我國是產(chǎn)煤大國，煤炭工業(yè)對我國經(jīng)濟發(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)一個非常棘手和值得關注的問題。為了有效減少礦難事故的發(fā)生，近年來，安防技術在煤礦領域受到重視，其應用越來越普遍。本文主要介紹了井下人員管理系統(tǒng)在煤礦中的應用。
文/霍尼韋爾安防集團（中國）有限公司工業(yè)產(chǎn)品市場經(jīng)理 胡海軍
背景綜述
我國是一個煤炭大國，2007年煤炭產(chǎn)量為25.5億噸，占世界煤炭產(chǎn)量的40%，在我國一次性能源生產(chǎn)和消費中所占比重一直保持在70%以上。我國95％的煤礦開采是地下作業(yè)，其環(huán)境非常復雜，瓦斯爆炸、透水、坍塌以及火災事故頻頻發(fā)生。盡管這幾年通過政府各種強制措施和先進技術的應用，礦難事故明顯減少，但百萬噸死亡率仍舊很高，是印度、俄羅斯的7倍，美國的70倍，因此解決煤礦安全問題仍舊是一個必須長期高度重視的問題。如何防患于未然，杜絕事故發(fā)生？即使發(fā)生礦難，如何在第一時間采取有效營救人員方案，將損失降低到最?。窟@需要包括行政干預、提高礦工素質等多方面的措施，但利用先進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，煤炭市場價格一路走高，在用電高峰期，煤炭供不應求。為了在保證產(chǎn)量的同時，加強煤礦企業(yè)在安全方面的投入，2004年下半年，國家建立了煤礦安全費用提取制度，具體為4-15元/噸，而高瓦斯煤礦為15元/噸。全國包括新建礦在內大約有25000座煤礦，其中中型以上煤礦約1000座左右。煤礦安全市場巨大，激發(fā)國內外眾多企業(yè)參與其中。
井下人員管理系統(tǒng)應用概況
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)側重對下井人員的管理，及時掌握井下人員的動態(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，提高搶險救災、安全救護的效率。同時，還向監(jiān)控中心傳送井下人員的位置信息，使管理層實時掌握每個人在井下的位置及活動軌跡，對煤礦的安全生產(chǎn)將有積極作用，在一定程度上減少人員傷亡。平時，系統(tǒng)上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄，同時也可以對煤礦進行多級聯(lián)網(wǎng)，各級管理人員能及時掌握煤礦井下情況，提高煤礦管理水平。
為了進一步提高煤礦安全產(chǎn)品的技術水準，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局在2007年批準了7項安全生產(chǎn)行業(yè)標準，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)通用技術條件》，與舊標準比較，后者明顯提高了煤礦井下人員管理系統(tǒng)的技術門檻。
目前，國內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)主要包括三種類型：一種是國際品牌，比如霍尼韋爾等，他們的優(yōu)勢是在國外具有豐富的工業(yè)自動化經(jīng)驗和熟悉煤礦的應用；第二種是與煤炭科學研究總院有關聯(lián)的企業(yè)：比如重慶梅安森等，這些企業(yè)的優(yōu)勢是熟悉國內煤礦產(chǎn)品，對國內的煤礦運作比較熟悉；第三種是一些軟件企業(yè)、電氣集成商或與自動化相關的企業(yè)，比如濟南科一力等，這類企業(yè)的優(yōu)勢是在軟件開發(fā)方面。大部分廠家推出的產(chǎn)品至今仍舊沒有通過“AQ6210-2007”新安全標準，在技術指標、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，而不能完全實現(xiàn)“人員定位”。企業(yè)技術水平參差不齊，并且在售后服務、產(chǎn)品升級等方面也存在著差距，煤礦人員管理系統(tǒng)市場還有待進一步的發(fā)展和提高。
主要應用技術
煤礦井下結構比較復雜，什么樣的技術才是最合適的？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的無線射頻識別（RFID）技術，下面分幾個方面對該系統(tǒng)進行闡述。
圖1為采用比較多的網(wǎng)絡拓撲結構，根據(jù)煤礦實際情況，可以采用串行通信，也可以采用并行通信，或者兩者同時采用。這種標準的網(wǎng)絡結構能保證系統(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)場設備的控制中樞，對比各種傳輸網(wǎng)絡，其優(yōu)劣表現(xiàn)如下：
·漏泄通信：因距離長，泄露電纜線路設備多而復雜，且主干不再接入數(shù)據(jù)采集設備，不能發(fā)揮潛在功能。泄露電纜方案為中心主從架構，對于大煤礦數(shù)據(jù)上傳速度難以滿足煤礦應用；
·以太網(wǎng)：煤礦采用以太網(wǎng)，設備成本高，對于人員管理的應用而言組網(wǎng)過于復雜，如果為此專門敷設網(wǎng)絡成本偏高；
·控制器局域網(wǎng)：對煤礦環(huán)境長距離數(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，距離較長且復雜的特點，并且成本也比較低。
因此，在沒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。
幾種常見的系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集方式
常用數(shù)據(jù)匯集方式包括：RS485總線、CAN總線、ZigBee PAN（ Personal Area Network）、漏泄通信(Leaky Feeder)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集負責將多個讀卡器或分站的數(shù)據(jù)收集并經(jīng)傳輸主干上傳。下面簡單地對這幾種數(shù)據(jù)匯集方式進行分析：
