我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭工業(yè)對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。但煤礦安全事故的頻繁發(fā)生，也成為煤炭行業(yè)一個(gè)非常棘手和值得關(guān)注的問(wèn)題。為了有效減少礦難事故的發(fā)生，近年來(lái)，安防技術(shù)在煤礦領(lǐng)域受到重視，其應(yīng)用越來(lái)越普遍。本文主要介紹了井下人員管理系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用。
文/霍尼韋爾安防集團(tuán)（中國(guó)）有限公司工業(yè)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 胡海軍
背景綜述
我國(guó)是一個(gè)煤炭大國(guó)，2007年煤炭產(chǎn)量為25.5億噸，占世界煤炭產(chǎn)量的40%，在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中所占比重一直保持在70%以上。我國(guó)95％的煤礦開(kāi)采是地下作業(yè)，其環(huán)境非常復(fù)雜，瓦斯爆炸、透水、坍塌以及火災(zāi)事故頻頻發(fā)生。盡管這幾年通過(guò)政府各種強(qiáng)制措施和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，礦難事故明顯減少，但百萬(wàn)噸死亡率仍舊很高，是印度、俄羅斯的7倍，美國(guó)的70倍，因此解決煤礦安全問(wèn)題仍舊是一個(gè)必須長(zhǎng)期高度重視的問(wèn)題。如何防患于未然，杜絕事故發(fā)生？即使發(fā)生礦難，如何在第一時(shí)間采取有效營(yíng)救人員方案，將損失降低到最??？這需要包括行政干預(yù)、提高礦工素質(zhì)等多方面的措施，但利用先進(jìn)的科技水平提高煤礦整體管理水平將是有效的解決辦法之一。
近幾年，煤炭市場(chǎng)價(jià)格一路走高，在用電高峰期，煤炭供不應(yīng)求。為了在保證產(chǎn)量的同時(shí)，加強(qiáng)煤礦企業(yè)在安全方面的投入，2004年下半年，國(guó)家建立了煤礦安全費(fèi)用提取制度，具體為4-15元/噸，而高瓦斯煤礦為15元/噸。全國(guó)包括新建礦在內(nèi)大約有25000座煤礦，其中中型以上煤礦約1000座左右。煤礦安全市場(chǎng)巨大，激發(fā)國(guó)內(nèi)外眾多企業(yè)參與其中。
井下人員管理系統(tǒng)應(yīng)用概況
在煤礦中，需要安裝的安全系統(tǒng)包括煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、煤炭產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員管理系統(tǒng)、井下通信系統(tǒng)等。其中井下人員管理系統(tǒng)側(cè)重對(duì)下井人員的管理，及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，為井下人員的搶救提供可靠信息，提高搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率。同時(shí)，還向監(jiān)控中心傳送井下人員的位置信息，使管理層實(shí)時(shí)掌握每個(gè)人在井下的位置及活動(dòng)軌跡，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)將有積極作用，在一定程度上減少人員傷亡。平時(shí)，系統(tǒng)上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄，同時(shí)也可以對(duì)煤礦進(jìn)行多級(jí)聯(lián)網(wǎng)，各級(jí)管理人員能及時(shí)掌握煤礦井下情況，提高煤礦管理水平。
為了進(jìn)一步提高煤礦安全產(chǎn)品的技術(shù)水準(zhǔn)，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在2007年批準(zhǔn)了7項(xiàng)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，均自2007年7月1日起施行，與煤礦井下人員管理系統(tǒng)相關(guān)的為AQ1048-2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》和 AQ6210-2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，與舊標(biāo)準(zhǔn)比較，后者明顯提高了煤礦井下人員管理系統(tǒng)的技術(shù)門(mén)檻。
目前，國(guó)內(nèi)外大概有幾十家企業(yè)推出了煤礦井下人員管理系統(tǒng)，這些企業(yè)主要包括三種類(lèi)型：一種是國(guó)際品牌，比如霍尼韋爾等，他們的優(yōu)勢(shì)是在國(guó)外具有豐富的工業(yè)自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)和熟悉煤礦的應(yīng)用；第二種是與煤炭科學(xué)研究總院有關(guān)聯(lián)的企業(yè)：比如重慶梅安森等，這些企業(yè)的優(yōu)勢(shì)是熟悉國(guó)內(nèi)煤礦產(chǎn)品，對(duì)國(guó)內(nèi)的煤礦運(yùn)作比較熟悉；第三種是一些軟件企業(yè)、電氣集成商或與自動(dòng)化相關(guān)的企業(yè)，比如濟(jì)南科一力等，這類(lèi)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)是在軟件開(kāi)發(fā)方面。大部分廠家推出的產(chǎn)品至今仍舊沒(méi)有通過(guò)“AQ6210-2007”新安全標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)指標(biāo)、可靠性等方面不能得到保證。并且很多產(chǎn)品的定位僅局限于“考勤”功能，而不能完全實(shí)現(xiàn)“人員定位”。企業(yè)技術(shù)水平參差不齊，并且在售后服務(wù)、產(chǎn)品升級(jí)等方面也存在著差距，煤礦人員管理系統(tǒng)市場(chǎng)還有待進(jìn)一步的發(fā)展和提高。
主要應(yīng)用技術(shù)
煤礦井下結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，什么樣的技術(shù)才是最合適的？根據(jù)這幾年的探索，大部分煤礦井下人員管理系統(tǒng)均采用了比較成熟的基于2.4GHz的無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，下面分幾個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行闡述。
