一种基于人员定位的矿井下灾害报警系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于人员定位的矿井下灾害报警系统，该系统主要涉及矿井无线通信、nlos误差抑制、矿井下移动目标定位、计算机技术等领域。

背景技术：

煤炭行业易发生各种灾害事故，目前多采用各类传感器进行灾害识别与报警，但传感器的报警方法受传感器种类和灵敏度等因素限制，易发生误报和漏报，并且这些报警系统及设备只能对单一的灾害进行报警，无法满足矿井灾害处理和应急救援的要求。因此，需要新型的具有实时性强、准确性高、可对多种灾害进行报警的井下灾害报警系统。

目前，已有部分研究人员提出基于人员位置的监测方法，判断在单位时间内是否有人员的移动速度超过设定阈值，当所述人员超速持续时间超过设定的阈值，则判定该人员为超速人员，当超速人员数量超过设定阈值，且被监测的井下运输设备不具有相同位置变化时，则发出井下灾害报警。此类方法仅是根据人员定位装置采集到的数据，通过判断在单位时间内是否有人员的移动速度超过设定阈值，然而煤矿井下环境空间狭小、距离短、有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、巷道表面粗糙等，传输损耗大，会引起电磁波信号的传输过程中的不固定、不可预知的损耗，在人员定位基站与人员定位卡距离较远时，会出现很大的测距误差，进而导致获得的人员移动速度有较大误差。

针对上述矿井下灾害识别和报警技术存在的问题。本实用新型提供了一种结合矿井下人员移动速率和加速度数据，并分析相关区域的所有现场人员相关数据，当监测到的异常行为数据满足设定条件时，发出灾害报警信号的新型的矿井下灾害报警系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有各类传感器进行灾害预警及报警时存在的误报和漏报问题，以及提供一种可有效避免非视距信号在不同巷道环境信号衰减特性不一致的问题，并提供一种基于人员定位的矿井下灾害报警系统，可有效提高矿井下目标定位系统采集的目标定位数据的利用率，并实现对矿井下多种灾害进行报警。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于人员定位的矿井下灾害报警系统，其特征在于：所述系统主要包括识别与报警子系统、有线网络子系统和无线网络子系统；所述识别与报警子系统包括地面监控终端、调度指挥终端、灾害报警服务器、矿井环境监测服务器；所述有线网络子系统包括数据服务器、数据传输模块、本质安全型交换机；所述无线网络子系统包括本质安全型交换机、本质安全型无线中继、定位模块。

进一步地，所述地面监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能，用于矿井各级调度中心对矿井人员位置或者车辆位置的监控，目标定位信息的实时显示和预警。

进一步地，所述调度指挥终端用于矿井下人员定位信息的接收、管理，以及各级调度中心向矿井人员或者车辆发送调度和救援指挥命令。

进一步地，所述灾害报警服务器用于对数据服务器识别灾害后的声光报警提示和上报数据至上级人员管理中心。

进一步地，所述数据服务器用于监测至少2个相邻定位服务区域内的矿井下人员和井下运输设备的位置、移动速度、加速度，所述矿井下人员、井下运输设备至少携带一种用于监测位置的定位装置；数据服务器用于监测在一定时间内移动速度超过设定阈值的人员，分析多个相邻定位服务区域内的多个目标定位卡的平均移动速度、平均加速度、累积平均加速度均值和矿井下历史环境监测数据的分析与判别，向所述地面监控终端、调度指挥终端发出井下灾害报警信号。

进一步地，所述数据传输模块用于测距区间数据、定位测量数据、报警信号和调度指挥指令的传输。

进一步地，所述本质安全型交换机用于接收本质安全型定位基站发送测距区间数据和定位测量数据，以及传输调度指挥终端向本质安全型定位基站发送的调度指挥指令和灾害报警信号。

进一步地，所述本质安全型无线中继用于转发测距区间数据、定位测量数据、报警信号和调度指挥指令。

进一步地，所述定位模块包括本质安全型定位基站和本质安全型定位卡，均采用全向天线，本质安全型定位基站与本质安全型定位卡能够进行无线通信，所述本质安全型定位基站能够进行有线和无线通信。

附图说明

图1是本实用新型的灾害报警系统示意图；

图2是本实用新型的灾害报警判定流程图；

图3是本实用新型的r-测量区间和t-测量区间的测量流程图；

图4是本实用新型的目标定位卡的定位数据采集流程图；

图5是本实用新型的计算距离测量值流程图；

图6是本实用新型的鉴别干扰测量值流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做详细的说明，实施例不应被视为限制本实用新型的使用范围。

