礦井救援漂浮定位系統及方法與流程

2023-06-11 01:41:51

本發明屬於井下救援技術領域，具體涉及一種礦井救援漂浮定位系統及方法。

背景技術：

礦井在建設和生產過程中，地面水和地下水通過各種通道湧入礦井，當礦井湧水超過正常排水能力時，就造成礦井水災，通常稱為透水，礦井透水是我國煤礦事故主要地質災害之一，透水事故一旦發生，嚴重的直接淹沒採區，造成礦井內的設備損失，造成大量經濟損失。同時，事故也會造成人員傷亡，井下一部分被困人員不能被及時救援，會威脅其生命安全，造成嚴重後果。目前，已經有成熟的地面救援設備和救援技術，如無人機、救援機器人、探測衛星等。但並沒有相關的對井下被困人員進行定位的裝置和技術。井下人員一旦被困，很難及時定位、救援，為救援工作帶來嚴重不便。因此，缺少一種井下救援定位系統及方法，對井下被困人員進行精確定位，並為井下被困人員提供維持生命的營養物質，延長被困人員等待救援的時間。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種礦井救援漂浮定位系統，其利用可漂浮儲物瓶定位被困人員位置，同時為被困人員帶去維持生命的營養物質，為救援工作贏取時間，為救援被困人員提供幫助，便於推廣使用。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：包括設置在井上的地面監控臺、與所述地面監控臺連接的光纖電纜以及設置在光纖電纜上且伸入至井下透水區的救援定位子系統，所述救援定位子系統包括多個無線救援終端，多個無線救援終端沿光纖電纜長度方向依次設置在光纖電纜上，相鄰兩個無線救援終端之間的距離為l且l<d，其中，d為相鄰兩個無線救援終端無線通信的有效距離，無線救援終端包括內部裝有營養液的儲物瓶、設置在儲物瓶瓶身內的控制模塊和設置在儲物瓶上的通信接口，儲物瓶外套裝有漂浮層，所述控制模塊包括處理器、供電電源以及與處理器相接的存儲器和用於無線數據通信的數據傳輸單元，處理器的輸入端接有心電傳感器和安裝在儲物瓶瓶身底部的稱重傳感器，處理器的輸出端接有安裝在漂浮層外的指示燈，所述地面監控臺包括工控機和與工控機相接的無線數據收發模塊，處理器依次通過通信接口和光纖電纜與工控機進行通信。

上述的礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：所述心電傳感器和稱重傳感器均通過a/d轉換電路與處理器的輸入端相接。

上述的礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：所述數據傳輸單元包括射頻收發器cc2420，相鄰兩個射頻收發器cc2420之間通信的有效距離為100m～120m，相鄰兩個無線救援終端之間的距離l滿足：80m<l<100m。

上述的礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：所述地面監控臺還包括與工控機輸出端相接的顯示器。

上述的礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：所述多個無線救援終端中靠近所述地面監控臺的無線救援終端與所述地面監控臺之間的距離小於相鄰兩個無線救援終端之間的距離l。

上述的礦井救援漂浮定位系統，其特徵在於：所述無線數據收發模塊與靠近所述地面監控臺的無線救援終端中的數據傳輸單元進行無線通信。

同時，本發明還公開了一種方法步驟簡單、設計合理、可快速定位井下被困人員的礦井救援漂浮定位的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟：

步驟一、初始化救援定位子系統：首先，給安裝在光纖電纜上全部的無線救援終端進行上電復位，全部的無線救援終端採用自組網或相鄰兩個無線救援終端之間無線信號傳遞的方式進行數據通信，確保每個無線救援終端無線通信正常；然後，工控機通過光纖電纜向光纖電纜上安裝的全部的無線救援終端發出指令，全部的無線救援終端均通過光纖電纜向工控機反饋信號，確保每個無線救援終端有線通信正常；

