双频RFID系统在南非采矿业上的实际应用

      在诸多制约RFID发展和应用的因素中，RFID技术本身的局限性也是主要因素之一。RFID技术本身的局限性表现在诸如由于RFID频率特性对识别对象的甄别性因此而造成的识别率不高等方面。对于RFID系统来讲，低频系统具有良好的对水、肉体等可导媒介的穿透力，而速度、距离、抗冲突性较差，而高频系统则正好相反。如何充分利用各种频率的特性，扬长避短，全球领先的RFID芯片设计公司iPico Identification公司创造性地将低频和高频两种频率特性集成在同一枚芯片上，使得这种双频系统同时具有了低频可穿透性和高频良好的距离、速度、抗冲突性。这种集成的双频系统可以广泛地应用在FFPT(无障碍人员跟踪)、高湿识别对象、动物识别、运动计时等方面，具有其他系统所不具备的优越性。本文介绍双频在采矿业上的应用，这种应用对目前我国重大安全事故频发的采矿业来讲，具有很好的榜样作用。  

      Anglo American Platinum公司位于南非的Paardekraal矿，RFID正承担着节约资金并挽救生命的重任。本文详细的讲述了Paardekraal矿井中RFID应用的详细情况与方案框架，联系到我国目前频频发生的煤矿安全事故，该RFID应用案例对于这一社会关注的问题通过技术手段解决有重大意义。 

      南非矿业部门指出其RFID系统实施在艰苦的矿井作业环境中的重要作用。与此同时，南非为矿业提供蓄电池以及各种管理服务的Willard Batteries公司，发现RFID技术在采矿业的巨大潜能。 

      南非最大的电子公司之一—Allied Electronics分公司，其业务现已从仅仅作为一个蓄电池产品供应商拓展到运送服务。公司所管理的矿业公司的一些设备之中，包括蓄电池供电的矿灯，安装在矿工的头盔上使用，会不断的损坏。通过为矿灯配备RFID标签，Willard可以对矿灯的使用以及维护情况进行跟踪。该技术也能够跟踪使用者以及他们的进出矿井情况。 

      Willard对RFID的采用历史同采矿本身有几分相似之处。到最近为止，Willard公司同矿业公司的联系仅仅限于蓄电池的供应。然而，大约5年前，Willard发现矿业的一个新的商业契机：提供设备管理。南非矿业公司开始对其矿灯的使用情况进行管理，包括采矿设备储备场所，维修地点，以及分配情况等的管理。那些设备不仅包括矿灯，还包括便携式照明设备，设备齐全的自救包，便携式瓦斯探测设备以及急救设备。据Willard 直流电源公司管理部经理Alan Waterston说，矿灯房大约有4000到5000矿灯以及其他设备。 

      为了实现对人员以及其他项目的自动化管理，公司过去曾开发了其特有的"智能灯"（Intellilamp）软件，该软件同条码技术关联使用，记录矿工出入矿灯房的情况。Waterston介绍说，在南非矿井标识员工的传统的系统中，每一位员工都配有唯一个条码数据所标识的ID。 

      Waterston 介绍说，"条码将员工编号以及其他各种编码结合起来，允许或限定对预定区域的访问"，"条码中所包含的详细信息可以通过智能灯系统采集，并且条码同RFID标签上的唯一的编号密切结合在一起，RFID标签固定到矿灯或者其它设备之上。此过程是数据库初级设计的一部分，并且同系统中矿灯的分配情况相关联。一旦完成的话，剩下仅仅是维护问题--当新的员工到来时增加新的分配或者当有员工离职去除以前的分配。" 

      将RFID系统应用到矿井中，事实证明这是一个严峻的挑战。Willard的管理人员对无源和有源RFID技术都进行了研究，据Waterston说。最初，公司测试采用125 KHz低频的以及13.56 MHz高频无源标签。对（采矿）帽灯蓄电池箱量身定做了标签，在设备发放室以及在矿灯房到井筒的出口处十字转门附近安装读写器（应答器）。十字转门同时也备有条码扫描器，用以识读每一个矿工的ID卡，确认是否允许通过。  

