Khai thác hầm lò được dự báo sẽ trở thành xu hướng dẫn đầu trong ngành khai khoáng trong tương lai gần. Sự phát triển vượt bậc của các thiết bị điện tử và công nghệ truyền thông đã đặt ra yêu cầu mới về việc tuân thủ các quy định an toàn nghiêm ngặt, nhằm đảm bảo vận hành các mỏ dưới lòng đất một cách an toàn và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.

Thẻ định vị ảo là một ứng dụng trên điện thoại thông minh. Ảnh: Epiroc

Mặc dù các giải pháp theo dõi và định vị trong môi trường kín đã có những bước tiến đáng kể, tuy nhiên, việc triển khai trong các mỏ dưới lòng đất vẫn còn nhiều thách thức. Điều này đòi hỏi các công nghệ hiện có phải đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe hơn để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong điều kiện khắc nghiệt.

Có thể nói, chỉ trong thời gian ngắn, công nghệ thẻ theo dõi thợ mỏ đã phát triển mạnh mẽ, từ các bộ xử lý đơn giản đến các ứng dụng thông minh trên điện thoại đóng vai trò như “thẻ ảo.” Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn toàn diện về các loại thẻ được ứng dụng trong khai thác hầm lò, các tiêu chuẩn mạng vô tuyến liên quan, cũng như các ưu, nhược điểm của từng công nghệ và những bước tiến mới đầy hứa hẹn trong lĩnh vực này.

Thẻ theo dõi chủ động và thẻ theo dõi gián tiếp

Đối với con người và các tài sản di động, từ xe hạng nhẹ đến máy móc khai thác hạng nặng, việc theo dõi thời gian thực là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và nâng cao năng suất. Hiện nay, việc theo dõi bằng thẻ có thể thực hiện dưới hai hình thức: chủ động và gián tiếp.

Các thẻ theo dõi chủ động, đặc biệt là thẻ Hệ thống vị trí thời gian thực (RTLS), cung cấp thông tin vị trí chính xác gần như tức thời. Các thẻ này sử dụng nhiều công nghệ định vị khác nhau để ghi nhận và báo cáo vị trí theo thời gian thực. Các thẻ càng tiên tiến thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng. Vì vậy, thẻ theo dõi chủ động thường được thiết kế có khả năng sạc lại, đảm bảo khả năng hoạt động liên tục trong các môi trường khắc nghiệt.

Bên cạnh các tài sản di động, mỏ còn sở hữu một số lượng lớn tài sản cố định, thường được đặt ở một vị trí cố định trong thời gian dài. Những tài sản này bao gồm máy bơm, bộ điều khiển, hộp phụ tùng quan trọng, ổ cắm điện, công tắc mạng, bình chữa cháy và máy khử rung tim, tất cả đều đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì hoạt động và đảm bảo an toàn tại mỏ.

Để giảm bớt chi phí, thay vì trang bị thẻ chủ động cho các tài sản này, có thể sử dụng phương pháp theo dõi gián tiếp bằng “đèn hiệu” Bluetooth® năng lượng thấp (BLE) chạy bằng pin. Với tuổi thọ pin từ ba đến bốn năm, thẻ BLE được định vị gián tiếp thông qua các thẻ chủ động khác khi chúng đi qua và ghi lại vị trí cuối cùng đã biết.

Các công nghệ thẻ định vị trong khai thác hầm lò

Việc lựa chọn công nghệ gắn thẻ phù hợp trong khai thác hầm lò có thể dựa trên nhiều tiêu chí như độ chính xác, hiệu quả, yêu cầu về hạ tầng mạng, cũng như chi phí triển khai và vận hành. Bên cạnh đó, yếu tố tâm lý và chiến lược quản lý thay đổi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự chấp nhận và áp dụng hiệu quả công nghệ mới.

Các công nghệ thẻ tiêu biểu hiện nay bao gồm:

1. Thẻ nhận diện tần số vô tuyến (RFID)
2. Thẻ Wi-Fi
3. Thẻ băng thông siêu rộng (UWB)
4. Thẻ ảo trên các ứng dụng di động
5. Thẻ Bluetooth® Low Energy (BLE)

Mỗi công nghệ trên đều có điểm mạnh riêng, phù hợp với các tình huống và mục tiêu khác nhau trong khai thác hầm lò.