每個無線救援終端中的數據傳輸單元採用射頻收發器cc2420，相鄰兩個無線救援終端之間的距離l滿足：80m<l<100m，其中，相鄰兩個射頻收發器cc2420之間通信的有效距離為100m～120m；當檢測每個無線救援終端無線通信正常時，若光纖電纜呈一字狀布設時，全部的無線救援終端採用相鄰兩個無線救援終端之間無線信號傳遞的方式進行數據通信；若光纖電纜非一字狀布設時，光纖電纜中非一字狀布設的電纜段上安裝的無線救援終端採用自組網無線信號傳遞的方式進行數據通信；

步驟二、鑽孔並投放無線救援終端：在礦井透水區的地面上開鑽與透水區連通且可容納無線救援終端通過的投放孔，將安裝有多個無線救援終端的光纖電纜沿投放孔下放至透水區；

步驟三、定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數，過程如下：

步驟301、判斷光纖電纜是否故障：通過工控機定時向光纖電纜上安裝的全部的無線救援終端發出指令，若無線救援終端向工控機反饋信號，說明光纖電纜通信正常，執行步驟302；若無線救援終端未向工控機反饋信號，說明光纖電纜故障，執行步驟303；

步驟302、有線與無線通信方式並存模式下定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數：首先，通過無線救援終端中的稱重傳感器採集營養液重量變化，採用光纖電纜將營養液重量變化的無線救援終端位置有線傳輸至工控機，同時，採用無線救援終端自組網或相鄰兩個無線救援終端之間無線信號傳遞的方式將營養液重量變化的無線救援終端位置無線傳輸至工控機，定位井下被困人員位置，通過營養液重量變化的無線救援終端的數量確定被困人員被找到的數量；

然後，通過被困人員與營養液重量變化的無線救援終端接觸，採用該無線救援終端中的心電傳感器獲取該被困人員的生命體徵參數；

最後，通過與工控機連接的顯示器顯示井下被困人員位置及被困人員生命體徵參數；

步驟303、無線通信方式模式下定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數：首先，通過無線救援終端中的稱重傳感器採集營養液重量變化，採用無線救援終端自組網或相鄰兩個無線救援終端之間無線信號傳遞的方式將營養液重量變化的無線救援終端位置無線傳輸至工控機，定位井下被困人員位置，通過營養液重量變化的無線救援終端的數量確定被困人員被找到的數量；然後，通過被困人員與營養液重量變化的無線救援終端接觸，採用該無線救援終端中的心電傳感器獲取該被困人員的生命體徵參數；最後，通過與工控機連接的顯示器顯示井下被困人員位置及被困人員生命體徵參數。

上述的方法，其特徵在於：步驟302和步驟303中無線救援終端自組網或相鄰兩個無線救援終端之間無線信號傳遞，將營養液重量變化的無線救援終端位置無線傳輸至靠近所述地面監控臺的無線救援終端中，靠近所述地面監控臺的無線救援終端中的數據傳輸單元與無線數據收發模塊無線通信，無線數據收發模塊將營養液重量變化的無線救援終端位置無線傳輸至工控機。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明的礦井救援漂浮定位系統採用大量裝有營養液的可漂浮儲物瓶向井下被困人員提供維持生命的營養物質，為救援工作贏取時間，為救援被困人員提供幫助，每個儲物瓶均安裝有無線數據傳輸單元同時大量的儲物瓶被光纖電纜連接，實現有線數據傳輸與無線數據傳輸來定位井下被困人員位置，便於推廣使用。

2、本發明的礦井救援漂浮定位系統中儲物瓶上安裝有稱重傳感器採集瓶內營養液重量的變化，進而確定是否有人獲取營養液來定位被困人員信息，同時通過人體與儲物瓶接觸測量人體生命體徵參數，可靠穩定，使用效果好。

3、本發明的礦井救援漂浮定位系統中儲物瓶上還安裝有指示燈，不僅便於被困人員在井下黑暗環境中找到救生途徑，為被困人員指明方向，同時便於為井下黑暗環境提供照明，方便觀察井下環境，尋找有利資源。