圖1為采用比較多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)煤礦實(shí)際情況，可以采用串行通信，也可以采用并行通信，或者兩者同時(shí)采用。這種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能保證系統(tǒng)在井下和井上高效可靠的工作。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳/設(shè)備控制
可以選用的主干數(shù)據(jù)傳輸方式包括：光纖（Fiber）、控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Net)、以太網(wǎng)（Ethernet）、漏泄通信(Leaky Feeder)，這些均是井下到井上的數(shù)據(jù)主干，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制中樞，對(duì)比各種傳輸網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)劣表現(xiàn)如下：
·漏泄通信：因距離長(zhǎng)，泄露電纜線(xiàn)路設(shè)備多而復(fù)雜，且主干不再接入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，不能發(fā)揮潛在功能。泄露電纜方案為中心主從架構(gòu)，對(duì)于大煤礦數(shù)據(jù)上傳速度難以滿(mǎn)足煤礦應(yīng)用；
·以太網(wǎng)：煤礦采用以太網(wǎng)，設(shè)備成本高，對(duì)于人員管理的應(yīng)用而言組網(wǎng)過(guò)于復(fù)雜，如果為此專(zhuān)門(mén)敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)成本偏高；
·控制器局域網(wǎng)：對(duì)煤礦環(huán)境長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳送顯得吃力；
·光纖：光纖為成熟的常規(guī)解決方案，可以適合煤礦巷道較多，距離較長(zhǎng)且復(fù)雜的特點(diǎn)，并且成本也比較低。
因此，在沒(méi)有可利用的煤礦通信主干情況下，光纖為成熟的常規(guī)解決方案。
幾種常見(jiàn)的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯集方式
常用數(shù)據(jù)匯集方式包括：RS485總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)、ZigBee PAN（ Personal Area Network）、漏泄通信(Leaky Feeder)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯集負(fù)責(zé)將多個(gè)讀卡器或分站的數(shù)據(jù)收集并經(jīng)傳輸主干上傳。下面簡(jiǎn)單地對(duì)這幾種數(shù)據(jù)匯集方式進(jìn)行分析：
·漏泄通信：泄露電纜在現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)較RS485復(fù)雜昂貴，且要求讀卡器或分站必須具備無(wú)線(xiàn)耦合模塊，增加了成本；并且泄露電纜為中心主從架構(gòu)，對(duì)于大煤礦數(shù)據(jù)上傳速度不夠，性?xún)r(jià)比較差；
·ZigBee PAN：只能支撐PAN，因此限于現(xiàn)場(chǎng)局部數(shù)據(jù)匯集，其作用等同RS485總線(xiàn)，但系統(tǒng)的復(fù)雜性高，性?xún)r(jià)比差；
·CAN總線(xiàn)：與RS485總線(xiàn)相比，通信效率更高，但工程設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大，CAN的優(yōu)越性不能顯現(xiàn)，造價(jià)較RS485高；
·RS485總線(xiàn)：RS485總線(xiàn)的設(shè)計(jì)已能滿(mǎn)足RFID數(shù)據(jù)匯集的需求，工程性，維護(hù)性都比較好。
因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯集采用RS485總線(xiàn)更能滿(mǎn)足需求，成本最低。
識(shí)別卡
識(shí)別卡可以采用如下技術(shù)：Blue Tooth、ZigBee、nRF。煤礦行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信標(biāo)采集距離，并發(fā)采集數(shù)量有明確規(guī)定。上述技術(shù)差異比較如下：
Blue Tooth、Zigbee和nRF均為工作于2.4GHz免許可頻段的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)協(xié)議。Blue Tooth采用GFSK窄帶技術(shù)，跳頻展頻抗干擾，同步時(shí)隙仲裁，并發(fā)信道8個(gè)，即同時(shí)處理信標(biāo)個(gè)數(shù)最多7個(gè)；ZigBee采用直序展頻，冗余應(yīng)答仲裁，并發(fā)信道16個(gè)。
Blue Tooth、Zigbee均為通用個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）組網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和組織的開(kāi)銷(xiāo)很大，不適應(yīng)節(jié)點(diǎn)過(guò)于活躍的應(yīng)用，對(duì)于煤礦井充當(dāng)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)大流量，并發(fā)操作很吃力。組網(wǎng)開(kāi)銷(xiāo)使Blue Tooth的協(xié)議效率為20%，Zigbee為21%，而nRF為40%。
nRF為北歐半導(dǎo)體專(zhuān)利協(xié)議，并發(fā)信道數(shù)為83個(gè)，協(xié)議效率高，GFSK單頻功率控制技術(shù)（不做跳頻），仲裁開(kāi)銷(xiāo)小，功耗僅為Blue Tooth的1/90，ZigBee的1/4。因此，nRF協(xié)議及其器件特別適合煤礦RFID應(yīng)用。
井下人員管理產(chǎn)品功能待提升
