一種井下人員定位救援系統及井下人員定位方法
2023-06-03 20:46:21
專利名稱：一種井下人員定位救援系統及井下人員定位方法
技術領域：
本發明涉及一種救援系統，尤其是涉及一種井下人員定位救援系統及井下人員定位方法。
背景技術：
現有的井下人員定位系統主要是地面人員與井下人員通信系統。19世紀20年代，人們進行了井下接受長波的試驗，從而認識到與井下受困礦工進行無線通信的潛力。然而，以當時的技術水平不可能設計出一個實際的無線通信系統。此後，在井下使用電磁波的進一步研究主要轉向了地球物理探測。19世紀40年代，T.L.Wadley第一次進行了電磁波穿透巖層(Trough The Earth，縮寫為TTE)的基礎研究，並由此掀起了南非和美國研究井下電磁波傳播的熱潮。19世紀60年代，受困礦工定位系統被研發出來並在捷克斯洛伐克和波蘭進行了測試。直到現在，一些公司還在研發並銷售TTE系統。
TTE系統可能是與井下礦工通信的最理想方式，因為它能最大限度地不受塌方、起火和爆炸的影響。然而，這種系統中的大多數只限於地面到井下的單向通信，例如，加拿大生產的Flexalert系統可以由低頻電磁場向井下單向發送信息，其地面無線發射器包括一根直徑10到120米的環狀天線；澳大利亞研發的PED通信系統也是單向的TTE發送系統，它能向井下礦工無線傳輸特定的文本信息而不依賴於電纜或井下布線，但井下礦工不能向地面發送信息，除非通過另外的洩漏電纜(Leaky Feeder)通信。美國的TeleMag是唯一能實現雙向通信的TTE系統，它工作在4KHz頻段，井下和地面環狀天線直徑都為60英尺。正在研發的TTE系統還有TramGuard等。
19世紀70年代和80年代後，人們對TTE系統的研究興趣開始下降，其原因一是礦井安全記錄的顯著改善，另一是當時的洩漏電纜和計算機技術的快速發展。洩漏電纜是一種特殊設計的電纜，它能較強地接受和輻射電磁波，從而實現井下無線通信。這種電纜的缺點是對外部損傷非常敏感，既不能外包也不能掩埋，否則無法正常工作。一種與洩漏電纜類似的井下通信技術是所謂的中頻(Medium Frequencies，300KHz～3MHz)。這種頻率有獨一無二的寄生傳播(parasitic propagation)現象，從而可以模擬洩漏電纜的屬性卻不需要特殊設計的電纜，但其範圍變化依賴於許多因素。Conspec公司是唯一利用中頻特性開發井下通信系統的，而且其天線非常笨重。澳大利亞的CSIRO開發了一種用於緊急情況下監測井下礦工位置和健康狀況的通信系統LAMPAS，該系統需要在整個井下布置一系列的無線信標(beacon)。無線網狀網(Wireless Mesh Networks)被認為是未來最有前途的井下無線通信技術，它基於WiFi(注WiFi是wireless fidelity的縮寫，也是符合IEEE 802.11b，g協議的無線區域網的一個術語)和特殊的TCP/IP協議。這種多跳(multi-hop)類型的網絡被設計成冗餘且自動配置的，還有學習和自癒合(self-healing)能力。網絡節點之間沒有事先定義的路徑，任何一個節點的失效或斷開任何一條信號路徑(由於電源消耗或起火、塌方等事件)對整個網絡幾乎沒有影響(當然，如果所有可能的射頻信號路徑被斷開或太多節點失效，網絡通信也將停止)。網狀網的應用能夠大大提高煤礦井下無線通信的可靠性。
另一方面，澳大利亞設計的PED系統具有很強的巖層和土層穿透能力(達200米厚)，能實現地面到井下的直接通信，但其地面與井下環狀天線尺寸都非常大(最小直徑10m，最大達120m)，而且不能實現由井下到地面的直接通信。