4、本發明的礦井救援漂浮定位方法實現方便有效，利用水流方向投放無線救援終端，無線救援終端沿水流方向漂向井下透水區，採用工控機定時與救援定位子系統進通信，實現有線通信與無線通信兼備的通信模式，為被困人員的救援提供有利的保障，方法步驟簡單，實現效果好。

綜上所述，本發明設計新穎合理，利用可漂浮儲物瓶定位被困人員位置，同時為被困人員帶去維持生命的營養物質，為救援工作贏取時間，為救援被困人員提供幫助，便於推廣使用。

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明礦井救援漂浮定位系統的結構示意圖。

圖2為本發明無線救援終端的結構示意圖。

圖3為本發明控制模塊與地面監控臺的電路連接原理框圖。

圖4為本發明方法的流程框圖。

附圖標記說明:

1—工控機；2—無線救援終端；2-1—儲物瓶；

2-2—營養液；2-3—指示燈；2-4—稱重傳感器；

2-5—漂浮層；2-6—通信接口；2-7—心電傳感器；

2-8—a/d轉換電路；2-9—處理器；2-10—供電電源；

2-11—數據傳輸單元；2-12—存儲器；3—光纖電纜；

4—地面；5—投放孔；6—顯示器；

7—無線數據收發模塊。

具體實施方式

如圖1、圖2和圖3所示，本發明所述的礦井救援漂浮定位系統，包括設置在井上的地面監控臺、與所述地面監控臺連接的光纖電纜3以及設置在光纖電纜3上且伸入至井下透水區的救援定位子系統，所述救援定位子系統包括多個無線救援終端2，多個無線救援終端2沿光纖電纜3長度方向依次設置在光纖電纜3上，相鄰兩個無線救援終端2之間的距離為l且l<d，其中，d為相鄰兩個無線救援終端2無線通信的有效距離，無線救援終端2包括內部裝有營養液2-2的儲物瓶2-1、設置在儲物瓶2-1瓶身內的控制模塊和設置在儲物瓶2-1上的通信接口2-6，儲物瓶2-1外套裝有漂浮層2-5，所述控制模塊包括處理器2-9、供電電源2-10以及與處理器2-9相接的存儲器2-12和用於無線數據通信的數據傳輸單元2-11，處理器2-9的輸入端接有心電傳感器2-7和安裝在儲物瓶2-1瓶身底部的稱重傳感器2-4，處理器2-9的輸出端接有安裝在漂浮層2-5外的指示燈2-3，所述地面監控臺包括工控機1和與工控機1相接的無線數據收發模塊7，處理器2-9依次通過通信接口2-6和光纖電纜3與工控機1進行通信。

採用光纖電纜3連接地面監控臺與救援定位子系統是為了加快數據傳輸的速度，光纖電纜有利於數據的高速傳輸且抗幹擾性強，井下救援工作爭分奪秒，傳統的普通電纜多用於能源傳輸及低端數據信息傳輸，傳輸時間長，對於發生透水事故的礦井，一旦發生透水事故將影響上千米的巷道，數據的上下形通信會帶來很大的延時，不利於救援工作，採用光纖通信能夠大幅度的縮短延時，為救援工作爭取寶貴的時間。

設置在光纖電纜3上且伸入至井下透水區的救援定位子系統包括多個無線救援終端2，兩個無線救援終端2在有效通信距離內可實現無線通信，光纖電纜3的設置一方面提供了有線通信模式，使每個無線救援終端2採集的數據均可通過光纖電纜3有線傳輸至地面監控臺，另一方面為設置在光纖電纜3上且伸入至井下透水區的救援定位子系統提供了安裝基礎，避免投放進井下的大量的無線救援終端2因為距離相差大為隔斷通信，造成定位信號無法有效上傳回地面監控臺，相鄰兩個無線救援終端2之間的距離為l且l<d，保證了每個無線救援終端2至少有一個可與其通信的模塊，確保數據能逐級最終上傳至地面監控臺；採用救援定位子系統的無線數據通信作為備用通信方式，與光纖電纜3的有線數據傳輸結合，功能完備。使井下通信更有保障。