      然而，RFID系统没能达到最小读取距离为600mm（2英尺）的要求，因为有三个区域矿工必须通过十字转门。Waterston解释说，如果系统的读取范围小于2英尺，可能会出现读取错误的情况。公司对有源标签也进行了研究，如果采用有源标签，就可以满足跟踪物品时RFID系统可以有更大的读取距离，但是由于同无源标签相比，有源标签成本过高，这个方案也是不可行的。  

      另一个选择——900 MHz超高频无源标签和读写器——由于水和金属所导致的RF干扰，不能够实现较高的读取率。矿工所使用的所有工具是由不同的材料人工制成。因为灯是由塑料制成，对900MHz超高频标签的读取没有影响，帽灯的标签比较容易处理。设备齐全的自救包却被不锈钢容器所包围，对900MHz超高频标签的读取产生干扰。瓦斯探测设备也由不锈钢所包裹，干扰了标签和读写器的工作频率。 

      Willard在RFID解决方案的道路上不断的探索着，并和集成商I-Chain及RFID专业公司iPico Holdings进行了这一领域的合作。集成商I-Chain曾经同iPico合作开发过RFID系统在许多方面的应用。 

      RFID系统帮助Willard及其矿业客户遵循南非政府  

      2003年10月，Willard就开始对iPico的新的无源双频RFID标签和读写器进行测试，作为Anglo American Platinum公司位于南非西北省的Paardekraal矿测试计划的一部分，该测试计划为期四周。双频RFID技术集合了低频（125 kHz 到135 kHz）的发射和高频(6.8 MHz)RFID的高速数据传输能力的优点。RFID读写器传输低频信号给标签提供能量，标签使用高频频谱传输信号给读写器。 

     iPico的双频RFID系统可以实现对多个标签的成功读取，即使在众多矿工聚集、下井的人员不断减少的时候也可以成功读取。该系统在连续的基础上每分钟可以读取平均7200个标签，读取范围0.6m～2m。公司方宣称该系统可以透过液体，甚至某些金属运行，性能上优于13.56 MHz和860-960 MHz的 RFID系统。 

     双频RFID系统在测试计划中运行良好，2004年春季，i-Chain为Willard在一个矿灯房配置了18个双频读写器和5000个标签。安装工作包括搭建局域网（LAN）用以连接读写器。IPico帮助Willard确定矿灯房读写器的配置，从而使系统最优化运行。 

     据Waterston说，正如所预料的，双频系统得到了广泛的应用。"达到高度的精确性"需要跟踪矿工进出矿灯房的移动情况。"实质上，矿工是沿着预定好的装备有读写器的路线移动，从而可以收集到矿工和帽灯的数据，因为帽灯已经通过了这些预定点。"他介绍说，"作为Willard系统的一部分，读写器并没有安装到地面以下，但是如果需要的话，安装工作可能会拓展到一些特殊的工作区域。这些安装的成本收益将由客户来评估。" Willard目前正在其他的两个场所安装RFID系统，共计4000个矿灯。 

     一个恰当的管理应用软件——Willard同南非软件开发商联合设计——对RFID读写器网络和矿业企业资源规划（ERP）系统进行了结合。管理应用软件从矿业ERP系统的人力资源模块获取时间以及现场数据。时间和现场数据是同矿灯房的物品发布信息整合在一起的，而矿灯房的物品发布信息从RFID读写器收集的。这些整合在一起的数据，过去通常是对Willard有关矿灯房和设备使用的服务和管理信息等制定账单而使用。使用智能灯系统，Willard能够给出所有单元的清单，以方便帐单制定。 

      自从测试安装了第一个系统以来，据说Willard读取成功率是100%，系统能够在连续的基础上跟踪设备和矿工的移动情况。RFID在Paardekraal矿安装试运转的前两周，当系统发送警报给管理人员有员工没有按时进入矿灯房时，Willard所获得的矿井中人员的移动信息的价值是无法进行衡量的。 

