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井下高容災(zāi)度的監(jiān)測定位及人員求助系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:9909627閱讀:896來源:國知局
井下高容災(zāi)度的監(jiān)測定位及人員求助系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種井下監(jiān)測及定位技術(shù)領(lǐng)域,具體地說是涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無 線通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是煤炭開采的大國,煤炭是我國的重要能源,也是經(jīng)濟發(fā)展的重要保障,我國 約70%的能源消耗來自煤炭。由于井下自然環(huán)境多變,空間相對狹小,所以煤礦事故頻發(fā), 極易造成人員的傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。對人員位置的掌握成為煤炭安全開采的首要保 證,一旦發(fā)生事故,地面人員及時動態(tài)掌握井下人員的位置,為有效率的搶險救災(zāi)提供主要 信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有感知、計算和通信能力的微型傳感器以自組織方式形成的無 線網(wǎng)絡(luò),部署相對靈活,覆蓋面廣,能有效地提供事件及節(jié)點的位置信息,特別適合應(yīng)用于 井下人員的定位。
[0003] 在煤礦生產(chǎn)中瓦斯爆炸事故造成的破壞是最大的,所以瓦斯含量的監(jiān)測是安全生 產(chǎn)的必要保證,針對我國的開采環(huán)境,瓦斯監(jiān)測主要是對空氣中甲烷含量的檢測。目前使用 的便攜式的甲烷檢測儀存在以下不足之處:檢測到的數(shù)據(jù)無法及時的上傳到監(jiān)控終端,導(dǎo) 致無法獲得實時數(shù)據(jù);由于井下空間相對狹窄,定位節(jié)點的布置受到局限,檢測儀無法獲得 準(zhǔn)確的位置信息。
[0004] 煤礦井下是一個特殊的受限環(huán)境,巷道組成長短不一,有的長度可達幾十到上百 公里,寬度則只有幾米,一維或二位的定位就可以滿足這種近似線性特征的結(jié)構(gòu)。煤礦井下 煤巖動力變化過程存在著復(fù)雜的電磁環(huán)境,大量的變頻設(shè)備和大功率機電設(shè)備造成嚴(yán)重的 電磁干擾,無線信號在巷道內(nèi)傳輸存在著大量的反射、散射、衍射以及透射等現(xiàn)象。所以復(fù) 雜的電磁環(huán)境對無線通信造成不可避免的干擾。
[0005] 目前常用的定位方法是基于測距的,如到達角度定位(Α0Α),接收信號強度定位法 (RSSI),到達時間定位(Τ0Α),到達時間差定位(TD0A)。目前主要使用RSSI,是接收機通過測 量射頻信號的能量來確定與發(fā)送機之間的距離,其中路徑衰落指數(shù)是主要的參數(shù),并且與 特定的環(huán)境相關(guān),由于RSSI指示已經(jīng)是傳感器節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)的功能,所以該方法被廣泛的使 用。但是依上述的井下電磁環(huán)境,路徑衰落指數(shù)變化比較大,如果依靠已經(jīng)建立的模型計算 會造成較大的誤差。
[0006] 非測距的方法是不需要測量節(jié)點之間距離的,利用網(wǎng)絡(luò)的連通性信息來計算節(jié)點 的位置,可以不受測距誤差的影響,并且對通信的要求比較低,降低節(jié)點的硬件成本和能 耗。井下環(huán)境多為隧道組成的線狀環(huán)境,要求我們能較快的確定人員的全局坐標(biāo)即可。本發(fā) 明提出通過在巷道側(cè)壁上等間距的布置錨節(jié)點設(shè)備,形成定位矩形區(qū)域,然后在矩形區(qū)內(nèi) 根據(jù)RSSI值再次劃分區(qū)域縮小定位范圍,然后由錨節(jié)點設(shè)備的坐標(biāo)實現(xiàn)定位,某些錨節(jié)點 設(shè)備因突發(fā)事故被破壞或其他因素導(dǎo)致失效后,通過其他錨節(jié)點設(shè)備的協(xié)同合作也可以完 成通信和定位,提高系統(tǒng)容災(zāi)度。
