矿难定位技术在救援中的应用

张开俊

平煤股份朝川矿，河南平顶山 467000

随着经济的快速发展，我国煤炭工业也得到了前所未有的迅猛发展，煤炭工业已经成为国民经济的基础和重要支柱产业之一，但是由于种种原因，煤矿频频出现重大、特大事故，使得煤矿行业也成为我国事故多发的危险行业，带给国家和人民非常严重的经济损失和精神伤害。矿难发生以后，需要对井下受困人员进行精准定位，确定其精确位置，及时组织救援，对井下受困人员进行营救。为了有效的抢险救灾，保证矿难救援工作的高效运作，在此情况下，矿难定位技术在救援中的应用发挥了强大的作用，尽可能把人民的生命财产损失降到最低。由于近年常用的GPS定位系统在井下很难起到定位的效果，所以开发矿难定位技术势在必行。通过不断的研究与探索，本文提出利用RFID 技术作为矿难定位的主要技术应用矿难救援工作中。

1 RFID系统的主要特点与原理

RFID统称为射频识别技术，此技术是通过高频交流变化电磁波的方式来完成地面与井下的非接触双向通信。从而可以达到井下人员识别以及交换数据等目的。RFID系统相比较于其它接触式识别技术，其主要特点是该系统的射频识别卡不需要和读卡器接触就可以在近百米的范围内实现不同的人员或者仪器在静止或移动状态下进行自动识别与定位。

RFID系统大多数情况下由识别卡与读卡器两部分组成[1]。射频识别卡的主要组成部分是功能模块、电源、存储器、天线等，存储器一般指的是电可擦可编程只读存储器。一般将天线连接至射频识别卡芯片的外部进而和读卡器进行通信。读卡器利用发射天线在一定的范围内发射一定频率的电磁波，电磁波的频率和发射天线的尺寸主要由区域大小来决定 。而在射频卡内部设有一个LC串联谐振电路，读写器的发射频率与LC串联谐振电路频率保持一致。在此情况下，当工人随身配有的射频卡经过发射天线的工作区域时,LC谐振电路受到了电磁波的激活，从而发生了共振，电容产生了电荷。其中LC振荡回路的频率可根据汤姆逊公式计算得到在电容一端的单向导通电子泵输送电荷并且将产生的电荷储存到电容上。在电荷储存超过2 V的情况下，产生电荷的电容就可以起到提供工作电压的作用，从而将卡内所存储的自身编号等数据通过识别卡内置天线发射到读卡器上。当读卡器完成接收载波信号的工作后，对读卡器进行解码和错误校验工作，在利用RS232、RS422、RS485 等差动方式接收在将得到的数据传输至后台系统中进行最终的校核和处理。后台主系统根据逻辑运算等形式判断识别卡的准确性，进行准确的人员的定位。进而针对不同的矿难情况进行有效的救援工作。

2 基于RFID的矿难定位技术组成

为了加快矿难中的营救工作，近年来矿山普遍采用了传统的有源RFID卡考勤系统的方法进行人员定位管理。主要通过将射频识别卡放置在工人身上，将读卡器设置在矿井进口或者井下的各个巷道，运输大巷的入口处。在佩戴此识别卡的工作人员或仪器车辆等经过读卡器时，识别卡中就会将信息传输到读卡器，在利用有线或无线的方式将信息传入服务器中，在此情况下可以完成对井下人员的识别与定位。在矿难发生的情况下，能够及时得到井下人员的位置情况。从而能够及时的确定营救方案。根据以上描述的矿山利用的RFID的矿难定位技术，可以清楚的看出完整的RFID的矿难定位技术有以下几方面组成：根据RFID系统的硬件方面可以分3部分：1）后台管理中心其中应当包括计算机、数据库服务器等仪器[2]；2）井下接收器基站；3）井下工作人员识别卡。后台管理中心主要是管理与控制矿山全部的通信定位系统，信息识别卡主要将卡与人对应,可以从数据中心的数据库中查到信息。

3 RFID的矿难定位技术的问题与解决措施

由于井下环境的复杂性与特殊性，所以应该对RFID定位技术在矿难救援中应当予以特殊处理。在一般处于沉积环境的巷道中，围岩岩石一般由非磁性物质组成。所以RFID的矿难定位技术的主要问题是需要对在非磁性物质组成的围岩巷道的条件下对电波传播距离及接收距离进行预估计算，从而保证读卡器与识别卡的无线交换数据的范围。

要对电波传播距离和接收距离进行预估计算，就要首先明确自由空间的概念。所谓的自由空间特指理想的无限大的真空的环境状态，在这种状态下媒质就会具有均匀性、各向同性，电导率为0、相对介电常数为与相对磁导率为1等特征。由此可见自由空间是一种理想化的状态。在自由空间内，如果设置一个天线，则在天线的辐射范围以内可以辐射到的最远距离D的接收点的场强为[3]，其中P0代表发射天线的发射功率；H0代表发射天线的增益；D代表辐射最远的距离；F0代表自由空间场强振幅值。由于当读写器的发射频率与LC串联谐振电路频率保持一致时才会产生接收天线与接收波的极化匹配并且阻抗匹配的效果，在此情况下理论的接收功率为其中 Pb代表天线发射的输入功率；He代表发射天线增益、Hi代表接收天线的增益；δ代表自由空间的一般电波波长。对于自由空间来说，在电波传播的过程中产生的衰减可以利用Re来表示。公式可表示为将上述的公式带入其中可以得到由于在井下巷道中接收器所发射的信号会有很多干扰，所以在实际工作中接收的场强E为[4]其中A代表衰减因子。根据研究A和接收器、识别卡的工作频率，地貌围岩物质的具体情况以及传播方式有关。所以通过以上阐述可以获得实际的天线在传输途中的损耗表达式为:R( d B ) = Re( d B )- 20lg A - 10lg He-10lg Hi根据现场的实验研究围岩的岩石由石英砂和方解石组成。其介电系数和电阻率分别为7.8Ω·m、700Ω·m和4.19Ω·m、1 000Ω·m对频率在900MHz时的传输损耗进行估算。得出在自由空间的情况下，传输频率在900MHz时传输距离为800m左右；对于巷道内含有耗媒质的情况下，传输距离将会降至790m左右但是对于现阶段我国的大多数矿山来说900MHz就可以满足矿难定位救援的需要。

[1]于兴启，蒋纯波，赵继军，等.一种新型射频识别天线的近场分析及应用[J].北京邮电大学学报，2010，24(3)：31-35.

[2]刘玫，李辉，顾亮.射频识别技术软硬件系统研制[J].电子技术，2008，3：29-32.

[3]王增和，卢春兰，钱祖平.天线与电波传播[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]王洪金.多天线空分定位RFIO阅读器的设计[J].微计算机信息，2007，6.