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基于RFID的矿业物流管理系统研究
字号:T|T 2013年09月30日10:25     电子设计工程
  • 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。

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,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。

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