[0007] 我國的井下工作人員的在井下的工作時間一般維持在8小時左右,由于技術(shù)方面 的限制導(dǎo)致自動化程度不高,很多的工作需要手動完成,對人員的體力消耗比較大,加之井 下與井上環(huán)境迥異,對工作人員的身體,尤其是一些新員工會造成不可避免的影響。目前, 井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計大部分的功能是實現(xiàn)井上對井下人員、生產(chǎn)、環(huán)境等方面信息的 采集和控制,而井下人員的求助和對緊急時間的判斷無法及時上傳,所以本發(fā)明加入了人 員求助功能,有利于針對井下人員的突發(fā)事件做出快速的反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種煤礦井下高容災(zāi)度的監(jiān)測定位及人員求助系統(tǒng),可以實時的檢測 井下任意位置的甲烷濃度和環(huán)境溫度;及時的掌握人員的位置信息;如果井下工作人員的 身體不適或發(fā)現(xiàn)意外情況,能發(fā)出報警信息向同事求助,同時告知井上監(jiān)控終端及時處理。 以上功能的實現(xiàn)以定位系統(tǒng)的完整性為基礎(chǔ)。
[0009] 所述系統(tǒng)主要包括:監(jiān)控終端、調(diào)度臺、定位服務(wù)器、存儲服務(wù)器、交換機和無線傳 感器網(wǎng)絡(luò);其特征在于:無線傳感器網(wǎng)絡(luò),包括錨節(jié)點設(shè)備和目標(biāo)節(jié)點設(shè)備;錨節(jié)點設(shè)備包 括:處理器、電源、備用電池、LED燈、防爆外殼;目標(biāo)節(jié)點設(shè)備由井下人員攜帶,包括:處理 器、蜂鳴器、電源模塊、甲烷含量檢測裝置、按鍵、震動馬達、溫度傳感器;隧道口的錨節(jié)點設(shè) 備充當(dāng)匯聚節(jié)點通過光纖連接交換機和服務(wù)器;錨節(jié)點設(shè)備等間距的交錯布置在巷道的兩 偵L對面的錨節(jié)點設(shè)備與另一側(cè)相距最近的錨節(jié)點設(shè)備的連線垂直與巷道,巷道同側(cè)的錨 節(jié)點設(shè)備之間的距離均為d,通信距離為R,巷道的寬度為h,錨節(jié)點設(shè)備的布置需要滿足以 下條利
;目標(biāo)節(jié)點設(shè)備比較接收到的不同錨節(jié)點設(shè)備RSSI值,縮 小人員所在范圍,錨節(jié)點設(shè)備作為參考點實現(xiàn)定位;錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分為多個 矩形區(qū)域,當(dāng)任意矩形區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效時, 其余的相鄰健康錨節(jié)點設(shè)備相互處于對方的通信半徑內(nèi),維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常接 續(xù),滿足整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信和定位需求。
[0010] 所述系統(tǒng)進一步包括:每個巷道以匯聚節(jié)點為原點(0,0)建立坐標(biāo);在每個矩形區(qū) 域內(nèi)確定對角線交點的坐標(biāo)W(Xw,Y?〇,測量目標(biāo)節(jié)點設(shè)備在(Xw,Y?〇位置接收到的四個錨節(jié) 點設(shè)備如A(Xa,Ya),B(Xb,Yb),C(X C,YC),D(Xd,Yd)發(fā)射信號的RSSI值,三個RSSI值的算數(shù)平均 值作為標(biāo)定值Q;定位時,設(shè)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備檢測到的錨節(jié)點設(shè)備A的RSSI值經(jīng)高斯濾波為Qa, 計算過程如下:
[0011] 設(shè)接收同一錨節(jié)點設(shè)備的RSSI值服從Ν(μ,δ2)高斯分布,其概率密度為:
[0012]
[0013]其 4
'是 時間t內(nèi)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備接收到錨節(jié)點設(shè)備Α信號的RSSI值集合,t是經(jīng)現(xiàn)場測定或人為設(shè)定 的,區(qū)間(μΚ RSSIk《y + S)是高概率區(qū)間,將在此區(qū)間的RSSI值進行均值濾波, 得到的值作為Qa,同理可以計算得到Qb,Qc,Qd, ? - κ=ι