綜合上述的各種設備，其存在著以下共同的缺陷1)天線尺寸過大，通信設備笨重；2)只能實現地面到井下的單向通信；3)需要特殊的通信電纜或大量的已知信標；4)要求已知井下地理信息；5)不能比較準確地確定礦工的具體位置；6)並未考慮救援人員自身的安全問題，沒有將地面人員、救援人員和井下礦工通過無線網絡有效聯繫起來。
目前，有一些井下通信系統混和使用了洩漏電纜、乙太網(區域網)和WiFi技術。也有少數供應商推出了結合標準的蜂窩電話通信協議(如GSM)和WiFi的行動電話，但需要在礦井辦公室的PC機上安裝合適的軟體，且在井下布置WiFi網絡。
RFID(Radio Frequency Identification)是當前另一種流行的井下定位技術，如山東濟寧高科公司研發的「KJ81井下人員定位系統」、北京凌天世紀自動化技術有限公司開發的「KJ155礦井人員定位考勤系統」等。現有的基於RFID識別技術的井下定位系統的共同特點是需要在井下單獨鋪設有線通信電纜以便與地面通信，井下監測節點的位置事先已知，而且只能大致確定礦工與監測節點之間的相對位置。當前比較先進的井下定位系統，如山東濟寧高科公司研發的「KJ81井下人員定位系統」，其工作原理一般是這樣的沿礦道布置一條有線通訊電纜，在該電纜上每隔一定距離連接一個有大功率RFID閱讀器的監測節點。同時，為每個礦工配發一個RFID被動式應答器(一般設計在礦工帽裡)。此後，當礦工在監測節點附近區域出現時，監測節點即可感知礦工的存在，並認為感知節點的位置(事先已人工量測)即為礦工的位置。
這些基於RFID的系統在實際應用中至少存在以下問題1)監測數據在礦井正常作業時通過有線傳輸是完全可行的，但在礦難時由於塌方等原因很可能造成電纜斷裂或燒毀，從而無法正常傳輸數據。2)監測節點在礦井正常作業時通過井下電源供電是可行的，但在礦難時井下電源很可能斷電，從而導致監測節點無法正常工作。3)監測節點的覆蓋範圍一般為幾十米甚至幾百米，因而用監測節點的位置代替礦工所處的位置會造成很大的誤差(一般超過20米)。該誤差在礦井正常作業時也許無足輕重，但在礦難時卻是致命的，因為救援人員難以在儘可能短的時間內找到受困礦工。4)要求監測節點的位置事先已知。這不外乎兩條途徑一是精確的儀器測量，二是連接時進行大致的估計。前者耗時耗力，而後者會造成很大的誤差。5)如果礦道每向前推進一個較小的距離(如50米)就增加布置有線電纜並連接相應的監測節點顯然是很繁瑣的，但是如果礦道向前推進較遠距離後再增加有線電纜和監測節點又會造成礦工在某些位置時不能被感知到的現象。
此外，設計在礦工的礦工帽裡的被動式RFID識別卡在實際應用中至少存在以下缺陷1)礦難發生時，礦工帽很可能由於各種原因(如砸下的石頭、礦工奔跑逃生等)脫離礦工，從而導致救援人員即使找到RFID識別卡，也找不到受困礦工，白費功夫。2)被動式RFID識別卡不能主動發射很強的無線信號。這樣，如果礦難時伴隨著塌方等現象，即使救援人員發出很強的搜救信號且RFID識別卡接受到該信號也無法穿透巖層或土層給出強的應答信號，致使救援人員無法確定被困礦工的具體位置。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種結構簡單，定位準確，使用可靠的井下人員定位救援系統及井下人員定位方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種井下人員定位救援系統，它包括由多個沿礦道布置的無線監測節點組構成的無線監測節點網絡和礦工隨身佩帶的無線跟蹤器，所述的無線監測節點組由分別設置在礦道的兩側和頂部的三個無線監測節點構成。
所述的無線跟蹤器為腰帶式無線跟蹤器，所述的無線跟蹤器包括跟蹤器電路和第一天線，所述的跟蹤器電路設置在腰帶頭上，所述的第一天線為設置在腰帶中的單圈環狀天線。
所述的跟蹤器電路設置有兩頻點智能自動跳頻電路。
