煤矿限员智能管理系统的研发与应用

欧阳广臣

（山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东 济宁272055）

0 引言

根据《防治煤矿冲击地压细则》要求，人员进入冲击地压危险区域时必须严格执行“人员准入制度”，准入制度必须明确规定人员进入的时间、区域和人数，井下现场设立管理站。运河煤矿联合山东驭光电子科技有限公司共同研发“煤矿限员管理系统”，实现了人员进入危险区域的在线实时监控。

运河煤矿隶属济宁能源发展集团，位于山东省济宁市西北部，主采3煤，井田标高-200m～-900m，2016年定为冲击地压矿井。

1 国内冲击地压矿井限员管理现状

国家煤炭安全监察局（煤安监行管【2018】38）下发的关于《煤矿井下单位单班作业人数规定（试行）》的通知，要求煤矿必须优化劳动组织，减少井下作业人员，从源头上减少煤矿群死群伤事故风险的发生；山东省下发的《山东省煤矿冲击地压防治办法》（山东省人民政府令第325号）明确规定了限员范围、人数。目前大多冲击地压矿井针对限员管理的解决办法有三种：①通过在工作面的限员（限制综采工作面的工作人员数量）安全范围之外设置、悬挂限员牌板，当有人进入时在限员牌板处拿一块限员标牌，当工作人员在工作面出来时，再将限员牌挂回到限员牌板上；②采用无源的RFID卡与读卡分站，当人员进入工作面时先主动去刷卡，进行记录，工作完毕出工作面时再次进行刷卡，以记录工作面实时人数。但以上两种方案都存在弊端：工作人员进出时经常忘记刷卡，导致工作面人员数据不准确，并且当人数超过限定人数时，没有响应的信息提示；③采用红外的人员监测方式。这种方式最为简单，但也存在着致命的弊端，无论是过人还是过物都会进行统计，造成多计情况的发生，当多人并排进入的时候，只统计了一次，造成少计数情况的发生。随着时间的推移，这种误差会累加的越大。

现有的技术缺陷：①无法实现自动检测人员；②无源卡及限员牌无法携带不方便，影响正常的工作；③当人员超限时，无法进行报警；④忘记打卡，导致人员统计不准确；⑤无法进行身份判断。

2 研发思路

煤矿限员管理系统采用分布式设计的思想，遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则。以先进的嵌入式技术，有源RFID射频身份识别技术为基础，结合无线编码通信技术，数据通信、处理以及稳定的组态软件进行开发。

3 煤矿限员智能管理系统的设计与组成

3.1 系统构成

系统硬件主要由井下井上两部分组成，每个指定的工人都佩戴有源防爆射频卡（一卡一人，身份确定），并在每个施工巷道内装2台射频信号接收基站，1台装在巷道的入口处，另一台基站装在巷道内20米处，根据基站读到卡的先后顺序来判断煤矿工作人员的进出情况，工作人员何时进、何时出、巷道内有多少作业人员以及工作人员的身份都能反映到系统软件中。工人将该系统考勤卡佩戴在身上（可放于安全帽处）即可，无须主动刷卡便能实现自动监测，方便省力、准确度高。系统结构组成如图1所示：

图1 系统结构组成原理

3.2 系统实现的功能

1）煤矿限员在线监测系统能够自动感知巷道里人员的进出情况，实时统计巷道内作业人员数量、身份信息及在巷道内工作的时长。

2）当巷道内进入的人员超过规定数目时通过防爆扬声器发生报警信息，提示人员禁止入内，同时将报警信息传输至地面计算机，使管理人员掌握巷道内人员情况。

3）遇到巷道内发生危险情况，可通过人员身上所佩戴的身份识别卡发出的射频信号，迅速了解有关人员的基本情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

4）可将为煤矿建设的安全生产和日常管理再上新台阶提供有力保障。可有效阻止人员违章进入，并将违章人员记录在案。

5）可在井下LED显示屏实时显示各采面的目前人员数目，并且可根据时间段的不同动态调节采面的限员人数。

6）信息采集及监控分站和上位机上的参数设置在输入正确密码登陆后，可以在上位机上方便地进行报警参数（人数、时间段）的修改。

7）现场使用矿用防爆声光报警器，其主要功能是提示人员进出危险区域（限员区域）及当人员超限时再有人员进入进行声光报警，提示人员禁止入内。该声光报警器包括三种自定义声音：“您已进入限员区，请注意安全”，“您已离开限员区”，“人员已超限，禁止入内”并且根据读卡器的逻辑控制，发布不同的声音报警。