設(shè)人員的坐標(biāo)為(X,Y)。首先矩形中的錨節(jié)點設(shè)備感知到目標(biāo)節(jié)點設(shè)備后,根據(jù)最佳矩形內(nèi) 點測試法PIR(perfect point-in-rectangle),判斷是否在矩形區(qū)域內(nèi),如在矩形區(qū)域內(nèi)進 行定位。
[0014] 定位過程如下:
[0015] 由以下公式計算Qa,Qb,QC,Qd與標(biāo)定值Q的均方偏差:
[0016]
[0017] D與區(qū)分值F比較,F(xiàn)是經(jīng)現(xiàn)場測定或人為設(shè)定的,若D < F,則人員的坐標(biāo)(X,Y):
[0018]
[0019 ]若〇 > F,對Qa,Qb,Qe,Qd比較排序,確定最大的兩個RSSI值對應(yīng)的錨節(jié)點設(shè)備,共分 為四種情況,根據(jù)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備所在不同的四個三角形區(qū)域,依次對應(yīng)以下四組公式計算 坐標(biāo)(X,Y):
[0020] 第一種狀態(tài),Qa,Qb值最大,錨節(jié)點設(shè)備在三角形AABW區(qū)域內(nèi):
[0021]
[0022]第二種狀態(tài),Qb,QC值最大,錨節(jié)點設(shè)備在三角形ABCW區(qū)域內(nèi);
[0023]
[0024]第三種狀態(tài),Qc,Qd值最大,錨節(jié)點設(shè)備在三角形Λ CDW區(qū)域內(nèi);
[0025]
[0026] 第四種狀態(tài),QA,QD值最大,錨節(jié)點設(shè)備在三角形AADW區(qū)域內(nèi);
[0027]
[0028]所述系統(tǒng)進一步包括:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備正常情況下,巷道的所有區(qū)域同時 被4個錨節(jié)點設(shè)備通信覆蓋,提高系統(tǒng)的容災(zāi)度和定位精度;錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分 為多個矩形區(qū)域,任意矩形區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效 時,其余的健康錨節(jié)點設(shè)備保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常接續(xù),為巷道內(nèi)的后續(xù)錨節(jié)點設(shè)備 提供路由。
[0029]所述系統(tǒng)進一步包括:錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分為多個矩形區(qū)域,任意矩形 區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效時,接收健康錨節(jié)點設(shè)備的 RSSI值與標(biāo)定值Q進行大小比較,在矩形區(qū)域內(nèi)進一步縮小人員所在范圍,根據(jù)錨節(jié)點設(shè)備 和對角線交點的坐標(biāo),仍可以完成人員定位。
[0030] 所述系統(tǒng)進一步包括:錨節(jié)點設(shè)備之間通過無線網(wǎng)絡(luò)交互信息,具有相同的信號 發(fā)射功率;匯聚節(jié)點連接骨干網(wǎng)和巷道內(nèi)的錨節(jié)點設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
[0031] 所述系統(tǒng)進一步包括:目標(biāo)節(jié)點設(shè)備與井上存儲服務(wù)器、定位服務(wù)器及監(jiān)控終端 之間通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和交換機連接,實現(xiàn)雙向通信。
[0032] 所述系統(tǒng)進一步包括:該系統(tǒng)中目標(biāo)節(jié)點設(shè)備采集溫度及甲烷檢測數(shù)據(jù),實時上 傳到存儲服務(wù)器。
[0033] 所述系統(tǒng)進一步包括:當(dāng)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備的甲烷檢測裝置和溫度傳感器檢測到甲烷 含量或溫度異常時,處理器控制蜂鳴器發(fā)出報警聲,同時震動馬達工作,將包含溫度或甲烷 含量的檢測值和報
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