所述的跟蹤器電路包括一個型號為Atmega128的單片機，所述的兩頻點智能自動跳頻電路包括型號為AD9858的集成電路晶片，所述的集成電路晶片一端與所述的單片機連接，所述的集成電路晶片另一端通過型號為rfHCS362的第一解碼器和型號為LM385的第一放大器與所述的第一天線連接。
相鄰的各個無線監測節點組的間隔距離可以為20米~30米，也可以根據需要來設置。
該井下人員定位救援系統還可以包括救援人員攜帶的無線救援器，所述的無線救援器可以設置有易燃易爆和有害氣體檢測器。
所述的無線監測節點具有信號發送自癒合功能。
該井下人員定位救援系統的信號發送自癒合的具體方法為下一組節點向上一組節點發送信號，當上一組節點正常接收到信號時，反饋正常接收的信號給下一組節點，此時下一組節點正常發送信號；當上一組節點發生故障，不能接收下一組節點的信號時，下一組節點未接收到正常接收的反饋信號，此時下一組節點加大發射功率，跳過上一組節點向再上一組節點發送信號，並向監控中心發送上一組節點失效的信號。
上述井下人員定位救援系統的井下人員定位方法，包括以下步驟①首先在礦道的兩側和頂部設置由三個無線監測節點構成的第一組無線監測節點組，並確定該三個無線監測節點各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進，每隔一段距離按相同的方式設置下一組無線監測節點組，並依此類推；③測出第一無線監測節點組中各個節點接收到的下一個無線監測節點組中的每個節點發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式得到該節點的三維坐標，並依此類推得到各個無線監測節點組的三維位置；④通過相近的一個或兩個無線監測節點組，測出所述的無線跟蹤器發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式得到所述的無線跟蹤器的三維坐標。
與現有技術相比，本發明的優點在於1、無需事先已知井下地理信息(電子地圖)、利用井下無線網絡自動構建礦工、無線監測節點自動三維定位系統，打破了常規的井下人員定位技術，無需增加有線電纜，就能隨時監測礦工的具體位置，並在礦難發生時，通過無線監測節點網絡迅速準確地計算出受困礦工的位置，更好的保障了礦工的人身安全。上述定位技術的優點主要體現在1)礦工、節點自動三維定位且精度很高，為礦難時救援人員迅速、準確地接近受困礦工提供了有力依據；2)井下礦道三維地圖自動構建，從而不要求井下地理信息事先已知，免除了人工測量的麻煩，為礦井規劃開採與人員跟蹤、救援等提供了堅實基礎；在礦山正常運營時可以幫助經營者制定開採計劃、提高開採效率與效益，可以幫助管理者對井下礦工進行比較準確的三維定位和活動軌跡跟蹤，而發生礦難時，有利於地面人員對救援人員以及救援人員之間進行定位跟蹤、指揮，以提高救援效果，減少救援人員自身的損失；3)無線監測節點布置方便且對礦難有更強的適應能力。
2、利用無線傳感器網絡中的多跳原理設計了一種獨特的路由機制，使得數據鏈路失效時能自動實現自癒合功能，避免了在井下特殊的環境中，由於各種原因引起的監測節點失效，數據傳輸鏈路隨時中斷的缺點；而在平時則可以節省節點的耗電。
3、腰帶式無線跟蹤器便於礦工佩帶，而且即使發生礦難也很難脫離礦工；具有主動發射功能的無線跟蹤器使礦工能主動把井內的情況反饋到外部，並利用該儀器的兩頻點智能跳頻功能，在平常使用433MHz的信道，而在礦難發生時將頻段轉跳到2.95MHz，2.95MHz頻段的無線信號較別的頻段的無線信號具有更強的巖層和土層穿透能力，至少可以穿透20m至40m厚的巖層或土層與井下救援人員直接通信，這樣可以幫助救援者儘快找到受困礦工，大大提高了救援效率；而設置在礦工腰帶裡的單圈環狀天線比多圈天線有更強的噪聲抵制能力。
