基于RFID和GIS的人員監控系統在某非煤礦山的應用

康金箭

（湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南長沙 410014）

基于RFID和GIS的人員監控系統在某非煤礦山的應用

康金箭

（湖南有色冶金勞動保護研究院， 湖南長沙 410014）

介紹了基于RFID和GIS技術的非煤礦山井下人員動態監測監控系統相關的原理、設計架構及主要功能，并在某非煤礦山進行實際應用。現場應用實踐表明，系統實現了人員定位、視頻與環境參數監控實時聯動功能，具有動態監測與風險預警功能。該系統技術成熟、設備運行安全可靠，在我國非煤礦山安全生產領域具有示范作用和推廣價值。

RFID技術；GIS技術；人員定位；動態監控系統；非煤礦山

我國“十二五”期間安全生產工作要求建立完善適應工業化、信息化發展要求的企業安全生產技術裝備體系，著力提高企業安全生產科技支撐能力。國家工業和信息化部為此遴選出全國首批信息化與工業化融合（簡稱“兩化融合”）促進安全生產重點推進項目，其中之一即為非煤礦山井下人員動態監測監控系統。非煤礦山井下人員動態監測監控系統是基于RFID和GIS技術開發應用于非煤礦山領域的數字通信與監測監控集成技術裝備系統。

1 RFID和GIS技術概述

1.1 RFID技術簡介

無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。射頻識別系統一般由電子標簽（應答器，Tag）和閱讀器（讀頭，Reader）組成。在RFID的實際應用中，電子標簽附著在被識別物體上（表面或內部），當該被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將電子標簽中約定識別信息取出來，從而實現自動識別物品或自動收集物品標志信息的功能。讀頭系統又包括讀頭和天線，有的讀頭將天線和讀頭模塊集成在一個設備單元中。在較大型的RFID系統中，還有其它中間件等附屬設備來完成對多讀頭識別系統的管理［1］。

RFID技術應用于本系統中的主要功能是人員定位功能，整個系統包括地面控制中心、井下識別站（射頻自動識別讀寫器）以及無源電子標簽（射頻識別卡）。控制中心負責整個通信定位系統管理與控制，與相應的礦井地理信息系統（GIS）配合可以對井下人員進行實時監控；識別站通過讀寫電子標簽中的相關信息，對應數據服務器中預錄入的人員相關信息，即可在控制軟件界面上顯示出定位人員的個人信息、時間、位置及行動變化軌跡等，并可生成相應報表［2］。

1.2 GIS技術簡介

地理信息系統（簡稱GIS）是一種采集、存儲、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術，該系統設計支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題［3］。其能把空間特征數據與表格化的屬性數據聯系起來，使各種類型的數據得到充分的圖形體現。同時，地理信息系統還可以結合數據和相應圖表做出準確的分析判斷，并給出相應的反饋信息從而輔助決策［4］。

GIS技術應用于本系統中的主要作用是在地面調度室監控中心的GIS平臺上實時顯示井下礦工總數，各采掘作業面、機電、運輸、通風、排水、充填及安全管理等人員分布情況，顯示各采掘作業面及其它輔助設施、場所相關環境參數、對應視頻監控畫面等。

2 井下人員動態監控系統結構和功能設計

2.1 系統結構

系統總體結構分為管理層、控制層和設備層3層。其中管理層為地面局域網系統；控制層以工業以太環網為數據傳輸平臺，主要包括整個監控中心設備及環網平臺；設備層主要由各子系統設備組成，采用現場總線，保證了現場子系統的實時性和可靠性。

系統采用工業以太環網和現場總線信息傳輸平臺，主通訊協議采用TCP／IP協議，現場采用RS485總線形式，布線簡單、組網靈活，能滿足各型礦井監控經濟運行。且系統監控軟件界面采用圖文界面，可實時多屏顯示，提供動態圖形、事件記錄、趨勢顯示、報警顯示、實時數據、歷史數據、參數曲線、模擬光柱，報表顯示等，精美直觀、操作簡單。

系統支持光纖多模、單模、超五類雙絞線和普通雙絞線傳輸介質，結構靈活、支持多環結構，滿足井下巷道的復雜布置。系統設備種類齊全，防護等級達IP65以上，可滿足礦井惡劣環境使用。同時，系統具有自檢功能，可對控制器、電源、傳感器、電纜等進行自動診斷，并提供異常報警。

2.2 主要功能

（1）定位功能。系統能夠在監控中心的GIS平臺上實時顯示井下人員分布情況。在圖形界面上用鼠標點擊，可以顯示某個選定區域的人員名單，進一步點擊還可以顯示某個選定人員下井后的行蹤。對于井下的某些特殊區域，例如規定不準一般人員進入的危險區域，在行蹤保留時段內可以隨時進行查詢，列出進入該區域的人員和出、入時間。GIS平臺還能實現井下巷道圖的無級縮放、顯示，以及在井下出現緊急情況后生成逃生路線，并能對GIS地圖進行導入、導出和還原地圖功能。