1. Thẻ nhận diện tần số vô tuyến (RFID)

Con chip RFID và các loại thẻ định vị RFID. Ảnh: Wavelinx

Thẻ RFID là bộ phát đáp vô tuyến nhỏ, truyền dữ liệu đến máy thu vô tuyến kết nối với ăng-ten máy phát. Có hai loại thẻ RFID: thẻ thụ động và thẻ chủ động. Thẻ thụ động không có nguồn năng lượng riêng mà được cấp năng lượng bởi sóng điện từ phát ra từ máy đọc RFID. Ngược lại, thẻ chủ động được trang bị pin, cho phép mở rộng phạm vi đọc và cung cấp nhiều chức năng hơn. Khi được kích hoạt bởi xung điện từ từ thiết bị đọc RFID ở gần, thẻ RFID sẽ truyền dữ liệu kỹ thuật số đến thiết bị đọc, thường là một số nhận dạng duy nhất. Do thẻ không thể nhận bất kỳ thông tin nào nên giao tiếp giữa hai bên là một chiều.

Công nghệ thẻ RFID đơn giản, hiệu quả và phù hợp với nhiều ứng dụng từ quản lý hàng hóa đến theo dõi nhân sự trong môi trường công nghiệp.

Yêu cầu về mạng vô tuyến đối với thẻ RFID

Thẻ RFID có thể được sử dụng để định vị và theo dõi hiệu quả trong phạm vi mạng Wi-Fi hoặc mạng di động. Hệ thống RFID hoạt động dựa trên một mạng lưới đầu đọc và ăng-ten được bố trí khắp khu vực mỏ. Phạm vi hoạt động và độ phủ sóng của hệ thống phụ thuộc vào loại thẻ RFID được sử dụng (thụ động hay chủ động) và tần số hoạt động.

Độ chính xác, hiệu quả và chi phí của thẻ RFID

Trong ngành khai thác mỏ, thẻ RFID có thể được gắn vào thẻ nhận dạng của công nhân, các thiết bị bảo hộ như mũ bảo hiểm, hoặc thậm chí tích hợp trực tiếp vào cơ sở hạ tầng khai thác. Nhờ chi phí hợp lý và khả năng triển khai linh hoạt, công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, thẻ RFID vẫn tồn tại một số hạn chế, đặc biệt về độ chính xác và khả năng lưu trữ dữ liệu khi dùng để định vị và theo dõi trong môi trường phức tạp như hầm lò.

Trước đây, các đầu đọc RFID được bố trí chiến lược khắp khu vực mỏ để chia mỏ thành nhiều khu vực lớn. Chẳng hạn, trong một mỏ dài 100 km, có thể đặt 10 đầu đọc, mỗi đầu đọc bao phủ một khu vực rộng 10 km. Khi một người mang thẻ RFID đi qua đầu đọc, hệ thống chỉ ghi nhận thời gian và vị trí mà thẻ được quét, chứ không thể xác định vị trí hiện tại của người đó. Do đó, vị trí của người mang thẻ chỉ có thể được suy đoán nằm trong khu vực rộng lớn đó, điều này làm giảm độ chính xác. 

Ngày nay, với sự hỗ trợ của các thuật toán hiện đại, việc định vị thẻ RFID trở nên chính xác hơn nhiều. Dữ liệu từ các đầu đọc và mạng lưới được phân tích để xác định vị trí của thẻ trong thời gian thực, hiển thị trực tiếp trên hệ thống giám sát tại trung tâm điều khiển.

