低频射频识别技术在矿井人员管理系统解决方案

    煤矿安全生产历来为我国各级政府所重视。事故发生后如何实施安全救护、如何提高搜救工作效率，为煤矿各级主管部门所关注。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现： 

    1、地面与井下人员的信息沟通不及时；
    2、地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确的人员定位；
    3、煤矿事故一旦发生，抢险救灾、安全救护的效率底，搜救效果差。 

    为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高速运作显得尤为重要和迫切。 

    一、目前我国煤矿所用的人员管理系统存在的问题 

    我们知道，煤矿井下人员在巷道的位置是动态的，有些巷道长达几十公里，因此，对人员的跟踪定位是十分重要的。一旦发生突发事件，要求能够迅速判断险区人员的数量、位置及身份，采取措施及时救助，把事故的损失和影响降到最低限度。
目前我国煤矿所采用的 “人员管理系统”，其工作原理大致如下：在巷道的交叉口、入井口、进入采掘面入口等安装读卡器；每位入井人员（如矿工及管理人员等）随身携带身份识别卡；被检人员通过读卡器时其信息被记录，并传至地面监控主机，从而达到确定入井人员位置的目的。 

    根据笔者的调查和已经安装井下人员定位系统的煤矿反映，目前我国煤矿所采用的井下人员管理系统，全部是基于高频射频识别技术或混频射频识别技术而设计的，在使用中普遍存在如下问题： 

    1、 漏卡现象严重，难以满足精确定位的要求；
    2、 如果不采用光纤总线，系统安装的安监点数就会受到限制，覆盖面有限，无法满足大型、特大型煤矿的全矿井巷道监测的要求；
    3、 不具备行进方向的判断识别能力，不具备人员是否完全通过识别区域的判断能力。（假设某人从井口下井，进入井口检测分站的识别区域，此时，井口检测分站将检测到该人员并向地面监控主机上报该人员的基本信息，系统则判断该人员已下井，但此刻，由于某种原因，该人员又退出井口，该人员实际上并未下井，这时就出现了系统误判情况）。 

    上述问题都是由于高频射频识别技术本身的技术特点受限而致，难以根本突破。正因为如此，国际上有的煤炭生产大国（如俄罗斯）已开始选择用低频射频识别技术（30~300KHz）取代高频技术，从安监系统本身来提高矿井人员管理的可靠性。 

    二、煤矿人员安全管理系统的发展 

    国际上煤矿人员安全管理系统的发展大体经过了三个阶段： 

    第一阶段：从上世纪九十年代初开始应用矿井人员管理系统，但均限于高频射频识别技术；
    第二阶段：从2001年以后，世界上部分煤矿开始采用基于混频射频识别技术（高、低频混合使用）的矿井人员管理系统；
    第三阶段：从2005年开始，基于远距离低频射频技术的矿井人员管理系统问世，并迅速得到全球煤矿行业的推崇。目前该技术已日趋成熟，监控性能已逐步稳定，已在英国、伊朗、土耳其、西班牙、俄罗斯等10多个主要采煤国的煤矿运行。由于其安装方便、识别准确率高、系统稳定、成本低等特点，大有完全取代高频及混频技术而实现“一统天下”的趋势。 

    矿井人员管理系统每一次技术上的飞跃，都与煤矿安全生产的需要和科学技术的进步而密不可分。2005年以前，由于低频射频识别技术在矿井中的应用（尤其是在识别距离）尚欠成熟，而高频射频识别技术的应用已相当发达，所以，利用高频技术来为煤矿的安全生产服务就显得顺理成章了。但是，由于2005年后，人们在低频技术上的研究取得重大突破，利用低频射频识别技术不仅能够实现高频技术在人员管理系统中的所有功能，而且可以克服高频技术所存在的系统弊端，所以，低频射频识别技术在全世界煤矿行业迅速得到推广也就不难理解了。 

    三、低频射频识别技术与高频射频识别技术的性能比较 

    通常读卡器和识别卡进行无线信号传输时所使用的频率称为RFID系统的工作频率，根据其所使用的频率范围不同，可分为如下频段： 

    下面我们从低频和高频电磁波的传输特性来分析它们在矿井人员管理系统中的应用特点： 

    1、 高、低频电磁波传输的方向性：低频电磁波的传播是全方位的，不具方向性；而高频电磁波的传播方向性极强,可以讲是定向的（就像是手电筒发出的光束）。因此，被监测人员在经过低频读卡器时，只要在其有效的识别范围（直径10米的范围内），就能被准确识别到。而在经过高频读卡器时，要求被监测人员准确行走到高频电磁波传播方向上，才能被读卡器识别。
因此，在规定的识别区域内，采用低频识别比采用高频识别要有更高的精度。 

    2、 高、低频电磁波的穿透性和抗干扰性：在巷道这种特区的环境里，低频电磁波与高频电磁波相比具有明显的优势—信号衰减小、凸显出低频电磁波的穿透能力强，所以采用低频射频识别技术的读卡器和识别卡之间的无线电信号传输对其它物体（特别是水汽和金属物体）的穿透性很强；而高频电磁波由于其本身的穿透性能较弱，读卡器和识别卡之间的物体（如水汽、人体、尤其是金属物体等）阻挡，很有可能导致读卡器无法识别。 

    另外，巷道的一些特性也会对无线电信号的传输带来不利的影响，以下两组数据表明了巷道拐弯对无线电信号传输的影响（表1）以及巷道倾斜对无线电信号传输的影响（表2）。 

    频率越高衰减越大

    随着频率的增高，由巷道倾斜所带来的衰减变大，拐弯越急衰减越大。 

    3、 由此可见，由于低频、高频电磁波本身的传输特性，决定了低频射频识别技术比高频射频识别技术的漏读率要低得多。