4、由救援人員下井時攜帶的無線救援器，用於與地面人員通過無線監測節點網絡進行通信，便於地面人員對救援人員進行跟蹤指揮，保證救援人員自身的安全；它所裝備的易燃易爆和有害氣體檢測器能自動檢測礦難後礦井中有毒氣體或易燃易爆氣體的含量，以便採取相應的行動(原地不動、返回或繼續前移等)；當救援人員接近受困礦工時，可以通過無線救援器確定受困礦工的具體位置，以便有針對性地及時營救。
無線監測節點、無線跟蹤器、無線救援器都比較小巧，無需大尺寸天線，使用方便，操作簡單，它們能相互無線聯通，形成一個統一的整體，因此不需要特殊的通信電纜就可以實現地面與井下的雙向數據傳輸。
圖1為本發明的系統結構示意圖；圖2為本發明無線跟蹤器的外形結構示意圖；圖3為本發明無線跟蹤器的電路原理圖；圖4為本發明無線監測節點的電路原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
如圖所示，一種井下人員定位救援系統，它包括由多個沿礦道布置的無線監測節點組1構成的無線監測節點網絡和礦工隨身佩帶的無線跟蹤器2，相鄰的各個無線監測節點組的間隔距離為25米，無線監測節點組1由三個無線監測節點構成，第一組無線監測節點組的三個無線監測節點A、B、C分別設置在礦道入口處的礦道的兩側和頂部，無線跟蹤器2為腰帶式無線跟蹤器，包括跟蹤器電路21和第一天線22，跟蹤器電路21設置在腰帶頭3上，第一天線22為設置在腰帶4中的單圈環狀天線，跟蹤器電路21包括一個型號為Atmega128的第一單片機23和由型號為AD9858的集成電路晶片24構成兩頻點智能自動跳頻電路，可以在433MHz和2.95MHz之間自動切換，集成電路晶片24一端與第一單片機23連接，另一端通過型號為rfHCS362的第一解碼器25和型號為LM385的第一放大器26與第一天線22連接，第一天線22還通過由型號為DS90LV804的緩衝器31、型號為S3C4F10的解碼器32、型號為LM385的第二放大器33和型號為SN74AHCT132DBR的施密特觸發器34構成的信號接收電路與第一單片機23連接，第一單片機23上還連接設置有發光二極體35和蜂鳴器36，該系統還包括救援人員攜帶的無線救援器(未顯示)它的電路結構與無線跟蹤器2的電路結構相同，在無線救援器上設置有易燃易爆和有害氣體檢測器(未顯示)。
無線監測節點由型號為Atmega128的第二單片機11和型號為CC1000的射頻晶片12及第二天線13組成，它具有信號發送自癒合功能，具體方法為下一組節點向上一組節點發送信號，當上一組節點正常接收到信號時，反饋正常接收的信號給下一組節點，此時下一組節點正常發送信號；當上一組節點發生故障，不能接收下一組節點的信號時，下一組節點未接收到正常接收的反饋信號，此時下一組節點加大發射功率，跳過上一組節點向再上一組節點發送信號，並向監控中心發送上一組節點失效的信號。
上述的井下人員定位救援系統的井下人員定位方法，它包括以下步驟①首先在礦道入口處的兩側和頂部設置由三個無線監測節點A、B、C構成的第一組無線監測節點組，並確定該三個無線監測節點A、B、C各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進，每隔25米按相同的方式設置下一組無線監測節點組，並依此類推；③測出第一無線監測節點組中各個節點接收到的下一個無線監測節點組中的每個節點發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式 得到該節點的三維坐標，並依此類推得到各個無線監測節點組的三維位置；例如，設圖1中的無線監測節點A、B、C的三維位置為(1，0，0)m、(0，1，0)m、(0，0，1)m，信號衰減模型公式為 (其中，c為光速3×108m/s、f是信號頻率、d是發射節點與接受節點之間的距離)，並設節點D的的發射功率是1w，而節點A、B、C接受的功率(即強度信號)PA、PB、PC都是0.25w，則可以得出節點D與節點A、B和C之間的距離dA、dB、dC分別為0.11m，從而可以計算出節點D的三維坐標為(1.33，1.33.1.33)m；④通過相近的一個或兩個無線監測節點組，只要測出無線跟蹤器2發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式就可以得到無線跟蹤器的三維坐標。
