礦難定位技術在救援中的應用

張開俊

平煤股份朝川礦，河南平頂山 467000

隨著經濟的快速發展，我國煤炭工業也得到了前所未有的迅猛發展，煤炭工業已經成為國民經濟的基礎和重要支柱產業之一，但是由于種種原因，煤礦頻頻出現重大、特大事故，使得煤礦行業也成為我國事故多發的危險行業，帶給國家和人民非常嚴重的經濟損失和精神傷害。礦難發生以后，需要對井下受困人員進行精準定位，確定其精確位置，及時組織救援，對井下受困人員進行營救。為了有效的搶險救災，保證礦難救援工作的高效運作，在此情況下，礦難定位技術在救援中的應用發揮了強大的作用，盡可能把人民的生命財產損失降到最低。由于近年常用的GPS定位系統在井下很難起到定位的效果，所以開發礦難定位技術勢在必行。通過不斷的研究與探索，本文提出利用RFID 技術作為礦難定位的主要技術應用礦難救援工作中。

1 RFID系統的主要特點與原理

RFID統稱為射頻識別技術，此技術是通過高頻交流變化電磁波的方式來完成地面與井下的非接觸雙向通信。從而可以達到井下人員識別以及交換數據等目的。RFID系統相比較于其它接觸式識別技術，其主要特點是該系統的射頻識別卡不需要和讀卡器接觸就可以在近百米的范圍內實現不同的人員或者儀器在靜止或移動狀態下進行自動識別與定位。

RFID系統大多數情況下由識別卡與讀卡器兩部分組成[1]。射頻識別卡的主要組成部分是功能模塊、電源、存儲器、天線等，存儲器一般指的是電可擦可編程只讀存儲器。一般將天線連接至射頻識別卡芯片的外部進而和讀卡器進行通信。讀卡器利用發射天線在一定的范圍內發射一定頻率的電磁波，電磁波的頻率和發射天線的尺寸主要由區域大小來決定 。而在射頻卡內部設有一個LC串聯諧振電路，讀寫器的發射頻率與LC串聯諧振電路頻率保持一致。在此情況下，當工人隨身配有的射頻卡經過發射天線的工作區域時,LC諧振電路受到了電磁波的激活，從而發生了共振，電容產生了電荷。其中LC振蕩回路的頻率可根據湯姆遜公式計算得到在電容一端的單向導通電子泵輸送電荷并且將產生的電荷儲存到電容上。在電荷儲存超過2 V的情況下，產生電荷的電容就可以起到提供工作電壓的作用，從而將卡內所存儲的自身編號等數據通過識別卡內置天線發射到讀卡器上。當讀卡器完成接收載波信號的工作后，對讀卡器進行解碼和錯誤校驗工作，在利用RS232、RS422、RS485 等差動方式接收在將得到的數據傳輸至后臺系統中進行最終的校核和處理。后臺主系統根據邏輯運算等形式判斷識別卡的準確性，進行準確的人員的定位。進而針對不同的礦難情況進行有效的救援工作。

2 基于RFID的礦難定位技術組成

為了加快礦難中的營救工作，近年來礦山普遍采用了傳統的有源RFID卡考勤系統的方法進行人員定位管理。主要通過將射頻識別卡放置在工人身上，將讀卡器設置在礦井進口或者井下的各個巷道，運輸大巷的入口處。在佩戴此識別卡的工作人員或儀器車輛等經過讀卡器時，識別卡中就會將信息傳輸到讀卡器，在利用有線或無線的方式將信息傳入服務器中，在此情況下可以完成對井下人員的識別與定位。在礦難發生的情況下，能夠及時得到井下人員的位置情況。從而能夠及時的確定營救方案。根據以上描述的礦山利用的RFID的礦難定位技術，可以清楚的看出完整的RFID的礦難定位技術有以下幾方面組成：根據RFID系統的硬件方面可以分3部分：1）后臺管理中心其中應當包括計算機、數據庫服務器等儀器[2]；2）井下接收器基站；3）井下工作人員識別卡。后臺管理中心主要是管理與控制礦山全部的通信定位系統，信息識別卡主要將卡與人對應,可以從數據中心的數據庫中查到信息。

3 RFID的礦難定位技術的問題與解決措施

由于井下環境的復雜性與特殊性，所以應該對RFID定位技術在礦難救援中應當予以特殊處理。在一般處于沉積環境的巷道中，圍巖巖石一般由非磁性物質組成。所以RFID的礦難定位技術的主要問題是需要對在非磁性物質組成的圍巖巷道的條件下對電波傳播距離及接收距離進行預估計算，從而保證讀卡器與識別卡的無線交換數據的范圍。

要對電波傳播距離和接收距離進行預估計算，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限大的真空的環境狀態，在這種狀態下媒質就會具有均勻性、各向同性，電導率為0、相對介電常數為與相對磁導率為1等特征。由此可見自由空間是一種理想化的狀態。在自由空間內，如果設置一個天線，則在天線的輻射范圍以內可以輻射到的最遠距離D的接收點的場強為[3]，其中P0代表發射天線的發射功率；H0代表發射天線的增益；D代表輻射最遠的距離；F0代表自由空間場強振幅值。由于當讀寫器的發射頻率與LC串聯諧振電路頻率保持一致時才會產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代表天線發射的輸入功率；He代表發射天線增益、Hi代表接收天線的增益；δ代表自由空間的一般電波波長。對于自由空間來說，在電波傳播的過程中產生的衰減可以利用Re來表示。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射的信號會有很多干擾，所以在實際工作中接收的場強E為[4]其中A代表衰減因子。根據研究A和接收器、識別卡的工作頻率，地貌圍巖物質的具體情況以及傳播方式有關。所以通過以上闡述可以獲得實際的天線在傳輸途中的損耗表達式為:R( d B ) = Re( d B )- 20lg A - 10lg He-10lg Hi根據現場的實驗研究圍巖的巖石由石英砂和方解石組成。其介電系數和電阻率分別為7.8Ω·m、700Ω·m和4.19Ω·m、1 000Ω·m對頻率在900MHz時的傳輸損耗進行估算。得出在自由空間的情況下，傳輸頻率在900MHz時傳輸距離為800m左右；對于巷道內含有耗媒質的情況下，傳輸距離將會降至790m左右但是對于現階段我國的大多數礦山來說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.一種新型射頻識別天線的近場分析及應用[J].北京郵電大學學報，2010，24(3)：31-35.

[2]劉玫，李輝，顧亮.射頻識別技術軟硬件系統研制[J].電子技術，2008，3：29-32.

[3]王增和，盧春蘭，錢祖平.天線與電波傳播[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]王洪金.多天線空分定位RFIO閱讀器的設計[J].微計算機信息，2007，6.