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人员管理系统在煤矿中的应用

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我国是产煤大国,煤炭工业对我国经济发展发挥着重要作用。但煤矿安全事故的频繁发生,也成为煤炭行业一个非常棘手和值得关注的问题。为了有效减少矿难事故的发生,近年来,安防技术在煤矿领域受到重视,其应用越来越普遍。本文主要介绍了井下人员管理系统在煤矿中的应用。
文/霍尼韦尔安防集团(中国)有限公司工业产品市场经理 胡海军

背景综述
我国是一个煤炭大国,2007年煤炭产量为25.5亿吨,占世界煤炭产量的40%,在我国一次性能源生产和消费中所占比重一直保持在70%以上。我国95%的煤矿开采是地下作业,其环境非常复杂,瓦斯爆炸、透水、坍塌以及火灾事故频频发生。尽管这几年通过政府各种强制措施和先进技术的应用,矿难事故明显减少,但百万吨死亡率仍旧很高,是印度、俄罗斯的7倍,美国的70倍,因此解决煤矿安全问题仍旧是一个必须长期高度重视的问题。如何防患于未然,杜绝事故发生?即使发生矿难,如何在第一时间采取有效营救人员方案,将损失降低到最小?这需要包括行政干预、提高矿工素质等多方面的措施,但利用先进的科技水平提高煤矿整体管理水平将是有效的解决办法之一。

近几年,煤炭市场价格一路走高,在用电高峰期,煤炭供不应求。为了在保证产量的同时,加强煤矿企业在安全方面的投入,2004年下半年,国家建立了煤矿安全费用提取制度,具体为4-15元/吨,而高瓦斯煤矿为15元/吨。全国包括新建矿在内大约有25000座煤矿,其中中型以上煤矿约1000座左右。煤矿安全市场巨大,激发国内外众多企业参与其中。

井下人员管理系统应用概况
在煤矿中,需要安装的安全系统包括煤矿瓦斯监测监控系统、煤炭产量监控系统、井下人员管理系统、井下通信系统等。其中井下人员管理系统侧重对下井人员的管理,及时掌握井下人员的动态分布及作业情况,一旦事故发生,为井下人员的抢救提供可靠信息,提高抢险救灾、安全救护的效率。同时,还向监控中心传送井下人员的位置信息,使管理层实时掌握每个人在井下的位置及活动轨迹,对煤矿的安全生产将有积极作用,在一定程度上减少人员伤亡。平时,系统上传的位置信息也可以用做工作人员的考勤记录,同时也可以对煤矿进行多级联网,各级管理人员能及时掌握煤矿井下情况,提高煤矿管理水平。

为了进一步提高煤矿安全产品的技术水准,国家安全生产监督管理总局在2007年批准了7项安全生产行业标准,均自2007年7月1日起施行,与煤矿井下人员管理系统相关的为AQ1048-2007《煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》和 AQ6210-2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》,与旧标准比较,后者明显提高了煤矿井下人员管理系统的技术门槛。

目前,国内外大概有几十家企业推出了煤矿井下人员管理系统,这些企业主要包括三种类型:一种是国际品牌,比如霍尼韦尔等,他们的优势是在国外具有丰富的工业自动化经验和熟悉煤矿的应用;第二种是与煤炭科学研究总院有关联的企业:比如重庆梅安森等,这些企业的优势是熟悉国内煤矿产品,对国内的煤矿运作比较熟悉;第三种是一些软件企业、电气集成商或与自动化相关的企业,比如济南科一力等,这类企业的优势是在软件开发方面。大部分厂家推出的产品至今仍旧没有通过“AQ6210-2007”新安全标准,在技术指标、可靠性等方面不能得到保证。并且很多产品的定位仅局限于“考勤”功能,而不能完全实现“人员定位”。企业技术水平参差不齐,并且在售后服务、产品升级等方面也存在着差距,煤矿人员管理系统市场还有待进一步的发展和提高。

主要应用技术
煤矿井下结构比较复杂,什么样的技术才是最合适的?根据这几年的探索,大部分煤矿井下人员管理系统均采用了比较成熟的基于2.4GHz的无线射频识别(RFID)技术,下面分几个方面对该系统进行阐述。

图1为采用比较多的网络拓扑结构,根据煤矿实际情况,可以采用串行通信,也可以采用并行通信,或者两者同时采用。这种标准的网络结构能保证系统在井下和井上高效可靠的工作。

系统数据上传/设备控制
可以选用的主干数据传输方式包括:光纤(Fiber)、控制器局域网CAN(Controller Area Net)、以太网(Ethernet)、漏泄通信(Leaky Feeder),这些均是井下到井上的数据主干,现场设备的控制中枢,对比各种传输网络,其优劣表现如下:
·漏泄通信:因距离长,泄露电缆线路设备多而复杂,且主干不再接入数据采集设备,不能发挥潜在功能。泄露电缆方案为中心主从架构,对于大煤矿数据上传速度难以满足煤矿应用;
·以太网:煤矿采用以太网,设备成本高,对于人员管理的应用而言组网过于复杂,如果为此专门敷设网络成本偏高;
·控制器局域网:对煤矿环境长距离数据传送显得吃力;
·光纤:光纤为成熟的常规解决方案,可以适合煤矿巷道较多,距离较长且复杂的特点,并且成本也比较低。
因此,在没有可利用的煤矿通信主干情况下,光纤为成熟的常规解决方案。

