礦井作業人員定位與搜救系統的製作方法

2023-05-28 04:12:01 1

專利名稱：礦井作業人員定位與搜救系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種礦井作業人員定位與搜救系統，具體的說，本發明涉及 一種特別適用於在特定條件下確定礦井井下作業人員的具體位置，當事故發 生後有利於縮短救援時間並為遇難人員提供更多的生存機遇的定位與搜救系 統。
背景技術：
煤礦行業是我國國民經濟體系中極為重要的支柱性能源產業，中國已探 明煤礦儲量為1萬億噸左右，居世界第三位，目前我國煤炭年產量已經達到
26億噸左右，其中大型煤礦產量14. 5億噸，中型煤礦產量4. 5億，但我國 煤炭資源開採條件與一些擁有先進技術的採煤大國相比，卻屬中等偏下水平， 而可供露天開採的礦資源極少，大部分煤田屬於井下開採作業，其條件較為 複雜，近年來煤礦生產的安全問題隨著煤產量的增長而增加。
據統計，2005年，我國發生礦難3341起，死亡5986人，2006年，發生 礦難2468起，死亡人數4794人。以2002年和2004年計算，平均每天有18-20 名礦工死亡，如果加上金屬和非金屬礦死亡人數，則平均每天約30人因礦難 死亡。
如何加強安全生產的防範措施，準確、及時、快速履行礦井安全監測職 能，有效進行礦工管理，保證搶險救災、安全救護的高效運作顯得尤為重要 和緊迫。而現有技術還不能完全解決煤礦安全生產的問題，尤其是如何進行 事故發生後的緊急救援，目前還沒有一種有效的技術手段。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提{共一種礦井作業人員定位 與搜救系統，本發明可以準確、及時、快速履行礦井安全監測職能，有效進 行礦工管理，當煤礦出現意外時能準確確定遇難人員的位置和事故發生初步 原因，本發明能保證時間及時、效果可靠。
本發明的礦井作業人員定位與搜救系統包括如下組成部分
在地面建立的一個基於網際網路技術而構建計算機管理系統，以及，
在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統，以及，
在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通^f言技術和超生波通信技術 的通訊系統，另外還包括，
整個系統與連接在網絡上的定位參考點及連接在參考點上的各類安全指 數傳感器，還有，
井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機，
以上各個組成部分通過現有通訊射頻技術、無線定位技術、計算機應用 技術建立一種實時的連接。
在正常情況下該系統為煤礦管理提{共了高效的管理手段，事故發生後可 自動組成一個有效的定位與搜救系統，而且由於連接傳感器的網絡連接設備 採用了一定的工藝設計，可把事故發生時一段時間內的現場情況記錄在設備 內，為事故後的原因分析和責任分析提f共有力的依據。
具體的說，本發明包括，
1、在地面建立的一個基於網際網路技術而構建的計算機管理系統。 本系統採用視窗技術和FLASH技術，其一端連接在井下的通訊定位管理 系統，另一端連接在網際網路上，本系統充分體現了人性化的設計，使管理者
可以通過網際網路在任何地方都能掌控井下的工作情況，井下的剖面圖可呈現 兩維和三維的旋轉，人員在井下的位置及相關數據用圖形的方式描述，使管 理者一目了然，該系統採用大量的智能設計，系統設計者可以根據煤礦提供 的基礎數據快速的生成一個適合該煤礦的應用系統。
2、 在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統。
主巷道的有線計算機網絡系統完成地面管理系統和採掘工作面的ZIGBEE 無線通訊系統的連接和聯繫，在有線的計算機網絡系統中根據需要也建立有 若干個定位參考點和數據採集點，為人員的井下定位提供服務。
3、 在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信技術 的通訊系統。
採掘工作面的ZIGBEE通訊系統是正常情況下數據通訊和定位服務的主 系統。它能夠自動組網把連接在這個無線網絡上傳感器數據實時收集並傳送 到地面的管理系統。同時也可把系統中的人員位置信息及時傳送到地面的管 理系統，也可為井下人員和地面提供簡單的通訊手段，傳達地面的指示和井 下的請求，必要時也可以提供話音通訊功能。
由於ZIGBEE使用的通訊頻率為2.4G，在井下發生事故時受影響較大， 為了保證通訊不被間斷，這個無線通訊系統會自動轉為採用低速率的超生波 繼續通訊，由於超生波工作在較低頻率，適合在水下和煤層下通訊。所以為 事故發生後提供與井下通訊的可能。通過這個低速的通信系統，地面人員可 以了解到遇難人員的位置信息和生命特徵，讀取地下數據採集保護設備內的 事發現場的信息。
4、 連接在網絡上的各類安全指數傳感器。