雖然當(dāng)前人員管理系統(tǒng)在煤礦礦井的應(yīng)用越來(lái)越普遍，且技術(shù)也趨于成熟，但從產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，其功能還有待提升。
1. 無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位
煤礦人員管理系統(tǒng)能將煤礦井下按照地理位置和功能差異分為不同區(qū)域，比如巷道、采掘面、采空區(qū)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的定位，而不能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于GPS的精確定位，即系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示礦工所在的區(qū)域，盡管有些企業(yè)產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀卡器或分站識(shí)別距離的調(diào)節(jié)，但仍舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位。從理論上說(shuō)，通過(guò)布置無(wú)限多的分站可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但由于電磁波的干擾以及成本因素，這種辦法是無(wú)意義的。
2. 以單向通信為主
大部分企業(yè)提供的人員管理系統(tǒng)仍舊是第一代產(chǎn)品，即單向通信。雙向通信將是第二代產(chǎn)品的特征。通過(guò)雙向通信，系統(tǒng)不僅能將井下的位置信息傳到地面，還可以將井下人員的反饋及時(shí)傳遞上來(lái)，同時(shí)還能將地面管理人員的信息傳遞給礦工，比如警告信息、逃生路線(xiàn)下達(dá)等。一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第二代產(chǎn)品，但其通信信息還需要擴(kuò)充，功能還需進(jìn)一步完善，穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步提高。
3. 漏讀率及并發(fā)數(shù)量有待提高
由于煤礦環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于人員管理系統(tǒng)，需要在惡劣的環(huán)境中對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度的人員或資產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)識(shí)別，比如大型礦中膠輪車(chē)可以達(dá)到每秒17米的運(yùn)動(dòng)速度（相當(dāng)于每小時(shí)60公里速度），在高速或人員高密集區(qū)域，能夠?qū)⒙┳x率降到最低。
4. 系統(tǒng)遠(yuǎn)程集成能力欠缺
目前更多產(chǎn)品仍舊專(zhuān)注于單個(gè)礦或幾個(gè)礦的應(yīng)用，未來(lái)將會(huì)在集成到煤礦集團(tuán)自動(dòng)化系統(tǒng)或遠(yuǎn)程集成方面得到更大的發(fā)展。
5. 軟件操作界面復(fù)雜
由于系統(tǒng)功能較多，目前大部分產(chǎn)品軟件操作界面都比較復(fù)雜，在軟件界面友好性及易操作方面都有待提高。
煤礦人員管理系統(tǒng)解決方案
霍尼韋爾借鑒了公司在美洲、大洋洲和非洲各類(lèi)礦井安防領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合中國(guó)煤礦安防領(lǐng)域的特殊需求，歷時(shí)3年進(jìn)行煤礦行業(yè)第一線(xiàn)調(diào)查、需求分析、研發(fā)和生產(chǎn)，推出針對(duì)礦用行業(yè)的KJ297井下人員管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功通過(guò)國(guó)家最新強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)AQ6210-2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》并獲得安標(biāo)認(rèn)證。該煤礦人員管理系統(tǒng)，其井下硬件設(shè)備完全是純本安設(shè)計(jì)，系統(tǒng)符合煤礦安全生產(chǎn)運(yùn)作流程，具有進(jìn)出井人員統(tǒng)計(jì)、位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、區(qū)域超員報(bào)警、滯留超時(shí)報(bào)警、禁區(qū)闖入報(bào)警、巡更異常實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。
該系統(tǒng)基于2.4GHz無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，KJ297煤礦人員管理系統(tǒng)通過(guò)光纜和電纜傳輸表征人員身份的標(biāo)識(shí)卡信息，將攜卡人員的信息實(shí)時(shí)定位在井下矢量信息礦圖的本安讀卡器上。系統(tǒng)后臺(tái)使用微軟最新的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，前臺(tái)提供友好的界面，方便用戶(hù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)與統(tǒng)計(jì)，同時(shí)該系統(tǒng)還獲得了“多客戶(hù)端大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)顯示”、
“人員軌跡預(yù)測(cè)算法”、“人員進(jìn)出分析算法”等三項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利。該產(chǎn)品與新標(biāo)準(zhǔn)比較見(jiàn)表1。
結(jié)束語(yǔ)
國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，將極大提高煤礦井下人員管理系統(tǒng)的技術(shù)門(mén)檻。只有那些對(duì)煤礦需求具有深刻理解，在研發(fā)力量、安裝、售后服務(wù)水平方面保持優(yōu)勢(shì)的企業(yè)提供的產(chǎn)品才能經(jīng)受住市場(chǎng)的檢驗(yàn)，從而更好地保障礦工的生命安全，提高煤礦的管理水平。
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