坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術的製作方法

2023-05-16 11:00:46

坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術，該技術包括：對被困人員的聲音信號進行採樣及處理→將聲音信號轉化為數位訊號並進行低碼率壓縮→將壓縮後的數位訊號轉化為有規律的振動信號並通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播→將接收到的振動信號處理後轉化為數位訊號→將提取到的數位訊號進行解碼並還原為原始聲音信號播出。本發明在坑道發生坍塌事故時，能快速實現救援人員與被困人員的通信聯絡。
【專利說明】坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應急通信技術，具體是一種利用鋼軌傳輸的快速語音通信技術，應用於坑道災害救援中被困人員與救援人員的通信。
【背景技術】:
[0002]坑道是開發礦產資源的基本建設工程，也是生產礦山進行採礦準備和生產探礦的主要工程。在施工過程中會出現因地質作用和人為工程活動而造成地質災害，如突水突泥、巖爆、巖土體變形位移滑塌等，危及作業人員生命財產安全。
[0003]當坑道災難發生後，原有井下通信設備基本無法使用，經常是完全癱瘓。正常生產時所使用的有線電纜的通訊方式，會因為電纜易受擠壓而發生形變、斷裂、短路、以及中繼設備受到損壞而造成通信中斷。而室外使用的無線電磁的通訊方式，由於電波穿透能力有限，發生災難事故時，因巷道堵塞、設備損壞等因素而導致電波不能傳播，很難真正實現救援人員與被困人員的通信。
[0004]目前坑道災害救援通信方式主要關注的是基站和救援人員以及救援人員之間的通信聯絡，缺乏對救災人員和被困人員之間的通信技術研究。現有的坑道災害救援設備通信方式有無線和有線兩種。
[0005]坑道有線救災通信系統將通信電纜兼做探險繩，主要由礦山救護隊配備，在使用時需臨時敷設線路，甚至需一邊挖掘一邊前進，主要用於傳輸語音、圖像、以及監測環境中的ch4、co、o2濃度、救護隊員的體溫、心跳、姿態等，目前的井下有線救災通信系統僅用於救護隊員與井下救援基地和地面救援指揮中心的通信聯絡，無法在第一時間聯絡坍塌體後的被困人員。
[0006]坑道無線救災通信系統多採用MESH技術，採用MESH技術可以根據正常工作的節點自組織網絡，因此一般情況下能夠實現應急通信的要求。但當節點被瓦斯爆炸等事故連片摧毀時也不能保障被困人員通信，而且由於井下環境複雜，當事故發生時，可能因巷道堵塞等導致電波不能傳播而不能快速的實現實時通信，從而不能準確定位合理施救的方案。
[0007]綜上可知，原有救援通信技術存在局限與不足，而採用鋼軌快速應急通信方法能夠在救援人員到達災害現場後第一時間與被困人員建立起通信鏈路，實現救援人員與被困人員的及時交流。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在於提供一種坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術，該技術通過坑道內鋪設的鋼軌能快速實現救援人員與被困人員的通信聯絡。
[0009]為實現上述目的，本發明提供的坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術包括如下驟:
[0010](I)在信號的採集端，對被困人員的聲音信號進行採樣，將採集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理；[0011](2)將處理後的模擬聲音信號轉化為數位訊號，並將數位訊號進行低碼率的壓縮；
[0012](3)將壓縮後的信號通過振動發生裝置轉化為有規律的振動信號，通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播；
[0013](4)在信號的接收端，採用高靈敏度的振動傳感器接收振動信號，對接收到的微弱振動信號進行包括濾波、去噪、放大的處理後，將模擬信號轉化為數位訊號；
[0014](5)對數位訊號進行傅立葉變換，提取其中所包含的信息，將提取到的數位訊號進行解碼，使其還原為原始採樣後的二進位數位訊號，最後將數位訊號轉化為聲音模擬信號播出。
[0015]本發明由於採用鋼軌進行信號的傳輸，對傳輸時的碼率要求越低越好，同時由於救援通信的特點，不需要還原後的聲音信號保留高保真度和高清晰度，僅需要實現簡單通信即可，因此可採用參數編碼對語音信號進行壓縮處理，通過聲碼器可實現對語音信號進行低碼率的頻帶壓縮。將語音信號進行壓縮後，可減少語音信號在傳輸時所需的碼率，降低傳輸信號所需的頻帶寬度，增加傳輸線路使用的效率。將壓縮後的語音信號通過振動發生裝置以不同的頻率傳播，可以提高信號的傳輸速率。