為了使該三維位置估計算法具有較強的魯棒性(抗幹擾能力)，在步驟③中可以分以下兩種情形進行處理如果PA、PB、PC都大於某個設定的閾值(如0dBm)，那麼節點A和B會將計算的PA、PB以及它們的三維位置發送給主節點C，由節點D的發送信號強度、節點A、B和C相應的信號接收強度以及礦道的信號衰減模型，主節點C可以計算出節點D與A、B、C之間的空間距離dA、dB、dC，從而可以根據三角形原理精確計算出節點D的三維坐標，如果PA、PB、PC中的一個或幾個小於設定的閾值，則節點A、B、C認為自己接受到的是幹擾信號，會要求節點D重發信息，直到PA、PB、PC都大於設定的閾值，以保證節點D的位置估計精度。用類似的方法可以估計出下一節點組中的三個節點的三維位置，對後續節點，此時下一節點組的三維位置已知，因而可以根據上述算法自動確定其三維位置，依此類推，從而實現井下地理信息的自動構建和礦工(礦工相當於移動的無線監測節點)三維位置的精確估計，其定位誤差小於1m。
如圖1所示，假設節點A、B和C已布置好，其中，C為A和B的子節點，即下級節點，A和B為C的父節點，即上級節點，而且，它們的三維位置事先已知。布置好後續節點D後，根據上述井下地理信息自動構建算法無線監測節點網絡可以自動估計出節點D的三維位置，此時節點C就將節點D加為自己的子節點(為適應節點容易失效的井下特殊環境，不對節點進行編號，而是根據由網絡自動計算出的三維位置表示各個節點)。同時，一方面向節點A和B廣播這一消息，使得節點A和B將D加為自己的孫子節點，另一方面向節點D發送消息，表明節點C是其父節點，而節點A和B都是其祖父節點，從而建立起節點A、B、C和D之間的數據鏈路。顯然，根據這種方法可以類似地建立起節點A、B、C和另外的節點之間的數據鏈路，如此繼續下去，即自動完成了整個無線監測節點網絡的數據傳輸鏈路的建立過程。
為保證上述路由機制的高效、可靠性以及節省節點電源消耗(為防止礦難時節點斷電，節點不採用井下電源，而是以高能電池供電)，正常情況下，節點的覆蓋範圍只有25m左右，因而監測數據只能由子節點傳輸到父節點，而不能傳輸到其祖父節點。另一方面，數據傳輸鏈路建立後，如果鏈路上某個節點由於某種原因失效則該數據鏈路就被斷開，如節點D的監測數據本來通過其父節點C進行傳輸，由於某種原因節點C不能正常工作，造成數據傳輸鏈路中斷，節點D的數據無法通過節點C傳輸。此時，節點D會根據預先設定的程序自動加大發射功率到信號覆蓋範圍為50m左右，使得其祖父節點A和B也能接受到它的信號。節點A和B接受到來自節點D的信號後，首先判斷該信號的接收強度是否超過設定的閾值(如0dbm)，如果沒有超過即認為是幹擾信號，不予理睬，否則判斷該信號的來源位置是否其孫子節點，如果不是則不予理睬，否則認為是有效信號，並自動將其子節點修改為節點D，同時向地面發送節點C失效的消息，並最終建立起新的數據傳輸鏈路，完成數據鏈路的自癒合。
上述實施例中的信號衰減模型公式也可以使用其它已知的公式來替代。
權利要求
1.一種井下人員定位救援系統，其特徵在於它包括由多個沿礦道布置的無線監測節點組構成的無線監測節點網絡和礦工隨身佩帶的無線跟蹤器，所述的無線監測節點組由分別設置在礦道的兩側和頂部三個無線監測節點構成。