8）地面控制分站接入地面环网，与系统上位机组态软件实现无缝对接，在监控主机上可实现远程监控个采面的实时人数。

3.3 系统研发创新点

1）可实现工作面人员进出的自动检测，无需亲自刷卡，并且避免漏刷、重复刷卡的弊端，提高了工作效率及准确度；

2）通过射频卡，在确定工作面人员数量的同时实现工作人员身份信息的确定；

3）可在井下、井上的工控机上实时显示整个煤矿各个工作面的人员数量及信息；

4）当人数超限时，可在井上与井下实现声光报警，提示人员禁止再次入内。

3.4 系统软件设计

该系统运用各种设施及计算机控制技术，对井下限员管理系统的运行进行监控。井下控制器接入井下工业环网，在地面监控中心可实现远程监视及控制功能。能显示每个限员区的实时人数，刷卡记录、报警记录、参数设置、状态查看等画面，要求画面友好，便于操作。如图2所示。

图2 系统运行主界面

煤矿限员智能管理系统采用了7个主要的软件功能模块，分别为井下人员的信息查询功能、巷道人员实时监控功能、限员报警功能、人员信息管理、系统管理、状态管理以及丰富的人员信息展示功能。煤矿限员在线监测系统功能结构如图3所示：

图2 煤矿限员智能管理系统功能结构

3.5 主要技术经济指标

1）高速RFID智能读卡器。研发具有私有协议的高速读卡器，性能稳定，完全兼容ISO14443A协议，具有良好的EMC性能，频率可达902.6-927.4MHz的射频技术。

2）数据采集与传输分站。能与高速智能读卡器进行通信与无缝链接，采集有关关键参数与预处理；具有多路RS-485通信口、一个以太网通信口；通信协议能够满足通信协议要求；环境温度：-10℃-+70℃；供电电压：12V-36V。

3）使用工业级光纤收发器。能自动适应100Mbps和1000Mbps环境，便于网络的升级；内置高效交换核心，实现流量控制，减少广播包；支持全双工和半双工传输模式，能自动协商；支持双绞线口自动交叉，方便系统调试安装；支持Link Failure Alert（LFA）链路失败报警功能；支持FX半/全双工和链路失败功能报警开关选择；支持开关选择10/100Mbps存贮转发或100Mbps直通传输模式（独特的）；支持低延时传输；支持最长1600byte超长数据包传输；支持VLAN超长数据包传输；支持QOS，保证VOIP数据包传输；支持STP生成树，构成冗余网络；超低功耗（小于2W），低发热，能长时间稳定工作；支持双纤多模、双纤单模和单纤单模多种光纤口选择，便于扩展。

4 系统功能的先进性

1）可实现工作面人员进出的自动检测，无需亲自刷卡，并且避免漏刷、重复刷卡的弊端，提高了工作效率及准确度；

2）通过射频卡，在确定工作面人员数量的同时实现工作人员身份信息的确定；

3）可在井下、井上的工控机上实时显示整个煤矿各个工作面的人员数量及信息；

4）当人数超限时，可在井上与井下实现声光报警，提示人员禁止再次入内。

5 系统的现场使用情况

煤矿限员智能管理系统分别安装在运河煤矿6304综放工作面、7304综放工作面、7306综放工作面、C5301充填工作面及9306皮顺、9306轨顺、7316皮顺联络巷等掘进迎头后方，自从安装以来系统运行正常、稳定，达到设计要求及预期目标。

6 开发意义与推广前景

结合冲击地压煤矿安全生产的实际情况研制了煤矿限员智能管理系统，该系统可自动感知煤矿巷道里人员的进出情况，实时统计巷道及工作面内作业人员的数量、身份信息及工作时长，并且当巷道内进入的人员超过规定数目时通过防爆扬声器发生报警信息，提示人员禁止入内，同时将报警信息传输至地面计算机，使管理人员掌握巷道内人员情况。如遇到巷道内发生危险情况，可通过人员身上所佩戴的身份识别卡发出的射频信号，迅速了解有关人员的基本情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。该系统的安装使用，为保障煤矿安全生产和日常管理再上新台阶具有重要意义，该系统可应用于化工厂、隧道、金属矿山、非金属矿山等危险场所，具有较大推广价值和较好的社会效益。