儲物瓶2-1內部裝有營養液2-2，實際操作中，營養液2-2可選用葡萄糖水，一方面為人體補充水分，維持生命，另一方面通過葡萄糖增加能量，且營養液2-2的添加不易過滿，每個儲物瓶2-1內裝半瓶營養液2-2，儲物瓶2-1中另外的半瓶空間為空氣，便於儲物瓶2-1漂浮在水中，儲物瓶2-1優選的採用pc材質的塑料瓶，pc材質的塑料瓶抗衝擊性能佳且使用溫度範圍廣，可適應井下複雜多變的環境，同時易於漂浮在水中，一旦儲物瓶2-1沉入水底，被困人員難以發現，並且大量的儲物瓶2-1積壓會給井下惡劣的環境帶來更為複雜的局面，造成水流堵塞，無法起到救援的效果，因此，使儲物瓶2-1漂浮在水中也是較為關鍵的因素，漂浮層2-5套裝在儲物瓶2-1外是為了保證儲物瓶2-1更好的漂浮在水中，從而更好的利用井下急流的水流使無線救援終端2沿水流方向漂流在井下。

漂浮層2-5外安裝有指示燈2-3，指示燈2-3的設置不僅便於被困人員在井下黑暗環境中找到救生途徑，為被困人員指明方向，同時便於為井下黑暗環境提供照明，方便被困人員觀察井下環境，尋找有利資源；儲物瓶2-1瓶身底部安裝有稱重傳感器2-4，提前給每個儲物瓶2-1內部裝重量接近的營養液2-2，稱重傳感器2-4是為了稱量營養液2-2的重量，當有被困人員獲得儲物瓶2-1後，通過營養液2-2補充體力，救援人員可通過營養液2-2的重量變化準確的定位被困人員；儲物瓶2-1上設置心電傳感器2-7是為了獲取被困人員的生命體徵參數，當被困人員抓住儲物瓶2-1後心電傳感器2-7可快速測量被困人員心率、脈搏，救援人員可查看被困人員目前的身體狀態。

如圖3所示，本實施例中，所述心電傳感器2-7和稱重傳感器2-4均通過a/d轉換電路2-8與處理器2-9的輸入端相接。

a/d轉換電路2-8的設置是為了將心電傳感器2-7和稱重傳感器2-4採集的微弱的模擬信號轉換為數位訊號，便於處理器2-9快速處理，實際使用中，處理器2-9優選的採用ti公司的msp430f149，具有超低功耗工作模式，msp430f149的運行環境溫度範圍為-40～+85℃，可以適應各種惡劣的環境。

本實施例中，所述數據傳輸單元2-11包括射頻收發器cc2420，相鄰兩個射頻收發器cc2420之間通信的有效距離為100m～120m，相鄰兩個無線救援終端2之間的距離l滿足：80m<l<100m。

數據傳輸單元2-11採用射頻收發器cc2420實現無線救援終端2間的無線通信，射頻收發器cc2420具有多點對多點的快速組網，集微電子技術、低功耗信號處理、低功耗位運算和廉價無線網絡等性能於一身，相鄰兩個無線救援終端2之間的距離l滿足：80m<l<100m，由於井下環境惡劣，無線信號衰減嚴重，兩個無線救援終端2之間的距離l小於兩個無線救援終端2之間通信的有效距離是為了保證數據通信有效收發。

如圖3所示，本實施例中，所述地面監控臺還包括與工控機1輸出端相接的顯示器6。

顯示器6的設置可查看無線救援終端2的具體位置，進而定位被困人員，同時獲取井下多個無線救援終端2的拓撲結構。

本實施例中，所述多個無線救援終端2中靠近所述地面監控臺的無線救援終端2與所述地面監控臺之間的距離小於相鄰兩個無線救援終端2之間的距離l。

多個無線救援終端2中靠近所述地面監控臺的無線救援終端2與所述地面監控臺之間的距離小於相鄰兩個無線救援終端2之間的距離l是為了保證在光纖電纜3故障的條件下，多個無線救援終端2傳遞的通信信號能無線上傳至所述地面監控臺。