如图1所示，一种基于人员定位的矿井下灾害报警系统分为井上部分和井下部分，主要包括：管理子系统、有线网络子系统和无线网络子系统；管理子系统包括地面监控终端(101)、调度指挥终端(102)、灾害报警服务器(109)、矿井环境监测服务器(110)；有线网络子系统包括数据服务器(103)、数据传输模块(104)、核心交换机(105)和本质安全型交换机(106)；无线网络子系统包括本质安全型交换机(106)、本质安全型无线中继(111)、定位模块；

1.地面监控终端(101)具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能，用于矿井各级调度中心对矿井人员位置或者车辆位置的监控，目标定位信息的实时显示和预警，地面监控终端(101)与调度指挥终端(102)、核心交换机(105)、灾害报警服务器(109)相互连接；

2.调度指挥终端(102)用于目标定位信息的接收、管理，以及各级调度中心向矿井人员或者车辆发送调度和指挥命令；地面监控终端(101)与调度指挥终端(102)相互连接，调度指挥终端(102)能够通过api接口访问数据服务器(103)，实现对井下工作人员及相关设备的实时监控和指挥调度。

3.数据服务器(103)与数据传输模块(104)相连接，能够调取矿井环境监测服务器(110)中存储的矿井下历史环境监测数据，且能够与灾害报警服务器(109)进行通信，向灾害报警服务器发送灾害报警信息，数据服务器(103)可采用"台式服务器"、"机架式服务器"、"机柜式服务器"或者"刀片式服务器"，能够接收定位基站(9)通过数据传输模块(104)发送来的用于定位的测量数据，并进行nlos误差数据的抑制处理，获取井下目标定位卡的精确定位坐标，以及对定位结果进行存储。

4.数据传输模块(104)用于定位测量数据和调度指挥指令的传输，以矿用光纤为主要传输介质，一端与核心交换机(105)相连，另一端通过本质安全型交换机(106)与定位基站相连接。

5.核心交换机(105)用于对所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。

6.本质安全型交换机(106)用于接收本质安全型定位基站(107)发送的测距数据和传输调度指挥终端(102)向本质安全型定位基站(107)发送的调度指挥指令。

7.定位模块包括本质安全型定位基站(107)和本质安全型定位卡(108)，均采用全向天线，所述本质安全型定位基站(107)能够与定位服务区域内的井下目标所携带的本质安全型定位卡(108)进行通信，生成并输出包括井下目标身份信息在内的测距数据；均具有信号收发、接收功率识别、计时和时间记录功能，能够用于进行信号收发时刻、时间的计量和保存。

8.本质安全型定位基站(107)在巷道内间隔一定距离，并在同一侧、同一高度上沿着一定的方向布设，作为目标物体定位检测的锚节点，主要包括电源，备用电池、控制器及通信模块及天线，同时存储有自身位置信息和标识信息，能够检测本质安全型定位卡(108)发送的定位信号，生成并输出包括定位目标的身份信息在内的定位信息，能够通过通信线缆向本质安全型交换机(106)发送目标定位卡信息，能够在与本质安全型交换机(106)有线通信断开后，通过本质安全型无线中继(111)与本质安全型交换机(106)进行通信，发送目标定位卡信息。

9.本质安全型定位卡(108)由煤矿井下运输设备和工作人员携带，作为人员定位检测的目标节点，分配唯一的标识码并存储有所属目标物体的身份识别信息。

10.灾害报警服务器(109)负责井下灾害报警，从数据服务器(103)获取井下地理信息、目标定位卡位置等数据信息，能够向地面监控终端(101)和调度指挥终端(102)发送报警信息。

11.矿井环境监测服务器(110)与数据服务器(103)进行通信连接，主要存储矿井下环境历史监测数据等数据信息。

12.本质安全型无线中继(111)负责接收本质安全型定位基站(107)发送的用于目标定位的目标定位卡信息，通过对所述信号的中继和放大，并发送到与其相邻的上一级本质安全型无线中继或者本质安全型交换机(106)。

如图2所示，本实用新型的灾害报警判定流程如图2所示：

1.(201)：在矿井巷道中沿着巷道前进方向间隔一定通信距离布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和位置坐标记录；在待定位目标上安装含有身份识别信息的目标定位卡；

2.(202)：定位基站向其最近邻的两个定位基站进行通信，周期性动态测量每一个定位基站所对应的定位服务区域的r-测距区间和t-测距区间，并划定和更新每个定位基站的定位服务区域；

