基于RFID的矿业物流管理系统研究

摘要：基于射频技术的特点，针对提高矿业井下安全，预防矿井灾害的目的，设计研发了基于RFID的矿业物流管理系统，采用了无线射频非接触式RFID为基础的矿业物流管理系统设计方案，对矿井下远距离目标进行非接触式信息采集处理能够在不同状态(移动或静止)下自动识别。通过井下人员和物资的动态、静态信息识别获取，以达到实时管理的目的。通过煤矿应用证明：该煤矿安全事故同比下降96％，有效降低井下安全事故和责任事故的发生，并能达到预防矿井灾害的成效。
关键词：RFID；物流；矿业；管理系统

    矿业物流管理有人员管理和安全物资管理。人员管理首先是日常作业管理，包括考勤、出入管理、井下人员跟踪定位等；其次是紧急情况管理，即灾害事故预防，责任事故预防，灾害事故后人员定位、搜索、救护等。安全物资指雷管、炸药等易燃易爆且对存放、使用有特殊要求的物资。
    据统计，我国矿业开采以及巷道掘进主要采用爆破方法，机械化掘进尺只占5％，所以安全物资在生产过程中应用数量及大，其管理水平直接影响安全生产状况。目前国内矿业物流管理仍以经验管理、人工管理为主，灾害、事故发生率居高不下。此外，矿井下多尘、潮湿等恶劣环境因素造成人员、物资缺乏可靠的跟踪管理手段。针对这种情况，利用RFID(射频识别技术)非接触远距离识别、多目标识别、环境敏感性低、标签数据容量大、标签可读写等特点，以其为关键技术且与计算机、网络、信息管理技术有效结合的矿业物流管理系统，实现人员、物资的动态实时管理，改变矿业安全管理状况。

1 系统设计原理及构成
1．1 系统原理
    系统由井下数据采集传输单元和地面控制管理单元组成，中间为数据传输网络。矿井下数据采集传输单元基本组成元件为射频标签、阅读器、天线和中间件。系统工作原理为阅读器通过天线发射电磁波，射频标签经自身天线接收电磁波后，或者依靠电感能量(无源)，或者依靠自身能量(有源)将所存储信息发射回去。信息包括ID、身份标识等静态信息和环境、位置等动态信息。阅读器接收信号并经中间件处理后，通过数据传输网络传送给井上数据库，经应用软件系统调用解析后，实现人员监控、事故预警、安全物资监控、中央控制、远程领导查询等各种应用。系统原理如图1所示。

1．2 系统结构设计
    1)系统软件结构设计系统地面工作站和数据服务器间选取传统的C／S体系结构。用户界面、管理系统软件存放在工作站上，而数据库访问及后台操作则由服务器来完成。
    2)数据传输网络设计数据传输接口采用标准RS232和RS485串口，也可采用RJ45以太网和无线WLAN接口。传输网络尽量采用井下已有的安全监控系统信道、通信光缆等，在保护原有投资基础上实现功能提升。
    3)射频标签选择射频标签工作频率分为低频(100～500 kHz)、中频、高频(13．56 MHz)、超高频(860～930 MHz)和微波(2．4～5 GHz)。若频率高，则识别距离大，通信速度快，抗噪能力强，但对障碍物(如液体)的穿透性、方向敏感性不如低频。因此，结合两者优点，井下采用工作频率为低频和超高频的双频标签。
    4)矿井下物流管理阅读器布置原则 矿井下物资和人员的跟踪可靠性，是基于RFID的矿井下物流管理系统是否能取得理想效果的关健，而阅读器的布置直接影响井下物资、人员的跟踪精度。阅读器布置应遵循以下原则：
    ①重点巷道连续布置 井下车场、人员物资必经巷道连续布置阅读器。考虑成本，布置间隔以满足跟踪精度为依据，在此前提下尽量减少布置数目。
    ②重点设备、危险地段必须布置 带式输送机主机、翻斗等有自然发火预兆的重点设备，除安装监测设备外，应与RFID阅读器关联以实现事故预警。爆破材料库、油库、瓦斯区、封闭火区等危险地段必须布置阅读器。
    ③工作面、必经巷道双向布置 在综采煤工作面这种既有入口又有出口的地段，相关位置应双向布置阅读器。对于1条巷道内有多个采面的情况，将采面集中划分区域，在区域出入巷道安装阅读器实行区域管理。掘进面只在入口处布置阅读器即可实现人员的定位、跟踪。
    ④合理布置临时、手持式阅读器 在冒顶危险区、放炮警戒处、巷道维修地段、临时禁止通行地段，布置临时、手持式阅读器进行人员监控。
    ⑤安装位置易于装拆 由于采面采矿任务完成后要落顶封巷，生产任务完成后愿架设阅读器要拆卸，重新布置在新开采面。因此，阅读器的安装应遵循易于装拆的原则。
1．3 RFID防碰撞算法
    RFID防碰撞算法对于提高矿井下物资和人员的跟踪可靠性是关键技术，本系统采用的为行链路多标签冲突检测算法，此算法仅需在电子标签中配置1个8位寄存器、1个1位“0”、“1”随机数产生器和2个4位加减1计数器以及少量选择电路就能实现最多达1 048 576个标签的仲裁。仿真表明本算法产生的碰撞概率明显小于二进制数算法，同时通过寄存器高位的灵活设置，还能有效解决低标签密度时空传率高的问题，从而进一步降低了碰撞概率。算法步骤：
    1)被动方标签中设计一个4+4位的寄存器(Rel)和1个“0”、“1”随机数产生器(RGI)，随机数产生器产生两组随机数，分别加载到寄存器高位和低4位。其中高位加载的位数M可以动态设为1、2、3或4。
    2)主动方读写器向所有处在等待态的标签发送初始化命令。标签因此进入仲裁态，用RGI产生4比特随机数，加载到Rel高4位R7～R4，低4位R3～R0全部清零。
    3)读写嚣等待一定时间后发送允许回传命令。
    4)Rel为全零的标签向读写器回传标签ID。
    5)如果当前只有一个标签回传ID，读写器正确读取该ID，则发送确认命令，附加命令参数“低位减1”。回传ID的标签接收到该命令后，进入确认态，其他高4位为全零的标签Rel低4位减1，回到步骤4)重复操作。
    6)如果当前有多个标签回传ID，读写器通过CRC校验或码长校验，检测到错误的ID号，则发送确认命令，附加命令参数“寄存器加1”。接收到读写器这个命令后，所有在仲裁态且Rel为全零的标签由RGI产生1比特随机数和寄存器上的数相加后重新载入到寄存器中；其他仲裁态且Rel高4位为零而低4位不为零的标签Rel加1，回到步骤4)重复操作。
    7)如果当前没有标签回传ID。读写器等待一定时间后发送确认命令，附加命令参数“低位减1”。所有在仲裁态且高4为全零的标签Rel低4位减1，回到步骤4)重复操作。
    8)低4位减1操作重复L次(L是一个系统参数，由系统设定，经验值为4)后，读写器认为所有在仲裁态且寄存器高4位为零的标签都已经被正确读取，则发送确认命令，附加命令参数“高4位减1”，回到步骤4)。
    9)标签接收到附加“高位减1”参数的确认命令后，所有Rel高4位不为零的标签高4位减1，回到步骤4)重复操作；在被要求高位减1前已为零的标签则回到等待态。
    10)重复2 M次高位减1操作后，读写器认为所有在仲裁态的标签都已经被读取，则仲裁过程停止，所有还处于仲裁态的标签返回等待态。防碰撞算法实现电路如图2所示。