Ưu điểm của thẻ RFID:

• Theo dõi và kiểm soát truy cập đáng tin cậy
• Thẻ thụ động có hiệu quả về chi phí
• Được áp dụng rộng rãi trong ngành khai thác mỏ

Nhược điểm của thẻ RFID:

• Phạm vi hạn chế và dễ bị nhiễu sóng
• Giao tiếp một chiều cung cấp cái nhìn hạn chế
• Yêu cầu mạng lưới đầu đọc dày đặc để phủ sóng hiệu quả

2. Thẻ Wi-Fi

Thẻ định vị Wi-Fi. Ảnh: NLT Digital

Thẻ Wi-Fi hoạt động bằng cách tận dụng hạ tầng mạng Wi-Fi sẵn có để xác định vị trí thông qua các thuật toán định vị. Trong môi trường khai thác mỏ, công nghệ này hỗ trợ hiệu quả trong việc định vị nhân sự và theo dõi tài sản di động trong phạm vi vùng phủ sóng mạng. Ngoài ra, thẻ Wi-Fi có thể được tích hợp với các cảm biến để theo dõi các thông số môi trường hầm lò như nồng độ khí, nhiệt độ và chất lượng không khí. Khi kết hợp khả năng theo dõi vị trí theo thời gian thực, hệ thống không chỉ đảm bảo việc giám sát chặt chẽ các hoạt động mà còn cung cấp cảnh báo sớm, giúp giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho người lao động

Yêu cầu về mạng vô tuyến đối với thẻ Wi-Fi

Tùy thuộc vào nhu cầu về độ chính xác, việc sử dụng thẻ Wi-Fi để theo dõi và định vị có thể đòi hỏi một số lượng lớn các điểm truy cập Wi-Fi, thường nhiều hơn so với số điểm cần thiết để xử lý tải dữ liệu thông thường ở các mỏ. Điều này có thể làm tăng đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng và bảo trì. Ngoài ra, sự thiếu tiêu chuẩn hóa giữa các nhà cung cấp giải pháp Wi-Fi có thể hạn chế khả năng tương thích giữa các hệ thống.

Độ chính xác, hiệu quả và chi phí của thẻ Wi-Fi

Các thẻ Wi-Fi có khả năng kết nối ổn định và phạm vi phủ sóng rộng, đặc biệt khi được hỗ trợ bởi cơ sở hạ tầng mạng phù hợp. Mặc dù độ chính xác của Wi-Fi bị hạn chế bởi tốc độ lấy mẫu và khoảng cách, tuy nhiên, các đèn hiệu BLE lại vượt trội hơn về khả năng định vị chính xác. Sự kết hợp giữa Bluetooth và Wi-Fi có thể tạo ra một hệ thống định vị lai hiệu quả, nhưng chi phí cao và đòi hỏi nhiều điểm neo cố định. Hơn nữa, các thẻ Wi-Fi tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với đèn hiệu BLE, khiến tuổi thọ pin ngắn hơn đáng kể.

Ưu điểm của thẻ Wi-Fi:

• Sử dụng cơ sở hạ tầng Wi-Fi hiện có
• Tốc độ truyền dữ liệu và độ chính xác cao trong điều kiện tầm nhìn
• Khả năng tích hợp với các hệ thống khác

Nhược điểm của thẻ Wi-Fi:

• Yêu cầu mạng Wi-Fi khỏe
• Tiêu thụ điện năng cao dẫn đến tuổi thọ pin ngắn hơn
• Thiếu tiêu chuẩn hóa giữa các nhà cung cấp giải pháp Wi-Fi 

3. Thẻ băng thông siêu rộng (UWB)

Thẻ định vị UWB. Ảnh: Anantics

Thẻ UWB sử dụng công nghệ vô tuyến tần số cao để truyền dữ liệu với độ trễ thấp. Thiết bị này phát ra một mã định danh duy nhất thông qua các xung ngắn 1-2 nano giây trên dải tần số rộng, thường nằm trong khoảng từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz. UWB không chỉ hỗ trợ theo dõi và định vị thời gian thực mà còn được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống tránh va chạm và điều hướng tiên tiến.

Thông qua phương pháp định vị tam giác, thẻ UWB cung cấp dữ liệu cần thiết để tạo ra hình ảnh 3D gần thời gian thực về môi trường xung quanh. Công nghệ này giúp nhận diện chính xác các yếu tố trong môi trường làm việc như con người, phương tiện và vách lò. Nhờ đó, thẻ UWB trở thành công cụ hỗ trợ đắc lực cho người vận hành máy móc trong các mỏ, người điều khiển từ xa trên mặt đất, cũng như hệ thống định vị của các phương tiện tự hành.

Yêu cầu mạng vô tuyến đối với thẻ UWB

Thẻ UWB yêu cầu có mạng di động hoặc mạng Wi-Fi và mạng lưới các điểm neo tương đối dày đặc trong mỏ.