2.如權利要求1所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於所述的無線跟蹤器為腰帶式無線跟蹤器，所述的無線跟蹤器包括跟蹤器電路和第一天線，所述的跟蹤器電路設置在腰帶頭上，所述的第一天線為設置在腰帶中的單圈環狀天線。
3.如權利要求2所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於所述的跟蹤器電路設置有兩頻點智能自動跳頻電路。
4.如權利要求3所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於所述的跟蹤器電路包括一個型號為Atmega128的單片機，所述的兩頻點智能自動跳頻電路包括型號為AD9858的集成電路晶片，所述的集成電路晶片一端與所述的單片機連接，所述的集成電路晶片另一端通過型號為rfHCS362的第一解碼器和型號為LM385的第一放大器與所述的第一天線連接。
5.如權利要求1所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於相鄰的各個無線監測節點組的間隔距離為20米~30米。
6.如權利要求1所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於它還包括救援人員攜帶的無線救援器，所述的無線救援器設置有易燃易爆和有害氣體檢測器。
7.如權利要求1所述的一種井下人員定位救援系統，其特徵在於所述的無線監測節點具有信號發送自癒合功能。
8.如權利要求7所述的一種井下人員定位救援系統的信號發送自癒合方法，其特徵在於具體方法為下一組節點向上一組節點發送信號，當上一組節點正常接收到信號時，反饋正常接收的信號給下一組節點，此時下一組節點正常發送信號；當上一組節點發生故障，不能接收下一組節點的信號時，下一組節點未接收到正常接收的反饋信號，此時下一組節點加大發射功率，跳過上一組節點向再上一組節點發送信號，並向監控中心發送上一組節點失效的信號。
9.如權利要求1的井下人員定位救援系統的井下人員定位方法，其特徵在於它包括以下步驟①首先在礦道的兩側和頂部設置由三個無線監測節點構成的第一組無線監測節點組，並確定該三個無線監測節點各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進，每隔一段距離按相同的方式設置下一組無線監測節點組，並依此類推；③測出第一無線監測節點組中各個節點接收到的下一個無線監測節點組中的每個節點發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式得到該節點的三維坐標，並依此類推得到各個無線監測節點組的三維位置；④通過相近的一個或兩個無線監測節點組，測出所述的無線跟蹤器發射的信號強度，並利用信號衰減模型公式得到所述的無線跟蹤器發射的三維坐標。
全文摘要
本發明公開了一種井下人員定位救援系統及定位方法，特點是它包括由多個沿礦道布置的無線監測節點組構成的無線監測節點網絡和礦工隨身佩帶的無線跟蹤器，無線監測節點組由分別設置在礦道的兩側和頂部三個無線監測節點構成，優點是無需事先已知井下地理信息，利用井下無線網絡自動構建礦工、無線監測節點自動三維定位系統，無需增加有線電纜，就能隨時監測礦工的具體位置，並在礦難發生時，通過無線監測節點網絡迅速準確地計算出受困礦工的位置，更好的保障了礦工的人身安全。
文檔編號E21F11/00GK1858406SQ200610051840
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月7日 優先權日2006年6月7日
發明者鍾志光 申請人:寧波市科技園區艾因斯科技有限公司