3.(203)：目标定位卡向所在的定位服务区域内的两个最近邻定位基站进行通信，定位基站将采集的目标定位卡定位数据发送至井上定位服务器后，定位服务器根据定位数据分别计算接收信号强度rss的距离测量值和信号到达时间toa的距离测量值；

4.(204)：进行干扰测量值鉴别，根据所述r-测距区间对接收信号强度rss的距离测量值进行干扰测量值鉴别处理；根据所述t-测距区间对到达时间toa的距离测量值进行干扰测量值鉴别处理，用于消除巷道内的随机非视距nlos误差数据；

5.(205)：判断目标定位卡定位数据采集次数，当采集次数≤n时，每间隔时间t，返回执行(203)，直至获取4(n+1)组定位数据，n＝1，2，3，……，执行(206)；

6.(206)：数据服务器计算目标定位卡的移动速度，并根据得到的移动速度计算目标定位卡的平均移动速度；通过将鉴别干扰测量值后获得的2(n+1)组r-距离测量值dma,r,1、dma,r,2、dma,r,3、…、dma,r,l和dmb,r,1、dmb,r,2、dmb,r,3、…、dmb,r,l，分别计算其相邻差值△da1、△da2、…、△da(j-1)和△db1、△db2、…、△db(j-1)；根据公式计算得到目标定位卡m的移动速率va,1、va,2、…、va,j-1和vb,1、vb,2、…、vb,j-1，根据公式计算得到目标定位卡m的平均移动速度vm,r，式中l＝1，2，…，n+1，j＝2，…，n+1；通过将鉴别干扰测量值后获得的2(n+1)组r-距离测量值dma,r,1、dma,r,2、dma,r,3、…、dma,r,l和dmb,r,1、dmb,r,2、dmb,r,3、…、dmb,r,l，分别计算其相邻差值△da1、△da2、…、△da(j-1)和△db1、△db2、…、△db(j-1)；根据公式计算得到目标定位卡m的移动速率va,1、va,2、…、va,j-1和vb,1、vb,2、…、vb,j-1，根据公式计算得到目标定位卡m的平均移动速度vm,r，式中l＝1，2，…，n+1，j＝2，…，n+1；

7.(207)：设置函数阈值t1，并判定井下工作人员的平均移动运动是否超过设定阈值，依次将平均移动速率vm,t、vm,r进行速度阈值处理，当vm,t＞t1或者vm,r＞t1时，将目标定位卡m判定为异常目标定位卡，保存异常目标定位卡移动速度，并执行(208)，否则返回执行(203)；

8.(208)：当数据服务器获取的异常目标定位卡的数量满足设定的一定数量上限后，数据服务器分析和判定同一时间内此一定数量的异常目标定位卡是否在相同定位服务区域内，当判定异常目标定位卡在同一定位服务区域内时，顺序执行(209)，否则执行(210)；

9.(209)：数据服务器分析和判定异常目标定位卡是否与井下运输设备的目标定位卡的定位数据相同，当判定异常目标定位卡与井下运输设备的目标定位卡的定位数据相同时，返回执行(203)，否则执行(210)；

10.(210)：当判定同一时间内的一定数量异常目标定位卡的定位数据与所在的定位服务区域内井下运输设备的目标定位卡定位数据不存在相同数据时，或者当同一时间的一定数量异常目标定位卡不完全在相同的定位服务区域内时，则计算其异常指标值，所述异常指标包括一定数量的异常目标定位卡平均移动速度的最大差值、标准方差、算数平均、方差、变异系数、高阶矩；

11.(211)：至少判断最大差值、标准方差、算数平均、方差、变异系数、高阶矩中的一个异常指标值，当一个异常指标值或者多个异常指标值低于设定的阈值，则判定携带异常目标定位卡的人员为异常行为人，并顺序执行(212)，否则执行(203)；

12.(212)：根据异常行为人的目标定位卡m的移动速率va,1、va,2、…、va,j-1和vb,1、vb,2、…、vb,j-1，通过公式计算每个时间间隔t的异常行为人运动加速度a1、a2、…、an，并根据公式计算所述异常行为人运动加速度的平均加速度

13.(213)：设置异常指标阈值t2，当异常行为人的平均加速度时，判定所述异常行为人的所处环境为异常环境，并顺序执行(214)，否则执行(203)；

14.(214)：数据服务器根据异常环境所在定位基站编号，统计与该定位基站相邻的一定数量定位基站所在的定位服务区域内异常行为人的数量；

15.(215)：判断异常环境下定位基站，以及相邻的一定数量定位基站所在的定位服务区域内是否存在一定数量的异常行为人，若异常行为人数量满足设定条件，则顺序执行(216)，否则执行(214)；

