摘 要：射频识别技术RFID 是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关信息。RFID 识别无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。近年来，RFID 技术已经成功地引入到矿山安全管理领域，并展现出了良好的应用前景。介绍了RFID 系统的基本构成、工作原理及其在矿山安全管理中的应用情况，旨在推动我国矿山安全管理技术的变革。
关键词：射频识别；矿山；安全管理
0 引 言
射频识别（ Radio Frequency Identification，RFID）又称电子标签（E - Tag），是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“ 敌我辨识”系统［1］。随着技术的进步，RFID 应用领域日益扩大［2，3］，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID 利用射频方式进行非接触双向通信，实现人们对各类物体或设备（ 人员、物品）在不同状态（移动或静止）下的识别和数据交换。与同期或早期的接触式识别技术不同，RFID 系统的射频识别卡和阅读器之间不用接触就可完成识别。它具有以下特点：
（1）操作方便，工作距离长，可以实现对移动目标的识别；
（2）无硬件接触，避免了因机械接触而产生的各种故障，使用寿命长；
（3）射频识别卡无外露金属触点，整个卡片完全密封，具有良好的防水、防尘、防污损、防磁、防静电性能，适合恶劣环境条件下（ 如温、湿度变化大，灰尘多，难以保持卡面清洁的井下环境）工作；
（4）对无线传输的数据都经过随机序列的加密，并有完善、保密的通信协议，卡内序列号是唯一的，制造商在卡出厂前已将此序号固化，安全性高；
（5）卡内具有防碰撞机制，可实现同时对多个移动目标进行识别；
（6）信号的穿透能力强（ 可穿透墙壁、路面、衣物、人等），数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。
近年来，RFID 技术已经成功地引入到矿山安全管理领域］，并展现出了良好的应用前景。
1 RFID 系统构成
基本的RFID 系统由RFID 标签（Tag）、RFID 阅读器（Reader）及其应用支撑软件等几部分组成。RFID 标签（Tag）由芯片与天线（Antenna）组成，每个标签具有唯一的电子编码。标签附着在物体上以标识目标对象。RFID 标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式（Active）和被动式（ Passive）两种。主动式标签主动向读写器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源标签；被动式标签不带电池，又称为无源标签，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。被动式标签在接收到阅读器发出的电磁波信号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。主动式标签通常具有更远的通信距离，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式标签具有价格便宜的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。
RFID 标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同类型的天线。一个RFID 标签通常包含一个或多个天线。RFID 标签和阅读器工作时所使用的频率称为RFID 工作频率。目前RFID 使用的频率跨越低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波等多个频段。 RFID 频率的选择影响信号传输的距离、速度等，同时还受到各国法律法规的限制。RFID 阅读器（Reader）的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。根据应用不同，阅读器可以是手持式或固定式。RFID 应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外，介于阅读器与应用之间的中间件是其中的一个重要组成部分。该中间件为应用提供一系列计算功能，在电子产品编码（ Electronic ProductCode，EPC）规范中被称为Savant。其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传往企业应用的数据量。同时Savant 还提供与其他RFID 支撑系统进行互操作的功能。Savant定义了阅读器和应用两个接口。用户可以根据工作距离、工作频率、工作环境要求、天线极性、寿命周期、大小及形状、抗干扰能力、安全性和价格等因素选择适合自己应用的RFID 系统。
2 RFID 技术基本原理
在实际应用中，RFID 电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。
阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。在电磁场系统中，阅读器（Reader）发出一个电磁（EM）波，电磁波以一个球形波向前传播，电子标签淹没在这样传播的电磁波中并从电磁波中收集一些能量。在任何一个点上，可用的能量的大小与该点距发射机的距离有关。由上可知，阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励电子标签。