（2）考勤功能。本系統能夠準確統計礦工入井、升井時間，并可按班次、按部門生成日考勤、月考勤統計報表。

（3）安全管理功能。主要有領導干部帶班下井管理、區域超員告警、礦工進入禁入區告警、工作超時與欠時告警、行進軌跡異常告警、安全證書有效期管理、防爬車管理、預警呼救功能及固定崗位脫崗管理等功能。

（4）定位與監測監控聯動功能。系統能夠實現重要場所視頻監測點畫面、作業環境參數與人員定位功能實時聯動，在軟件界面上根據需要適時顯示重要場所相關環境參數、對應視頻監控畫面，對高風險作業環境進行實時監控，對環境參數（如CO、O2、H2S、SO2、風速和風量等）進行風險提示與報警。

（5）系統管理功能。系統的管理軟件能夠實現分配多個不同權限的用戶，方便各個用戶在網絡終端上同時運行軟件、查詢井下實時情況，并可對軟件進行分級別的修改；井下實時數據也可以上傳到WEB服務器上，用戶可以通過互聯網以網頁的形式實時查看井下人員分布情況。企業各級管理者可以隨時隨地查看礦山井下實時安全生產情況，使礦山安全管理更加規范化。

3 系統在某非煤礦山的應用

3.1 應用背景

該非煤礦山地形為低山丘陵，地勢南高，北低，西北部為峰林洼地，南部為低山，中部為丘陵，最高海拔為307.7m，最低海拔60m，相對高差60～240 m。礦區水文地質條件屬中等偏復雜，工程地質條件屬簡單類型。礦區共探明3個礦體，現主采2號礦體，礦帶長3500m，寬60～100m，工程控制長1300m。

礦山開拓系統為明井與盲井聯合開拓，礦山現有主井（豎井）、副井（豎井）、1號斜井、4號斜井、2號風井等通達地表，內有3號、5號、6號盲斜井。全礦共分為5個中段，各中段間有豎井、斜井及盲斜井相通，中段高度為50m，中段水平最遠距離2000 m，其中2個中段已停止作業、2個中段正在生產、1個中段正在掘進。采礦方法為淺孔留礦法。

在應用井下人員動態監測監控系統前，礦山采取在井口安排專人記錄考勤方式，下井后當班班組長帶班現場管理。作業時段地面管理人員無法知道井下的人員具體分布情況，各高危作業地點作業人員工作狀況、作業環境變化情況均無法有效監控，安全管理較為粗放。

3.2 系統配置

該系統管理層主要由數據服務器、客戶端電腦及地面局域網絡組成；控制層主要由監控中心顯示器、監控主機、100M工業光纖冗余環網、光纖交換機、光端機、硬盤錄像機、視頻矩陣、物理防雷隔斷器等組成；設備層主要由識別站（分站）、監控分站、傳感器、視頻采集器、視頻處理器及控制器等組成。該系統主要配備38套識別主站（分站）、15套監控分站、45臺傳感器、12臺視頻采集器等。

系統管理層和控制層間采用光纖組網，設備層連網主要采用通信電纜組網，各層間通過RS485通訊協議進行通訊。管理層和控制層設備采用AC220V電源供電，設備層設備采用AC380／127V供電。

3.3 應用效果

某非煤礦山生產現狀配備的井下人員動態監測監控系統已實現了實時顯示重要場所視頻監測點畫面、作業環境參數與人員定位功能實時聯動功能，對井下人員所在環境參數進行動態監測、風險提示與報警，應用效果較好。圖1為某礦監控系統畫面隨機截圖。

圖1 某非煤礦山井下人員動態監控系統界面

4 結 論

該礦山的系統試運行實現了非煤礦山井下人員動態監測監控系統研究的預定目標。運行結果表明：

（1）RFID技術是應用于人員定位與追蹤技術中較為成熟的技術之一，結合非煤礦山GIS地圖，可以實現非煤礦山井下人員動態監測監控；

（2）該系統實現了井下人員定位與重要場所環境參數的實時采集、分析與儲存，隨時生成相關統計分析圖表，并可將相關參數直觀顯示于監控界面，進行風險提示與報警，有利于提高礦山安全生產管理水平；

（3）在礦山井下發生災變情況下，系統可實時顯示重點區域受困人員情況、生存環境狀態的視頻圖像與環境參數數據，有利于應急救援搜救工作；

（4）該系統是非煤礦山領域的信息化和工業化深度結合的典型案例，技術成熟，系統結構相對簡單，設備運行穩定性、可靠性較高，具有較為廣泛的推廣價值。

［1］游戰清，李蘇劍，等.無線射頻識別技術（RFID）理論與應用［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［2］倪水平，鄧立恒，向 陽，等.基于RFID的井下人員定位系統設計［J］.科技情報開發與經濟，2007，17（25）：210.

［3］黃杏元，馬勁松.地理信息系統概論（第3版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［4］周愛華，陳 靜.基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監控系統設計［J］.礦山測量，2009（1）：47.

2011－11－13）

康金箭（1973－），男，重慶江北人，高級工程師，主要從事礦山安全技術工作，Email：kangjinjian6336＠163.com。