Độ chính xác, hiệu quả và chi phí của thẻ UWB

Thẻ UWB cung cấp khả năng theo dõi vị trí thời gian thực với độ chính xác cao, ngay cả trong môi trường hầm lò đầy thách thức. Các thẻ này có thể định vị công nhân và tài sản với sai số chỉ ở mức centimet. Nhờ công nghệ truyền xung ngắn, thẻ UWB được tối ưu hóa để tiết kiệm năng lượng, giúp kéo dài tuổi thọ pin lên đến 7 năm. Tuy nhiên, để triển khai hệ thống UWB, cần đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng mạng so với các công nghệ thẻ thông thường khác.

Ưu điểm của thẻ UWB:

• Theo dõi vị trí theo thời gian thực với độ chính xác cao
• Hoạt động ổn định trong môi trường hầm lò đầy thách thức
• Định vị công nhân và tài sản với độ sai số chỉ ở mức centimet, đảm bảo độ chính xác cao

Nhược điểm của thẻ UWB:

• Yêu cầu cơ sở hạ tầng phức tạp và tốn kém
• Công suất tiêu thụ có thể cao hơn so với các công nghệ thẻ khác
• Việc ứng dụng và tính khả dụng hạn chế so với công nghệ thẻ RFID và BLE

4. Ứng dụng di động thẻ ảo

Có thể nhận thấy rằng, hiện nay, thẻ ảo là công nghệ thẻ tiên tiến và thực tế nhất dành cho các thợ mỏ. Các ứng dụng thẻ ảo được thiết kế để hoạt động trên các hệ điều hành điện thoại thông minh phổ biến, vì vậy không cần phải đầu tư vào phần cứng chuyên dụng.

Trên thực tế, do những lo ngại về quyền riêng tư của người lao động, việc sử dụng các thẻ truyền thống đã vấp phải sự phản đối tại một số khu vực. Các công nghệ thẻ cũ như RFID trở nên ít hiệu quả vì chúng chỉ đơn thuần phục vụ việc định vị thợ mỏ.

Trong khi đó, thẻ ảo không chỉ giúp theo dõi mà còn cho phép nhân viên giao tiếp hai chiều, mang lại giá trị sử dụng cao hơn. Chẳng hạn, ứng dụng thẻ có thể hỗ trợ công nhân di chuyển an toàn trong mỏ và giúp đảm bảo họ tránh được các tình huống nguy hiểm. Qua việc gửi tin nhắn văn bản hàng loạt và thông báo đẩy kích hoạt trên điện thoại của nhân viên, thẻ ảo còn hỗ trợ các giao thức an toàn và sơ tán, góp phần tạo ra một môi trường làm việc an toàn hơn cho người lao động.

Yêu cầu mạng vô tuyến đối với thẻ ảo

Với khả năng kết nối qua mạng Wi-Fi, di động và Bluetooth, điện thoại thông minh giúp việc tích hợp thẻ ảo với các hệ thống khác trở nên vô cùng dễ dàng và liền mạch. Trên mặt đất, định vị GPS cũng có thể được sử dụng để nâng cao độ chính xác trong quá trình theo dõi và định vị.

Độ chính xác, hiệu quả và chi phí của thẻ ảo

Thẻ ảo được kết nối với các máy chủ phụ trợ (backend) qua một phiên IP, đảm bảo luôn duy trì kết nối ổn định. Mọi dữ liệu do thẻ ảo phát hiện đều có thể được truyền trực tiếp về máy chủ backend, nâng cao khả năng nhận thức tình huống theo thời gian thực.   

Nhờ tận dụng cơ sở hạ tầng mạng sẵn có, công nghệ thẻ ảo loại bỏ hoàn toàn nhu cầu lắp đặt thẻ vật lý hay đèn hiệu dưới lòng đất. Việc không cần sử dụng phần cứng theo dõi chuyên dụng giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí vận hành liên tục. Tương tự bất kỳ ứng dụng tiêu dùng hiện đại nào, công nghệ này còn có khả năng được cập nhật thường xuyên và cải tiến dựa trên phản hồi của người dùng.