在井下的採掘工作面內，ZIGBEE網絡上根據用戶需求要連接多臺接續路 由器，它除了通訊功能外也起到定位參考點的作用。有特殊功能的定位參考 點都可以連接多臺數據傳感器，為井下安全防護提供幫助。這些參考點使用 了特殊工藝設計，有防爆和抗破壞能力，在外界沒有供電的情況下可以保存 一個月以上的數據，而且利用專用設備可以讀取保留在內部數據。
5、 井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機。
在井下工作人員每個人身上都佩帶有這種特殊定製的終端，該終端採用 低功耗設計，可以使用一節普通乾電池工作1-2年。除本身的定位功能外， 該終端還具有主動向地面中心發出請求的功能，同時也可接收由地面中心發 出的各類信息，以文字的方式顯示在終端上，特定的終端可提供語音通話功 能，該終端使用了兩種通訊手段， 一種是基於ZIGBEE技術的主通訊系統。一 種是基於超聲波技術的備用通信系統，兩個系統可根據情況自動轉換。
根據上述的技術方案，本發明的有益效果在於-
1、 本發明所利用的有線網絡、ZIGBEE無線網絡和超聲波備用通信系統， 多手段通訊保障體系傳輸、管理信息和位置信息的可靠性，整個系統穩定性 和安全性高。
2、 本發明中使用的多功能參考及數據採集設備，具有數據保護功能，結 構合理，抗損壞能力強，工作壽命長，符合煤礦安全生產需求。
3、 本發明中使用的終端機，體積小，重量輕，造價低，適合井下人員使用。
綜上所述，本發明在現有通訊射頻技術、無線定位技術、計算機應用技 術的基礎上，結合煤礦安全生產的使用需求而幵發，它可以解決該系統產品
應用於礦井下的設備安全運行、井下數據的遠距離傳輸和信息處理等方面的 技術問題，在平時為煤礦井下人員監測、控制和跟蹤管理，以及生產統計管 理等方面提供有效的科技手段，在事故發生後可以轉換成一個人員搜救系統， 在非正常情況下也能提供必要的通訊、定位手段，為搜救工作提高效率，為 遇險人員提供更多的生存機遇，本發明實現方法合理，具有較好的市場發展 前景。


圖1為本發明的整體結構示意圖。
圖2為系統中所用的用戶終端機的結構示意圖。
圖3為系統中地面管理系統的結構示意圖。
圖4為系統中定位參考點和數據採集點的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施方式對本發明的技術方案詳細加以說明。
如圖1所示，本發明定位系統主要包含五部分-
在地面建立的一個基於網際網路技術而構建的計算機管理系統1，以及，
在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統2，以及，
在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信技術 的通訊系統3，還包括，
整個系統與連接在網絡上的定位參考點及連接在參考點上的各類安全指 數傳感器4，還包括，
井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機5。
所述的在地面建立的基於網際網路技術構建計算機管理系統1是通過通訊 系統在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統2、在採掘工作面建立的
一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信技術的通訊系統3以及整個系統 與連接在網絡上的定位參考點及連接在參考點上的各類安全指數傳感器4與 用戶終端機5相對應的建立在計算機內的微軟視窗(Windows)作業系統的平 臺上，計算機管理系統1採用FLASH圖象管理界面，包括通信處理機201、 與通信處理機201輸出端相聯的帶防火牆203的主伺服器202，和分別與主 伺服器202相聯的位置管理資料庫205和客戶管理伺服器204。
如圖1示，本發明所述的定位系統中的用戶終端機5攜帶在井下工作人 員身上，當系統管理人員要知道井下人員的位置和相關資^l"時，管理人員可 以通過客戶管理終端，向相應的用戶發出請求讀取。後臺處理系統2內的通 信處理機201接到信息後，即通過通訊網絡，即主巷道內的計算機網絡系統 2、採掘工作面建立的通訊系統3和連接在參考點上的各類安全指數傳感器4 向相應的用戶終端機5發出指令，用戶終端機5接收到指令後，即可將終端 內的資料，通過所述通訊網絡發給地面管理系統1，地面管理系統1的通信處 理機201將接收到的位置信息送入到主伺服器202，主伺服器202將其轉化成 位置信息，再以圖形的方式顯示在管理終端上。同時通過網際網路6可以傳送 給遠端的用戶管理終端的電腦7上，用戶可以通過電腦7屏幕上的圖形顯示 方式，更具體形象地了解到攜帶在井下工作人員身上的用戶終端機5的地理 位置和相關信息。戶終端機5也可以採用定時的方式將其不斷變化的數據發 給相連的路由器，通過系統的設定定時的發送給地面管理系統的主機。
圖2是用戶終端機5的結構示意圖。本發明的用戶終端機5主要包括帶 內置天線101的天線合路器102，帶供電單元106的控制單元105，以及分別
