礦難定位技術(shù)在救援中的應(yīng)用

張開(kāi)俊

平煤股份朝川礦，河南平頂山 467000

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)煤炭工業(yè)也得到了前所未有的迅猛發(fā)展，煤炭工業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，但是由于種種原因，煤礦頻頻出現(xiàn)重大、特大事故，使得煤礦行業(yè)也成為我國(guó)事故多發(fā)的危險(xiǎn)行業(yè)，帶給國(guó)家和人民非常嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和精神傷害。礦難發(fā)生以后，需要對(duì)井下受困人員進(jìn)行精準(zhǔn)定位，確定其精確位置，及時(shí)組織救援，對(duì)井下受困人員進(jìn)行營(yíng)救。為了有效的搶險(xiǎn)救災(zāi)，保證礦難救援工作的高效運(yùn)作，在此情況下，礦難定位技術(shù)在救援中的應(yīng)用發(fā)揮了強(qiáng)大的作用，盡可能把人民的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低。由于近年常用的GPS定位系統(tǒng)在井下很難起到定位的效果，所以開(kāi)發(fā)礦難定位技術(shù)勢(shì)在必行。通過(guò)不斷的研究與探索，本文提出利用RFID 技術(shù)作為礦難定位的主要技術(shù)應(yīng)用礦難救援工作中。

1 RFID系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與原理

RFID統(tǒng)稱為射頻識(shí)別技術(shù)，此技術(shù)是通過(guò)高頻交流變化電磁波的方式來(lái)完成地面與井下的非接觸雙向通信。從而可以達(dá)到井下人員識(shí)別以及交換數(shù)據(jù)等目的。RFID系統(tǒng)相比較于其它接觸式識(shí)別技術(shù)，其主要特點(diǎn)是該系統(tǒng)的射頻識(shí)別卡不需要和讀卡器接觸就可以在近百米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的人員或者儀器在靜止或移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與定位。

RFID系統(tǒng)大多數(shù)情況下由識(shí)別卡與讀卡器兩部分組成[1]。射頻識(shí)別卡的主要組成部分是功能模塊、電源、存儲(chǔ)器、天線等，存儲(chǔ)器一般指的是電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器。一般將天線連接至射頻識(shí)別卡芯片的外部進(jìn)而和讀卡器進(jìn)行通信。讀卡器利用發(fā)射天線在一定的范圍內(nèi)發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波的頻率和發(fā)射天線的尺寸主要由區(qū)域大小來(lái)決定 。而在射頻卡內(nèi)部設(shè)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率與LC串聯(lián)諧振電路頻率保持一致。在此情況下，當(dāng)工人隨身配有的射頻卡經(jīng)過(guò)發(fā)射天線的工作區(qū)域時(shí),LC諧振電路受到了電磁波的激活，從而發(fā)生了共振，電容產(chǎn)生了電荷。其中LC振蕩回路的頻率可根據(jù)湯姆遜公式計(jì)算得到在電容一端的單向?qū)娮颖幂斔碗姾刹⑶覍a(chǎn)生的電荷儲(chǔ)存到電容上。在電荷儲(chǔ)存超過(guò)2 V的情況下，產(chǎn)生電荷的電容就可以起到提供工作電壓的作用，從而將卡內(nèi)所存儲(chǔ)的自身編號(hào)等數(shù)據(jù)通過(guò)識(shí)別卡內(nèi)置天線發(fā)射到讀卡器上。當(dāng)讀卡器完成接收載波信號(hào)的工作后，對(duì)讀卡器進(jìn)行解碼和錯(cuò)誤校驗(yàn)工作，在利用RS232、RS422、RS485 等差動(dòng)方式接收在將得到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行最終的校核和處理。后臺(tái)主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算等形式判斷識(shí)別卡的準(zhǔn)確性，進(jìn)行準(zhǔn)確的人員的定位。進(jìn)而針對(duì)不同的礦難情況進(jìn)行有效的救援工作。