本實施例中，所述無線數據收發模塊7與靠近所述地面監控臺的無線救援終端2中的數據傳輸單元2-11進行無線通信。

如圖4所示的一種礦井救援漂浮定位的方法，包括以下步驟：

步驟一、初始化救援定位子系統：首先，給安裝在光纖電纜3上全部的無線救援終端2進行上電復位，全部的無線救援終端2採用自組網或相鄰兩個無線救援終端2之間無線信號傳遞的方式進行數據通信，確保每個無線救援終端2無線通信正常；然後，工控機1通過光纖電纜3向光纖電纜3上安裝的全部的無線救援終端2發出指令，全部的無線救援終端2均通過光纖電纜3向工控機1反饋信號，確保每個無線救援終端2有線通信正常；

每個無線救援終端2中的數據傳輸單元2-11採用射頻收發器cc2420，相鄰兩個無線救援終端2之間的距離l滿足：80m<l<100m，其中，相鄰兩個射頻收發器cc2420之間通信的有效距離為100m～120m；當檢測每個無線救援終端2無線通信正常時，若光纖電纜3呈一字狀布設時，全部的無線救援終端2採用相鄰兩個無線救援終端2之間無線信號傳遞的方式進行數據通信；若光纖電纜3非一字狀布設時，光纖電纜3中非一字狀布設的電纜段上安裝的無線救援終端2採用自組網無線信號傳遞的方式進行數據通信；

投放大量的無線救援終端2之前需對大量的無線救援終端2組成的救援定位子系統初始化，保證救援定位子系統完好，先將大量的無線救援終端2依次安裝在光纖電纜3，每個無線救援終端2中的數據傳輸單元2-11採用射頻收發器cc2420，可實現多點對多點的快速組網，若放置在井上的光纖電纜3呈一字狀布設時，每個無線救援終端2之間的距離只滿足與其相鄰的無線救援終端2通信，因此，信號通過末端遠離工控機1的無線救援終端2向前端靠近工控機1的無線救援終端2依次傳遞信號，由於井下巷道距離一般都長達上千米，距離較長，光纖電纜3呈一字狀布設佔用的井上空間太大，無法滿足，光纖電纜3多呈堆積或是捲曲狀，此時，拉近了光纖電纜3上原本不相鄰的多個無線救援終端2的距離，任意兩個無線救援終端2之間的距離小於其通信的有效距離時便會實現數據通信，多個無線救援終端2採用各自的射頻收發器cc2420可實現自組網，根據多個無線救援終端2自然形成的拓撲結構，使各個無線救援終端2的通信變的靈活，加快了數據傳輸的速度，節省了時間；

救援定位子系統無線通信初始化後，工控機1通過光纖電纜3向光纖電纜3上安裝的全部的無線救援終端2發出指令，全部的無線救援終端2均通過光纖電纜3向工控機1反饋信號，實現救援定位子系統有線通信初始化；

步驟二、鑽孔並投放無線救援終端：在礦井透水區的地面4上開鑽與透水區連通且可容納無線救援終端2通過的投放孔5，將安裝有多個無線救援終端2的光纖電纜3沿投放孔5下放至透水區；

在礦井透水區的地面4上開鑽與透水區連通且可容納無線救援終端2通過的投放孔5，便於無線救援終端2順利通過投放孔5，無線救援終端2上的儲物瓶2-1沿著透水區水流流向並隨著光纖電纜3漂向透水區深處；

步驟三、定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數，過程如下：

步驟301、判斷光纖電纜是否故障：通過工控機1定時向光纖電纜3上安裝的全部的無線救援終端2發出指令，若無線救援終端2向工控機1反饋信號，說明光纖電纜3通信正常，執行步驟302；若無線救援終端2未向工控機1反饋信號，說明光纖電纜3故障，執行步驟303；