連接在天線合路器102與控制單元105之間的ZIGBEE模塊103、含有超聲波 功能模塊的通訊模塊104。當用戶終端機5攜帶在井下工作人員身上時，它 是處於正常工作狀態中。平時只有ZIGBEE模塊103有節奏地斷續工作，以及 控制單元105在低耗狀態下工作，其它模塊未加電，無功率損耗。當地面管 理系統1通過所述井下通訊網絡系統向其發出指令，ZIGBEE模塊103將指令 信息傳遞到控制單元105內，控制單元105將存在終端內的相關數據通過 ZIGBEE模塊103，發出給地面管理系統。如需確定終端的位置，地面系統可 以通過終端所在的路由器獲取，並通過安裝在地面管理伺服器上的定位算法 軟體轉化為經緯度數據，供位置管理資料庫轉換成圖形標註使用。當井下發 生事故時，正常的通訊出現問題後，ZIGBEE模塊103與上位路由器失去聯繫， 控制單元105將自動斷掉模塊103的供電，同時為模塊104加電加點，試圖 利用超聲波與上位路由器建立聯繫。 一旦聯繫成功後，控制模塊105將根據 系統的時間設定，不斷的將其終端內的數據通過上位路由器，等待管理系統 的讀取。如果一段時間建立不了連接，控制模塊105將在103與104之間重 復使用試圖建立連接。
圖3所示的是本發明在地面建立的一個基於網際網路技術而構建的計算機 管理系統1的主伺服器202的結構示意圖，本發明的主伺服器202與上述通 信處理機201同是建立在計算機內微軟視窗(Windows)的作業系統平臺上。 主伺服器202內含有與通信處理機201相聯的數據預處理模塊2022，與數據 預處理模塊2022相聯的位置運算模塊2021，與位置運算模塊2021和數據預 處理模塊2022相聯的處理統計模塊2024，以及與處理統計模塊2024和客戶 管理伺服器204以及位置信息資料庫205相聯的主資料庫2023。
主伺服器202通過通信處理機201獲得的路徑信息、位置信息、事件信
息、索引信息、統計信息以及用戶的特定信息，首先經過數據預處理模塊2022 初步審核處理後，再進入處理統計模塊2024進一步分類、統計後，送出並存 入主資料庫2023內。同時由數據預處理模塊2022初步處理後的數據，經過 位置運算模塊2021採用LBS信號時延的基本算法進行計算，確定其地理位置， 再經過處理統計模塊2024的進一步處理和統計後，送出並存儲於主資料庫 2023內。
所述位置信息資料庫205包含位置系統建立時的煤礦位置數據。 所述客戶管理伺服器204主要包含客戶管理和其煤礦的其它管理。 圖4所示的是本發明定位參考點和數據採集點的結構示意圖。 本發明的定位參考點由定位延伸固定支架401、防損外殼402、 ZIGBEE 通訊模塊403、超聲波模塊404、控制模塊405、數據保存模塊406、語音存 儲模塊407、數據採集接口 408、供電單元409組成，首先將具有防損外客 402的定位參考點和數據採集點的路由器通過延伸固定支架401安裝在井下 的牆壁上。當正常通訊狀態下，控制模塊405通過ZIGBEE通信模塊為用戶終 端和數據採集器，與地面管理系統建立通訊聯繫，傳輸管理者所需要的數據， 同時語音存儲模塊將實時的採集記錄安裝點最後IO分鐘的環境聲音信息；當 事故發生後，控制模塊405將自動啟動超聲波模塊404，利用超聲波與終端 和地面建立聯繫。
上述的防損外殼402實質上是一種數據記錄儀的外殼，這種數據記錄儀 本質上是一中收發信機，結構原理和飛機的"黑匣子"非常相似，為了承受 礦井事故中的猛烈撞擊、擠壓和高溫烈焰，其外殼堅實，具有很厚的鋼板和 許多層絕熱防衝擊保護材料，內部為電氣器件，能將傳感器所收集到的各種 信息及時接收下來，並自動轉換成相應的數位訊號連續進行記錄，當礦井內
發生事故時，依靠內部的緊急定位發射機自動向四面八方發射出特定頻率(例 如37. 5千赫)，類似心跳般有規律的無線電信號，"宣告"自己所處的方位， 以便救援者溯波尋找。
在礦井內事故時，所述防損外殼在1100攝氏度的火焰中能經受30分鐘
的燒烤，能承受2噸重的物體擠壓5分鐘，能夠在汽油、機油、油精、電池、
酸液、海水中浸泡幾個月，總之，它能在許多惡劣的條件安然無恙。
權利要求
1、一種礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵在於，它包括以下組成部分在地面建立的一個基於網際網路技術而構建計算機管理系統，以及，在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統，以及，在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信技術的通訊系統，另外還包括，整個系統與連接在網絡上的定位參考點及連接在參考點上的各類安全指數傳感器，還有，井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機，以上各個組成部分通過現有通訊射頻技術、無線定位技術、計算機應用技術建立一種實時的連接。