      我们来看一下智能灯系统的一个真实场景：根据对标签单元的移动信息收集，发现一个矿灯没有通过预定点送还。此信息连同对矿灯房的实际核查一起证实了矿工尚未回来。一组人员送入矿井，他们在不久前预定好的一个爆破作业地点找到了那名矿工。 

      据Waterston说，采用RFID以及系统整合而成的Willard智能灯系统，主要好处在于能够跟踪矿工通过十字转门情况，能够标明工人从地面上到地下的路径。 

     “南非的矿井采用了一个轮班检查（shift-clearance）系统，根据该系统爆破以前的工作地点是非常明确的。” Waterston介绍说，“RFID跟踪（系统）的实施，能够提供给矿井第二阶段安全检查。”系统所产生的信息“允许任何矿工在其轮班以后尚没有返回到矿灯房时，快速确认，以确定其所在场所。”他解释说。 

      RFID系统帮助Willard及其矿业客户遵从南非政府的有关矿业以及工人安全的管理制制度，通过跟踪和记录每天作业的轮班数，每次轮班地下作业的员工数以及安全装置的维护情况等信息。对所有的设备以及以前曾经由人工管理的程序而言，完整的维修历史的记录是非常必需的。经由维修或者维护的设备，通过RFID系统记录到修理平台中。“一个矿灯，配备有唯一的标识码，然后就可以继续使用” Waterston说，“所有的维修和替换的零件都可以通过其特有的矿灯编号进行采集，从而构建了一个完整的服务日志。该智能灯系统保管备用物品、组件以及他们各自的价格的一个完整的清单，这样就有可能实现跟踪成本花费、备用物品以及组件的使用情况。”他说，“一些必需的报表的生成电子化，减少了这方面对劳动力的需求。此外，也减少了人为所产生的错误。” 

      该RFID系统整合了智能灯应用软件，也考虑到了十字转门通过点的安全核查。只有当矿工具有一个分配好的矿灯、设备齐全的自救包和便携式瓦斯探测设备时，才允许通过十字转门出入井筒。Waterston说，通过RFID系统收集的信息，可以防止对标识卡的假冒使用行为。它能够阻止其他人员进出矿井，因为只有有资格的矿工才具有条码ID标签。矿工的条码编号以及其设备RFID标签编码，都必须同其进入以前Willard智能数据库所分配的编码相匹配。 

      “对矿井工作人员进行跟踪，许多缔约的流动工作人员则是[矿业公司]所面临的一个主要挑战。”他说，“矿灯房是所有地下作业人员的必经之处，带有RFID标签的唯一标识设备分配给个人，允许对所有必要的个人信息进行采集。” 

      Waterston说，从读写器（应答器）获取的RFID数据根据每个矿业地点的需求转化为各种报告，“本质上是定位人员的移动、设备的丢失，以及跟踪拿去维修或交换的设备。” 

      Waterston提到，在此系统投入运行以前，每月某特定地点的矿灯的丢失率高达25%。因为没有任何机制对设备进行识别，并且没有将他们与特定的个人相联系，不可能指明说是谁丢失或者损坏了。现在却大不相同了。 

     “lamp for life的理念的采用，使得责任分担到个人，这样矿灯持有人就作为矿灯的物主身份。” Waterston说。矿工的ID编码同矿灯标签的ID编码的连接，就能使得所分配的设备所有人将对设备的丢失或损坏负有责任。 

      同任何重要技术的初始阶段一样，对员工的培训是RFID配置成功的重要因素。“一旦正确的技术确定下来，对人员的培训使其接受[采用]该系统，过去是，现在还是矿灯房管理的一个重要挑战。” Waterston说。尽管一些矿工对新系统持有怀疑态度，将它看作是对他们的一种考核机制，Waterston指出，RFID系统所带来的利益，矿井所有人是非常清楚的。改良了矿井作业人员的安全机制，设备维护管理的成本效益更优化，更为重要的是控制了设备丢失并且更精确地管理设备的使用情况。