的分布状况和每个矿工入井、升井的时间，及在井下的运动轨迹，并进行合理的调度管理。若事故发生，救援人员可根据井下人员定位系统所提供的数据、图示，准确确定有关人员的位置，及时救援，这使该矿的安全管理水平大大提高。[7]

云南某铜矿，地下作业区的范围大，作业人员流动性大，利用RFID技术与RSSI定位算法，实现了对人员的定位。系统分别在中央变电所、风机房、配电硐室设置分站，在采矿监控中心设置主站，各井下分站及地面主站通过矿用环网接入器组建了光纤冗余主干环网，系统运行的效果良好。[8]

运用RFID技术的矿山人员追踪定位系统，已在我国的山西、辽宁、贵州、内蒙古等地试用。依据有关的成功经验，全国也在逐步推广。

6 结束语

微波信号的穿透力强、环境适应性强，安全保密性能好，对人体基本无电磁污染。

把微波电子标签设置在物体上，通过非接触的无线方式，可远距离进行电子标签内信息的读写，实现对人、车、物在静止或移动状态下的自动识别，从而实现对目标位置和状态的及时掌握和管控；可采用双频实现可靠的全双工通信，也可根据需要调整系统的识别范围，识别基本无盲区。

采矿行业需要重视微波RFID技术及其应用的经验。利用微波RFID易于建立矿下安全信息系统，此管理系统把微波RFID、网络通讯技术和自动控制技术相结合，实现矿井下人员的实时跟踪管控，可有力地促进矿山人员的安全管理，且成本很低。利用RFID积极预防矿难，或在矿难突发后有条不紊地进行矿难救援，都是很有经济和社会意义的。

［1］上海环极信息技术有限公司.有源微波远距离读写器[EB/OL].http://www.bornlead. com,2016-6-1.

［2］赵海涛,逄明祥,郑丰隆,王凤瑛.基于射频识别的矿车定位监测系统[J].煤矿机械,2010(11).

［3］孙宝福.同煤集团“五·九”安全教育馆落成[N].中国煤炭报,2005-10-1.

［4］国家安全生产监督管理总局.山西省朔州市山阴县同煤集团安平煤矿发生冒顶事故[EB/OL].http://www.chinasafety.gov.cn/,2016-3-24.

［5］侯培国,李宁,宋涛生.命探测技术研究现状与发展[J].传感器与微系统,2014 (6).

［6］高育红.“地震指纹”指路，无线射频定位[N].中国安全生产报,2009-9-8.

［7］王保民.KJ222型矿用人员定位安全管理系统在孟津煤矿的应用[J].科技促进发展,2011(6).

［8］李海涛,范红卫.云南某铜矿地下人员定位系统[J].有色金属工程,2014(4).

注释：

①IP(International Protection code)是定义一个界面对液态和固态微粒的防护能力。IP67能防尘吸入，防短暂浸泡，是目前在布线行业实用的最高等级。

［责任编辑：李书培］

周人（1990—），男，重庆人，2013级硕士研究生，主要从事微波与无线电物理研究。