    算法仿真：仿真结果如图3所示，可以看到当标签总数为20时，如果把高位寄存嚣的位数从4降到1，则平均碰撞次数从5．5回落到1．4。而当标签总数为200和2000时，高位寄存器位数的改变对平均碰撞次数的影响不大。因此如果在某次仲裁中出现多次空传，读写器可以在下一次仲裁时指示标签改变寄存器高位个数，以此降低空传率，进而可以降低平均碰撞次数。

2 系统功能实现
2. 1 人员管理
    1)日常管理  包括考勤登记、矿井下工时计数、上井人员查点、矿井下人员定位跟踪等。矿业工作人员根据岗位不同分为井上、半井上、井下等几类。矿井下人员工作量确定既依据产矿量、掘进尺等工程数据，又与下井工时直接挂钩。半井上、井上人员都要求月井下工时数。引入RFID后，考勤、工时、查点实现自动化，确保高效率和准确性。矿井下人员定位、跟踪是事故顼防的基础，传统管理根本无法实现，而RFID技术填补了该管理空白。工作流程以地面管理系统数据库中生产作业计划人员、区域调度信息为基础，将射频标签ID、身份信息与巷道工作面信息等静态信息作为参考系，与巷道工作面阅读器获取的动态信息相对应，经系统中软件功能逻辑，实现各项功能。
    2)紧急情况管理  包括事故预防和事故后处理。事故预防首先是灾害事故预防。即将RFID技术与灾害监控技术相结合，对井下灾害事故作预警管理，这是传统管理方法和技术无法实现的。将RFID设备与煤层瓦斯压力(含量)测定仪，温度、烟量、火焰等火灾监测设备，测尘仪，风速、负压传感器，水位传感器等相关联。一且危险因素水平超过警戒线，在前台管理界面中立即准确显示预警位置，点击危险区域信息可查看人员情况，通过井下通信系统及时发布警报，采取相关措施消除事故源，并组织人员疏散。其次是责任事故预防。责任事故预防有2种情况：一是在封闭火区、瓦斯区、盲巷、废弃巷道等严禁入内区域架设固定RFID设备，以防人员误入造成事故；其次是在危险区、放炮警戒处、巷道维修地段等临时禁行地段，由专人拿临时、手持式RFID阅读器进行人员监控，与警灯、音频报警器、警示牌相结合，避免责任事故发生。事故后处理指灾害事故发生后及时组织扑救和人员救护工作。传统管理方式事故发生后，救护队往往盲目入井，对灾情、滞留人员情况不了解，容易造成意外伤害。RFID管理系统中，利用事故发生工作面入口RFID阅读器上传的信息，可准确得到各工作面的人员数量、位置信息，及时配备人力、设备，在最短时间内采取抢险营救措施。营救过程中利用手持式RFID阅读器对滞留人员进行准确定位。
2．2 安全物资管理
    在RFID井下物流管理系统中，安全物资、运送安全物资的容器(托盘)和设备(专用车辆)、库存管理人员、领用人员都粘贴、佩戴RFID标签。通过物资、人员、位置信息的一一对应，实现全环节自动化、数据化监控管理。实现物资出入库、盘库等物流作业高效自动管理，物资领用管理责任明确，物资流动路线在途实时跟踪，提高了安全物资管理的安全性。

3 结束语
    矿业物流管理系统通过RFID技术特点与采矿生产具体流程相结合，提出新的矿井下管理模型，建立完整性、实时性和灵活性的矿井下物流管理系统。RFID只是一项自动识别技术，以其为技术支撑的管理信息系统功能的合理设计，管理流程的严格规范，才是我国矿业安全生产管理水平真正提高的根本保证。