[0016]本發明中振動信號在鋼軌中以固體聲的方式進行傳播，由於鋼軌在作業坑道中相互連通，因此振動信號沿鋼軌傳播是可行的，同時由于振動信號沿鋼軌傳播時衰減很小，因此可以實現信號的遠距離傳播。
[0017]下面以一個具體的實驗來說明振動信號在鋼軌中的傳播過程:實驗場地如圖1所示，實驗人員用榔頭輕輕敲擊鐵路的某點，在鐵路的其它多個點接收振動信號，對傳輸的微弱振動信號進行檢測，測得接收到的振動信號的波形，對波形進行檢測分析發現振動聲波在鋼軌橫截面上形成特定形式的駐波或簡正波，鋼軌的截止頻率為50KHz左右，榔頭敲擊鋼軌的頻率小於300Hz (振動發生裝置敲擊鋼軌的頻率可達300Hz左右)，遠小於鋼軌截止頻率，因而鋼軌中的高次波沿鋼軌方向逐步衰減，最後只傳播均勻平面波，對接收到的信號進行放大，濾波去噪之後可以使信號得到有效還原。通過實驗還發現，軌道縫隙和岔道對振動聲波具有一定的衰減作用，在不存在岔道的情況下，榔頭敲擊聲可以在鋼軌中有效傳輸超過200m的距離。圖2、圖3為鐵軌常見的兩類縫隙，振動聲波經過這兩類縫隙前、後的波形如圖5、圖6所示，比較圖5和圖6可發現，聲波幅值有一定衰減，但是幅度較小，對波形衰減影響不明顯。振動聲波經過圖4所示的岔道前、後的波形如圖7、圖8所示，比較圖7和圖8可發現，振動波形在經過岔道後有比較明顯的衰減，但是振動波形依然保持完整，因此對後期信號的有效提取影響不大。
[0018]從上可以看出，利用鋼軌進行應急通信具有傳輸效率高，損耗小、噪聲幹擾小等優點，且損耗通過對軌道縫隙及岔道做一定的技術處理還可以進一步降低，另外由於鋼軌在發生事故時不容易受到大規模損壞，同時作為傳播媒介又不容易受到外界其他因素幹擾，因此利用鋼軌能快速實現救援人員與被困人員的通信聯絡，加快救援進度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實驗場地的實拍圖。
[0020]圖2為軌道上一類縫隙的實拍圖。[0021]圖3為軌道上另一類縫隙的實拍圖。
[0022]圖4為軌道岔道的實拍圖。
[0023]圖5為振動聲波經過縫隙前的波形圖。
[0024]圖6為振動聲波經過縫隙後的波形圖。
[0025]圖7為振動聲波經過岔道前的波形圖。
[0026]圖8為振動聲波經過岔道後的波形圖。
[0027]圖9為本發明實施例1的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]實施例
[0029]如圖9所示，本發明方法包括如下步驟:
[0030](1)在信號的採集端，對被困人員的聲音信號進行採樣，將採集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理；
[0031](2)將處理後的模擬聲音信號通過A/D轉換器轉化為數位訊號，再將數位訊號通過AMBE聲碼器或TR600語音編碼器進行低碼率的壓縮，可得到2.4kbps甚至更低的數據速率；
[0032](3)將壓縮後的二進位信號轉化為十六進位(也可轉化為八進位)的數位訊號，並將十六進位的數位訊號與振動發生裝置產生的不同頻率的振動進行一一對應，製作如下對應的編碼列表(表中的對應頻率可根據實際需要進行調整)，
[0033]
【權利要求】
1.一種坑道作業突發災難背景下的鋼軌通信技術，該技術包括如下步驟: (1)在信號的採集端，對被困人員的聲音信號進行採樣，將採集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理； (2)將處理後的模擬聲音信號轉化為數位訊號，並將數位訊號進行低碼率的壓縮； (3)將壓縮後的信號通過振動發生裝置轉化為有規律的振動信號，並通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播； (4)在信號的接收端，採用高靈敏度的振動傳感器接收振動信號，對接收到的微弱振動信號進行包括濾波、去噪、放大的處理後，將模擬信號轉化為數位訊號； (5)對數位訊號進行傅立葉變換，提取其中所包含的信息，將提取到的數位訊號進行解碼，使其還原為原始採樣後的二進位數位訊號，最後將數位訊號轉化為聲音模擬信號播出。
【文檔編號】H04B13/00GK103634056SQ201310656393
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】鍾曉玲, 郭勇, 林偌黠, 劉小洪, 向玉玲, 張定萍 申請人:成都理工大學