2、 根據權利要求1所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵還在於，在地面建立的計算機管理系統採用視窗技術和FLASH技術，其 一端連接在井下的通訊定位管理系統，另一端連接在網際網路上，井下的 剖面圖呈現兩維和三維的旋轉，人員在井下的位置及相關數據用圖形的 方式描述。
3、 根據權利要求1所述的礦並作業人員定位與搜救系統，其特徵還在於，在主巷道建立的計算機網絡系統連接和聯繫^k面管理系統和採掘工作面的ZIGBEE無線通訊系統，在有線的計算機網絡系統中根據需 要建立有若干個定位參考點和數據釆集點，為人員的井下定位提供服 務。
4、 根據權利要求1所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵 還在於，採掘工作面的ZIGBEE通訊系統是正常情況下數據通訊和定位 服務的主系統，它自動組網把連接在這個無線網絡上傳感器數據實時收 集並傳送到地面的管理系統，同時把系統中的人員位置信息及時傳送到 地面的管理系統，並為井下人員和地面提供簡單的通訊手段，傳達地面 的指示和井下的請求，必要時可以提供話音通訊功能。
5、 根據權利要求1所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵還在於，在井下的採掘工作面內，ZIGBEE網絡上根據用戶需求要連接多 臺接續路由器，它除了通訊功能外也起到定位參考點的作用，有特殊功 能的定位參考點連接多臺數據傳感器。
6、 根據權利要求1所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵 還在於，井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機除本身的定位功能 外，該終端還具有主動向地面中心發出請求的功能，同時也可接收由地 面中心發出的各類信息，以文字的方式顯示在終端上。
7、 根據權利要求1或者2任何一項所述的礦井作業人員定位與搜 救系統，其特徵還在於，所述的在地面建立的基於網際網路技術構建計算 機管理系統是通過通訊系統在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系 統、在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信 技術的通訊系統以及整個系統與連接在網絡上的定位參考點及連接在 參考點上的各類安全指數傳感器與用戶終端機相對應的建立在計算機 內的微軟視窗(Windows)作業系統的平臺上，計算機管理系統採用FLASH圖象管理界面，包括通信處理機、與通信處理機輸出端相聯的帶防火牆 的主伺服器，和分別與主伺服器相聯的位置管理資料庫和客戶管理服務 器。
8、 根據權利要求1或者6任何一項所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵還在於，本發明的用戶終端機主要包括帶內置天線的天 線合路器，帶供電單元的控制單元，以及分別連接在天線合路器與控制單元之間的ZIGBEE模塊、含有超聲波功能模塊的通訊模塊。
9、 根據權利要求1或者2任何一項所述的礦井作業人員定位與搜 救系統，其特徵還在於，本發明的主伺服器與通信處理機同是建立在計 算機內微軟視窗(Windows)的作業系統平臺上，主伺服器內含有與通 信處理機相聯的數據預處理模塊，與數據預處理模塊相聯的位置運算模 塊，與位置運算模塊和數據預處理模塊相聯的處理統計模塊，以及與處 理統計模塊和客戶管理伺服器以及位置信息資料庫相聯的主資料庫；所述位置信息資料庫包含位置系統建立時的煤礦位置數據； 所述客戶管理伺服器主要包含客戶管理和其煤礦的其它管理。
10、 根據權利要求l所述的礦井作業人員定位與搜救系統，其特徵 還在於，本發明的定位參考點由定位延伸固定支架、防損外殼、ZIGBEE 通訊模塊、超聲波模塊、控制模塊、數據保存模塊、語音存儲模塊、數 據釆集接口、供電單元組成，具有防損外客的定位參考點和數據採集點 的路由器通過延伸固定支架安裝在井下的牆壁上。
全文摘要
一種礦井作業人員定位與搜救系統，包括有五部分在地面建立的一個基於網際網路技術而構建的計算機管理系統，以及在主巷道建立的一個有線的計算機網絡系統，以及在採掘工作面建立的一個基於ZIGBEE無線通信技術和超生波通信技術的通訊系統，還包括整個系統與連接在網絡上的定位參考點及連接在參考點上的各類安全指數傳感器，以及井下工作人員隨身攜帶的通信定位終端機，本發明具有在事故發生後為搜尋遇難者提供有效的信息，提高遇難者的生存機遇，和事後分析判斷事故原因提供依據，該系統採用成熟先進的科技手段構造，系統安全可靠，實用性強，填補了煤礦事故發生後搜救的技術手段的空白，也可應用在軍事、石油、消防等諸多領域。
文檔編號E21F11/00GK101101330SQ20071007404
公開日2008年1月9日 申請日期2007年4月16日 優先權日2007年4月16日
發明者朱勝東, 俠 邱 申請人:邱 俠;朱勝東