几种常见的系统现场数据汇集方式
常用数据汇集方式包括:RS485总线、CAN总线、ZigBee PAN( Personal Area Network)、漏泄通信(Leaky Feeder)。现场数据汇集负责将多个读卡器或分站的数据收集并经传输主干上传。下面简单地对这几种数据汇集方式进行分析:
·漏泄通信:泄露电缆在现场敷设较RS485复杂昂贵,且要求读卡器或分站必须具备无线耦合模块,增加了成本;并且泄露电缆为中心主从架构,对于大煤矿数据上传速度不够,性价比较差;
·ZigBee PAN:只能支撑PAN,因此限于现场局部数据汇集,其作用等同RS485总线,但系统的复杂性高,性价比差;
·CAN总线:与RS485总线相比,通信效率更高,但工程设计中节点数量不大,CAN的优越性不能显现,造价较RS485高;
·RS485总线:RS485总线的设计已能满足RFID数据汇集的需求,工程性,维护性都比较好。
因此,相对来说,现场数据汇集采用RS485总线更能满足需求,成本最低。

识别卡
识别卡可以采用如下技术:Blue Tooth、ZigBee、nRF。煤矿行业标准对信标采集距离,并发采集数量有明确规定。上述技术差异比较如下:

Blue Tooth、Zigbee和nRF均为工作于2.4GHz免许可频段的简单数据协议。Blue Tooth采用GFSK窄带技术,跳频展频抗干扰,同步时隙仲裁,并发信道8个,即同时处理信标个数最多7个;ZigBee采用直序展频,冗余应答仲裁,并发信道16个。

Blue Tooth、Zigbee均为通用个人局域网(PAN)组网协议,网络调度和组织的开销很大,不适应节点过于活跃的应用,对于煤矿井充当节点的信标大流量,并发操作很吃力。组网开销使Blue Tooth的协议效率为20%,Zigbee为21%,而nRF为40%。

nRF为北欧半导体专利协议,并发信道数为83个,协议效率高,GFSK单频功率控制技术(不做跳频),仲裁开销小,功耗仅为Blue Tooth的1/90,ZigBee的1/4。因此,nRF协议及其器件特别适合煤矿RFID应用。

井下人员管理产品功能待提升
虽然当前人员管理系统在煤矿矿井的应用越来越普遍,且技术也趋于成熟,但从产品实际应用来看,其功能还有待提升。

1. 无法实现精确定位
煤矿人员管理系统能将煤矿井下按照地理位置和功能差异分为不同区域,比如巷道、采掘面、采空区等,实现对区域的定位,而不能实现类似于GPS的精确定位,即系统可以实时显示矿工所在的区域,尽管有些企业产品可以实现对读卡器或分站识别距离的调节,但仍旧无法实现精确定位。从理论上说,通过布置无限多的分站可以实现这一点,但由于电磁波的干扰以及成本因素,这种办法是无意义的。

2. 以单向通信为主
大部分企业提供的人员管理系统仍旧是第一代产品,即单向通信。双向通信将是第二代产品的特征。通过双向通信,系统不仅能将井下的位置信息传到地面,还可以将井下人员的反馈及时传递上来,同时还能将地面管理人员的信息传递给矿工,比如警告信息、逃生路线下达等。一些企业已经开发出第二代产品,但其通信信息还需要扩充,功能还需进一步完善,稳定性也有待进一步提高。

3. 漏读率及并发数量有待提高
由于煤矿环境复杂,对于人员管理系统,需要在恶劣的环境中对不同运动速度的人员或资产能够实现及时识别,比如大型矿中胶轮车可以达到每秒17米的运动速度(相当于每小时60公里速度),在高速或人员高密集区域,能够将漏读率降到最低。

4. 系统远程集成能力欠缺
目前更多产品仍旧专注于单个矿或几个矿的应用,未来将会在集成到煤矿集团自动化系统或远程集成方面得到更大的发展。

5. 软件操作界面复杂
由于系统功能较多,目前大部分产品软件操作界面都比较复杂,在软件界面友好性及易操作方面都有待提高。

煤矿人员管理系统解决方案
霍尼韦尔借鉴了公司在美洲、大洋洲和非洲各类矿井安防领域的经验,并结合中国煤矿安防领域的特殊需求,历时3年进行煤矿行业第一线调查、需求分析、研发和生产,推出针对矿用行业的KJ297井下人员管理系统。该系统成功通过国家最新强制标准AQ6210-2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》并获得安标认证。该煤矿人员管理系统,其井下硬件设备完全是纯本安设计,系统符合煤矿安全生产运作流程,具有进出井人员统计、位置实时监测、区域超员报警、滞留超时报警、禁区闯入报警、巡更异常实时报警等功能。

该系统基于2.4GHz无线射频识别(RFID)技术,KJ297煤矿人员管理系统通过光缆和电缆传输表征人员身份的标识卡信息,将携卡人员的信息实时定位在井下矢量信息矿图的本安读卡器上。系统后台使用微软最新的关系数据库存储,前台提供友好的界面,方便用户进行历史数据查询与统计,同时该系统还获得了“多客户端大数据量实时显示”、

“人员轨迹预测算法”、“人员进出分析算法”等三项国际发明专利。该产品与新标准比较见表1。

结束语
国家新标准的出台,将极大提高煤矿井下人员管理系统的技术门槛。只有那些对煤矿需求具有深刻理解,在研发力量、安装、售后服务水平方面保持优势的企业提供的产品才能经受住市场的检验,从而更好地保障矿工的生命安全,提高煤矿的管理水平。

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