由於井下環境惡劣，未知的情況較多，光纖電纜隨時會出現故障，導致有線數據通信模式中斷，無線有效傳遞被困人員位置，光纖電纜3的使用一方面是實現有線通信，另一方面是為了拴住多個無線救援終端2，提前保證了多個無線救援終端2之前的有效通信距離；

步驟302、有線與無線通信方式並存模式下定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數：首先，通過無線救援終端2中的稱重傳感器2-4採集營養液2-2重量變化，採用光纖電纜3將營養液2-2重量變化的無線救援終端2位置有線傳輸至工控機1，同時，採用無線救援終端2自組網或相鄰兩個無線救援終端2之間無線信號傳遞的方式將營養液2-2重量變化的無線救援終端2位置無線傳輸至工控機1，定位井下被困人員位置，通過營養液2-2重量變化的無線救援終端2的數量確定被困人員被找到的數量；

然後，通過被困人員與營養液2-2重量變化的無線救援終端2接觸，採用該無線救援終端2中的心電傳感器2-7獲取該被困人員的生命體徵參數；

最後，通過與工控機1連接的顯示器6顯示井下被困人員位置及被困人員生命體徵參數；

步驟303、無線通信方式模式下定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數：首先，通過無線救援終端2中的稱重傳感器2-4採集營養液2-2重量變化，採用無線救援終端2自組網或相鄰兩個無線救援終端2之間無線信號傳遞的方式將營養液2-2重量變化的無線救援終端2位置無線傳輸至工控機1，定位井下被困人員位置，通過營養液2-2重量變化的無線救援終端2的數量確定被困人員被找到的數量；然後，通過被困人員與營養液2-2重量變化的無線救援終端2接觸，採用該無線救援終端2中的心電傳感器2-7獲取該被困人員的生命體徵參數；最後，通過與工控機1連接的顯示器6顯示井下被困人員位置及被困人員生命體徵參數。

本實施例中，步驟302和步驟303中無線救援終端2自組網或相鄰兩個無線救援終端2之間無線信號傳遞，將營養液2-2重量變化的無線救援終端2位置無線傳輸至靠近所述地面監控臺的無線救援終端2中，靠近所述地面監控臺的無線救援終端2中的數據傳輸單元2-11與無線數據收發模塊7無線通信，無線數據收發模塊7將營養液2-2重量變化的無線救援終端2位置無線傳輸至工控機1。

本發明使用時，提前定製好內置控制模塊的大量的儲物瓶2-1，給每個儲物瓶2-1中裝重量接近的營養液2-2，便於工控機1設定稱重傳感器2-4稱重的閾值範圍，給每個儲物瓶2-1均套裝一個漂浮層2-5，漂浮層2-5上設置有與指示燈2-3配合的通孔，便於指示燈2-3裸露在漂浮層2-5外，以便儲物瓶2-1在水中漂流的過程中指示燈2-3被遮擋，通過通信接口2-6將大量的無線救援終端2安裝在光纖電纜3上，且給光纖電纜3和安裝在光纖電纜3上的大量的無線救援終端2做防水處理，避免無線救援終端2遇水損壞，導致通信失敗，無法實現被困人員的定位，初始化救援定位子系統後，將救援定位子系統沿投放孔5投放至透水區深處，每個無線救援終端2中的供電電源2-10為各自的處理器2-9供電，採用工控機1定時的通過光纖電纜3向每個無線救援終端2中的處理器2-9發送指令，檢測光纖電纜3通信是否正常，光纖電纜3正常則採用有線與無線通信方式並存模式下定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數；光纖電纜3故障則採用無線通信方式模式定位被困人員位置並獲取被困人員生命體徵參數；通過稱重傳感器2-4檢測營養液2-2重量變化，心電傳感器2-7獲取當前取被困人員心率、脈搏參數，數據均存儲在其對應的存儲器2-12內，且傳輸至工控機1，採用顯示器6顯示各無線救援終端2位置及狀態，易於實現。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。