2 基于RFID的礦難定位技術(shù)組成

為了加快礦難中的營(yíng)救工作，近年來(lái)礦山普遍采用了傳統(tǒng)的有源RFID卡考勤系統(tǒng)的方法進(jìn)行人員定位管理。主要通過(guò)將射頻識(shí)別卡放置在工人身上，將讀卡器設(shè)置在礦井進(jìn)口或者井下的各個(gè)巷道，運(yùn)輸大巷的入口處。在佩戴此識(shí)別卡的工作人員或儀器車輛等經(jīng)過(guò)讀卡器時(shí)，識(shí)別卡中就會(huì)將信息傳輸?shù)阶x卡器，在利用有線或無(wú)線的方式將信息傳入服務(wù)器中，在此情況下可以完成對(duì)井下人員的識(shí)別與定位。在礦難發(fā)生的情況下，能夠及時(shí)得到井下人員的位置情況。從而能夠及時(shí)的確定營(yíng)救方案。根據(jù)以上描述的礦山利用的RFID的礦難定位技術(shù)，可以清楚的看出完整的RFID的礦難定位技術(shù)有以下幾方面組成：根據(jù)RFID系統(tǒng)的硬件方面可以分3部分：1）后臺(tái)管理中心其中應(yīng)當(dāng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等儀器[2]；2）井下接收器基站；3）井下工作人員識(shí)別卡。后臺(tái)管理中心主要是管理與控制礦山全部的通信定位系統(tǒng)，信息識(shí)別卡主要將卡與人對(duì)應(yīng),可以從數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中查到信息。

3 RFID的礦難定位技術(shù)的問(wèn)題與解決措施

由于井下環(huán)境的復(fù)雜性與特殊性，所以應(yīng)該對(duì)RFID定位技術(shù)在礦難救援中應(yīng)當(dāng)予以特殊處理。在一般處于沉積環(huán)境的巷道中，圍巖巖石一般由非磁性物質(zhì)組成。所以RFID的礦難定位技術(shù)的主要問(wèn)題是需要對(duì)在非磁性物質(zhì)組成的圍巖巷道的條件下對(duì)電波傳播距離及接收距離進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，從而保證讀卡器與識(shí)別卡的無(wú)線交換數(shù)據(jù)的范圍。

要對(duì)電波傳播距離和接收距離進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，就要首先明確自由空間的概念。所謂的自由空間特指理想的無(wú)限大的真空的環(huán)境狀態(tài)，在這種狀態(tài)下媒質(zhì)就會(huì)具有均勻性、各向同性，電導(dǎo)率為0、相對(duì)介電常數(shù)為與相對(duì)磁導(dǎo)率為1等特征。由此可見(jiàn)自由空間是一種理想化的狀態(tài)。在自由空間內(nèi)，如果設(shè)置一個(gè)天線，則在天線的輻射范圍以內(nèi)可以輻射到的最遠(yuǎn)距離D的接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為[3]，其中P0代表發(fā)射天線的發(fā)射功率；H0代表發(fā)射天線的增益；D代表輻射最遠(yuǎn)的距離；F0代表自由空間場(chǎng)強(qiáng)振幅值。由于當(dāng)讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率與LC串聯(lián)諧振電路頻率保持一致時(shí)才會(huì)產(chǎn)生接收天線與接收波的極化匹配并且阻抗匹配的效果，在此情況下理論的接收功率為其中 Pb代表天線發(fā)射的輸入功率；He代表發(fā)射天線增益、Hi代表接收天線的增益；δ代表自由空間的一般電波波長(zhǎng)。對(duì)于自由空間來(lái)說(shuō)，在電波傳播的過(guò)程中產(chǎn)生的衰減可以利用Re來(lái)表示。公式可表示為將上述的公式帶入其中可以得到由于在井下巷道中接收器所發(fā)射的信號(hào)會(huì)有很多干擾，所以在實(shí)際工作中接收的場(chǎng)強(qiáng)E為[4]其中A代表衰減因子。根據(jù)研究A和接收器、識(shí)別卡的工作頻率，地貌圍巖物質(zhì)的具體情況以及傳播方式有關(guān)。所以通過(guò)以上闡述可以獲得實(shí)際的天線在傳輸途中的損耗表達(dá)式為:R( d B ) = Re( d B )- 20lg A - 10lg He-10lg Hi根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究圍巖的巖石由石英砂和方解石組成。其介電系數(shù)和電阻率分別為7.8Ω·m、700Ω·m和4.19Ω·m、1 000Ω·m對(duì)頻率在900MHz時(shí)的傳輸損耗進(jìn)行估算。得出在自由空間的情況下，傳輸頻率在900MHz時(shí)傳輸距離為800m左右；對(duì)于巷道內(nèi)含有耗媒質(zhì)的情況下，傳輸距離將會(huì)降至790m左右但是對(duì)于現(xiàn)階段我國(guó)的大多數(shù)礦山來(lái)說(shuō)900MHz就可以滿足礦難定位救援的需要。

[1]于興啟，蔣純波，趙繼軍，等.一種新型射頻識(shí)別天線的近場(chǎng)分析及應(yīng)用[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24(3)：31-35.

[2]劉玫，李輝，顧亮.射頻識(shí)別技術(shù)軟硬件系統(tǒng)研制[J].電子技術(shù)，2008，3：29-32.

[3]王增和，盧春蘭，錢祖平.天線與電波傳播[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]王洪金.多天線空分定位RFIO閱讀器的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，6.