3 RFID 在矿山安全管理中的应用
无线及移动通信设备的应用带动了人们对位置感知服务的需求，人们需要确定物品的3 维坐标并跟踪其变化。现有的定位服务系统主要包括基于卫星定位的GPS 系统、基于红外线或超声波的定位系统以及基于移动网络的定位系统。RFID 为人与物体的空间定位与跟踪服务提供了一种新的解决方案。RFID 定位与跟踪系统主要利用标签对物体的唯一标识特性，依据阅读器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度来测定物品的空间位置，应用于GPS 系统难以应用的室内定位。目前，RFID系统在矿山安全管理中的应用主要是实现人与设备的定位及跟踪来实现安全管理的目的。
3. 1 基于RFID 的井下人员跟踪定位
矿井危险性事故时有发生，井下复杂的环境给人员撤离和事故抢救带来极大困难。若能及早确定井下人员所处的位置，会给营救工作带来极大方便，将人员损失减少到最小。现有的识别技术，无论是IC 卡、手纹识别技术还是红外线编码识别技术只能实现简单的人员考勤，无法很好解决对多个移动的物体和人员进行快速识别和跟踪。采用RFID 自动识别技术，对井下人员、设备进行跟踪定位在一定程度上能够保障人员生命安全、减少财产的损失。将阅读器安装在井下一些重要的峒室、危险区等需要监控的地方，分布区域的大小可视井下具体环境而定。射频识别卡可以内嵌在安全帽中，无需附加携带装备。在井下，员工只要穿过感应区域，阅读器就将接收到的数据经传输电缆传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。基于RFID 的井下人员定位系统可实现如下功能［4］：
（1）井下人员查询功能。实时查询当前井下人员的分布情况（分布区域的大小由阅读器的分布情况而定）；查询任一人员某一时刻所处的位置；查询任一人员当日或某日的活动踪迹。
（2）安全保障功能。发现人员丢失或发现井下人员超过规定时间，自动报警提示并提供相关人员的名单；对事故现场被埋人员进行搜寻和定位，以便及时救护。
（3）统计考勤功能。对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核；与此相应的中长期数据储存和有关报表的打印。
（4）信息联网功能。作为矿山局域网的信息源，具有功能完善的数据库。可向MIS 网提供所需与人员有关的实时统计数据。
3. 2 矿山井下机车定位跟踪
矿山机车的实时定位对拓展矿山轨道网现存容量，提高矿山机车的出行密度，提高矿山机车运作的安全性等都有着重要的意义。准确地了解每辆机车在任一时刻的位置就等于在任何时候都能够动态地调整机车的启程和到站时间，并且提高机车对不能预见情况的反应，从而大大提高矿山运输的质量，有力保障矿山运输的安全。
目前，RFID 技术运用于矿山机车定位跟踪系统的技术已基本形成。厦门矿通科技有限公司的“ 矿山机车定位跟踪系统”，其工作频率可达125kHz，使用可读写标签时，其阅读速度可达300 km/h，并可将有关信息下载至标签的空闲内存中。对于干线机车定位系统，可将无源标签以100 m 的间距固定于枕木上，标签读写器及通讯设备安装于车上，并联至车载微机。该系统由地面信标、移动读标器、无线数传、可视调度、无线对讲、声光报警等部分组成。运行中，如果两个机车太靠近（ 小于或等于3个信标器间隔）时，机车变成红色显示，如果允许声音报警，则同时发出报警声。管理员分为3 个等级：系统级、高级和普通。系统级管理员可以对程序进行任何操作。高级管理员可以进行除“系统参数设置”外的其它操作，普通管理员不能进行参数设置操作。每个管理员都有相应的工号，管理员登录时，使用工号进行登录。系统日志记录管理员值班信息。当以高级管理员登录时，可以保存和清空日志信息。如果要重放机车运行位置信息，可以使用回放功能。
3. 3 人员进出矿区自动识别管理
对于矿区内的炸药库等重要安全部门或设施，可以运用RFID 系统进行人员出入自动识别。识别系统可以实现如下主要功能：
（1）远距离识别（1 ～ 10 m），免刷卡操作，方便用户人性化管理；
（2）自动记录人员进出时间、地点信息；
（3）人员进出可实现图像对比，有效控制无关人员进出；
（4）对射频卡设置相应权限，控制有关人员可出入的地点，可实现未授权卡、失效卡、报失卡（ 黑名单卡）通过报警；
（5）同时允许多人同行；
（6）可适应从高速大范围到小范围的各种使用环境；
（7）采用中低频对人体无伤害的电磁污染；
（8）系统设备和射频卡为用户提供了独一无二的识别编码，从根本上消除了复制、伪造和作弊的现象，从而达到高度保密；
（9）系统软件操作简单、方便；
（10）系统稳定可靠，易于维护。
识别系统由数据采集、数据传输和监控管理3部分组成。数据采集设备主要是远距离非接触采集人员通过的时间、地点信息。数据传输主要是完成出入口与监控室之间的网络连接。监控管理部分主要是对上传的数据进行处理，提供完整的通行记录报告，生成考勤统计报表等，并实时监控人员进出状态，将数据存入硬盘备查；当人员非法进入或不按规定通道进出时，系统报警。当持卡人员进出大门设置的识别区域时，其随身携带的射频卡被系统识别，计算机自动调取该卡的相关信息，值班人员根据系统预存的个人图像资料，可判断该持卡人通过是否合法有效。当无卡、失效卡、挂失卡人员进入识别区域时，系统检测不到该人员的信息时提供报警信息。
4 结束语
当前，RFID 技术已成为IT 业界的研究热点，被视为IT 业的下一个“金矿”。RFID 技术为矿山安全管理提供了新的有效途径。目前基于RFID 的矿山安全管理技术的研究和应用仍然处于起步阶段，但可以预见，随着RFID 技术的不断发展，其在矿山安全管理领域的研究和应用将得到迅速发展，并将有力推动矿山安全管理的技术变革和创新。
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