Ưu điểm của thẻ ảo:

• Dễ dàng cài đặt trên các thiết bị tiêu dùng phổ biến hiện nay
• Loại bỏ sự cần thiết của thẻ vật lý hoặc đèn hiệu truyền thống
• Cho phép giao tiếp hai chiều và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho người lao động

Nhược điểm của thẻ ảo:

• Chi phí cung cấp điện thoại cho công nhân có thể tương đối đắt đỏ
• Người dùng phải luôn sạc thiết bị của mình và luôn mang theo bên mình
• Cần cảnh giác về an ninh mạng, giống như với bất kỳ phần mềm của bên thứ ba nào 

5. Đèn hiệu Bluetooth® năng lượng thấp (BLE)

Đèn hiệu BLE. Ảnh: element14

Công nghệ đèn hiệu Bluetooth® năng lượng thấp (BLE) không phải là thẻ định vị mà là các thiết bị riêng biệt được lắp đặt ở những nơi có tín hiệu mạng yếu hoặc cần cải thiện độ chính xác định vị trong hầm mỏ. Thẻ định vị sẽ đọc tín hiệu từ đèn hiệu BLE hoạt động như các điểm tham chiếu, sau đó sử dụng mạng Wi-Fi hoặc di động để truyền dữ liệu BLE đến một bộ xử lý định vị, nơi các dữ liệu này được chuyển đổi thành vị trí cụ thể.

BLE được phát triển dựa trên công nghệ Bluetooth truyền thống, vốn thường được sử dụng để kết nối các thiết bị không dây như tai nghe hay chuột máy tính. Tuy nhiên, tiêu chuẩn BLE được tối ưu hóa để tiêu thụ năng lượng cực thấp, biến nó thành một giải pháp hiệu quả và lý tưởng cho các ứng dụng theo dõi trong môi trường công nghiệp.

Khi một thẻ nằm trong phạm vi của đèn hiệu, mã định danh duy nhất của thẻ có thể được sử dụng để theo dõi vị trí thực tế của người hoặc máy móc so với đèn hiệu đó. Ngoài ra, đèn hiệu BLE còn có khả năng kích hoạt các hành động dựa trên vị trí, chẳng hạn như gửi thông báo đẩy hoặc phát cảnh báo khi cần thiết.

Yêu cầu mạng vô tuyến đối với thẻ BLE

Đèn hiệu BLE sử dụng Wi-Fi hoặc mạng di động để truyền dữ liệu. Để đảm bảo vùng phủ sóng toàn diện trong hầm mỏ, có thể cần đến một mạng lưới đèn hiệu hoặc cổng BLE.

Độ chính xác, hiệu quả và chi phí của thẻ BLE

Đèn hiệu Bluetooth có chi phí tương đối thấp và dễ lắp đặt. Ngoài ra, khả năng tiêu thụ năng lượng thấp của đèn hiệu còn giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu tác động đến môi trường. 

Ưu điểm của thẻ BLE:

• Tận dụng công nghệ Bluetooth phổ biến
• Hỗ trợ theo dõi vị trí thời gian thực và giám sát vùng lân cận

Nhược điểm của thẻ BLE:

• Yêu cầu triển khai một mạng lưới đèn hiệu BLE dày đặc hơn, đặc biệt ở những khu vực cần độ chính xác cao
• Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với thẻ RFID, với thời lượng pin trung bình khoảng 3-4 năm
• Hiệu suất hoạt động có thể bị ảnh hưởng bởi vật cản hoặc nhiễu tín hiệu

Việc lựa chọn giải pháp thẻ định vị phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu quả giám sát và quản lý trong môi trường khắc nghiệt như hầm lò, cải thiện đáng kể mức độ an toàn trong khai thác mỏ.

Lựa chọn giải pháp thẻ phù hợp để theo dõi và định vị trong khai thác hầm lò phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng như: điều kiện môi trường, yêu cầu về độ chính xác, chi phí triển khai và bảo trì, cũng như khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai. Các công nghệ như thẻ BLE, RFID hay thẻ UWB đều có những ưu và nhược điểm riêng, vì vậy cần đánh giá kỹ lưỡng để lựa chọn giải pháp đáp ứng tốt nhất nhu cầu thực tế của từng mỏ./.