·漏泄通信：泄露電纜在現(xiàn)場敷設較RS485復雜昂貴，且要求讀卡器或分站必須具備無線耦合模塊，增加了成本；并且泄露電纜為中心主從架構，對于大煤礦數(shù)據(jù)上傳速度不夠，性價比較差；
·ZigBee PAN：只能支撐PAN，因此限于現(xiàn)場局部數(shù)據(jù)匯集，其作用等同RS485總線，但系統(tǒng)的復雜性高，性價比差；
·CAN總線：與RS485總線相比，通信效率更高，但工程設計中節(jié)點數(shù)量不大，CAN的優(yōu)越性不能顯現(xiàn)，造價較RS485高；
·RS485總線：RS485總線的設計已能滿足RFID數(shù)據(jù)匯集的需求，工程性，維護性都比較好。
因此，相對來說，現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集采用RS485總線更能滿足需求，成本最低。
識別卡
識別卡可以采用如下技術：Blue Tooth、ZigBee、nRF。煤礦行業(yè)標準對信標采集距離，并發(fā)采集數(shù)量有明確規(guī)定。上述技術差異比較如下：
Blue Tooth、Zigbee和nRF均為工作于2.4GHz免許可頻段的簡單數(shù)據(jù)協(xié)議。Blue Tooth采用GFSK窄帶技術，跳頻展頻抗干擾，同步時隙仲裁，并發(fā)信道8個，即同時處理信標個數(shù)最多7個；ZigBee采用直序展頻，冗余應答仲裁，并發(fā)信道16個。
Blue Tooth、Zigbee均為通用個人局域網(wǎng)（PAN）組網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡調度和組織的開銷很大，不適應節(jié)點過于活躍的應用，對于煤礦井充當節(jié)點的信標大流量，并發(fā)操作很吃力。組網(wǎng)開銷使Blue Tooth的協(xié)議效率為20%，Zigbee為21%，而nRF為40%。
nRF為北歐半導體專利協(xié)議，并發(fā)信道數(shù)為83個，協(xié)議效率高，GFSK單頻功率控制技術（不做跳頻），仲裁開銷小，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應用。
井下人員管理產(chǎn)品功能待提升
雖然當前人員管理系統(tǒng)在煤礦礦井的應用越來越普遍，且技術也趨于成熟，但從產(chǎn)品實際應用來看，其功能還有待提升。
1. 無法實現(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，實現(xiàn)對區(qū)域的定位，而不能實現(xiàn)類似于GPS的精確定位，即系統(tǒng)可以實時顯示礦工所在的區(qū)域，盡管有些企業(yè)產(chǎn)品可以實現(xiàn)對讀卡器或分站識別距離的調節(jié)，但仍舊無法實現(xiàn)精確定位。從理論上說，通過布置無限多的分站可以實現(xiàn)這一點，但由于電磁波的干擾以及成本因素，這種辦法是無意義的。
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傳遞上來，同時還能將地面管理人員的信息傳遞給礦工，比如警告信息、逃生路線下達等。一些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出第二代產(chǎn)品，但其通信信息還需要擴充，功能還需進一步完善，穩(wěn)定性也有待進一步提高。
3. 漏讀率及并發(fā)數(shù)量有待提高
由于煤礦環(huán)境復雜，對于人員管理系統(tǒng)，需要在惡劣的環(huán)境中對不同運動速度的人員或資產(chǎn)能夠實現(xiàn)及時識別，比如大型礦中膠輪車可以達到每秒17米的運動速度（相當于每小時60公里速度），在高速或人員高密集區(qū)域，能夠將漏讀率降到最低。
4. 系統(tǒng)遠程集成能力欠缺
目前更多產(chǎn)品仍舊專注于單個礦或幾個礦的應用，未來將會在集成到煤礦集團自動化系統(tǒng)或遠程集成方面得到更大的發(fā)展。
5. 軟件操作界面復雜
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、大洋洲和非洲各類礦井安防領域的經(jīng)驗，并結合中國煤礦安防領域的特殊需求，歷時3年進行煤礦行業(yè)第一線調查、需求分析、研發(fā)和生產(chǎn)，推出針對礦用行業(yè)的KJ297井下人員管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功通過國家最新強制標準AQ6210-2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術條件》并獲得安標認證。該煤礦人員管理系統(tǒng)，其井下硬件設備完全是純本安設計，系統(tǒng)符合煤礦安全生產(chǎn)運作流程，具有進出井人員統(tǒng)計、位置實時監(jiān)測、區(qū)域超員報警、滯留超時報警、禁區(qū)闖入報警、巡更異常實時報警等功能。
該系統(tǒng)基于2.4GHz無線射頻識別（RFID）技術，KJ297煤礦人員管理系統(tǒng)通過光纜和電纜傳輸表征人員身份的標識卡信息，將攜卡人員的信息實時定位在井下矢量信息礦圖的本安讀卡器上。系統(tǒng)后臺使用微軟最新的關系數(shù)據(jù)庫存儲，前臺提供友好的界面，方便用戶進行歷史數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計，同時該系統(tǒng)還獲得了“多客戶端大數(shù)據(jù)量實時顯示”、
“人員軌跡預測算法”、“人員進出分析算法”等三項國際發(fā)明專利。該產(chǎn)品與新標準比較見表1。
結束語
國家新標準的出臺，將極大提高煤礦井下人員管理系統(tǒng)的技術門檻。只有那些對煤礦需求具有深刻理解，在研發(fā)力量、安裝、售后服務水平方面保持優(yōu)勢的企業(yè)提供的產(chǎn)品才能經(jīng)受住市場的檢驗，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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