16.(216)：数据服务器计算所述的一定数量的异常行为人的累积平均加速度，并计算其均值；

17.(217)：数据服务器加载并分析自身所存储的矿井下历史环境监测数据，查询异常环境所在的定位服务区域和相邻的定位服务区域内历史环境监测数据中是否有异常环境监测数据；

18.(218)：数据服务器分析所述累积平均加速度均值和异常环境所在的定位服务区域和相邻的定位服务区域内历史环境监测数据中的异常环境监测数据，当异常环境中的所述累积平均加速度均值和异常环境数据超过设定阈值时，顺序执行(219)，数据服务器向灾害报警服务器发出井下灾害报警信号，否则执行(203)；

19.(219)：当灾害报警服务器接收到数据服务器发出井下灾害报警信号后，能够向地面监控终端和调度指挥终端发送报警信息。

如图3所示，本实用新型的r-测距区间和t-测距区间的测量过程包括以下步骤：

1.(301)：在矿井巷道的同一侧同一高度上沿着一定的方向布设定位基站，对每一个定位基站依次进行编号和记录位置坐标，在待定位目标上安装含有身份识别信息的定位卡；

2.(302)：定位基站i向距离其最近的两个定位基站i-1和定位基站i+1发送测距信号，同时记录测距信号的发射功率值wi，计时器开始记录时间ti,i-1和ti,i+1，所述测距信号中包含定位基站i的地址信息，wi的单位为mw，i表示巷道中第i个定位基站，i＝1，2，3，…，n；

3.(303)：所述定位基站i-1接收到所述测距信号，获取到达功率值wi,i-1，延时ti-1后，向定位基站i回复信号si-1,i，所述信号si-1,i包含所述到达功率值wi,i-1和响应时延ti-1；所述定位基站i+1接收到测距信号，获取到达功率值wi,i+1，延时ti+1后，向定位基站i回复信号si+1,i，所述信号si+1,i包含所述到达功率值wi,i+1和响应时延ti+1，wi,i-1和wi,i-1的单位为mw；ti-1和ti+1的单位为s；

4.(304)：定位基站i接收到信号si-1,i和信号si+1,i，分别停止计时，记录时间ti,i-1和ti,i+1，将发射功率值wi，响应时延ti-1、ti+1，时间ti,i-1、ti,i+1，以及接收到的到达功率值wi,i-1、wi,i+1，通过矿井通信网络传输到数据服务器，ti,i-1和ti,i+1的单位为s；

5.(305)：所述数据服务器根据数据ti-1、ti,i-1，通过toa测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值根据数据ti+1、ti,i+1，通过toa测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值所述定位服务器根据发射功率值wi，到达功率值wi,i-1、wi,i+1，通过rss测距公式计算得到定位基站i与定位基站i-1之间的距离测量值通过rss测距公式计算得到定位基站i与定位基站i+1之间的距离测量值式中lg表示以10为底的对数，f表示测距信号的频率，单位为mhz，gtr表示定位基站全向天线的增益，单位为db；

6.(306)：数据服务器将(305)得到的距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间r-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的r-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间r-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的r-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i-1与定位基站i之间t-测距区间的最大距离测量值即定位基站i-1与定位基站i的t-测距区间为将距离测量值作为待定位目标在定位基站i与定位基站i+1之间t-测距区间的最大距离测量值即定位基站i与定位基站i+1之间的t-测距区间为已知巷道顶板与巷道底板之间的距离为待定位目标的最小距离测量值dmin；

7.(307)：重复(302)至(306)依次计算出巷道中相邻两个定位基站所对应r-测距区间和t-测距区间；通过比较定位基站i与定位基站i+1之间的最大距离测量值与当时，最大测距区间为当时，最大测距区间为即定位基站i与定位基站i+1之间的最大测距区间为[dmin,dmax,i,i+1]；通过比较定位基站i与定位基站i-1的最大距离测量值与当时，最大测距区间为当时，最大测距区间为即定位基站i与定位基站i-1之间的最大测距区间为[dmin,dmax,i-1,i]，依次计算出巷道中相邻两个定位基站所对应最大测距区间，并根据最大测距区间对巷道中对应的定位基站划分其定位服务区域；

8.(308)：周期性动态更新巷道中相邻两个定位基站所对应的r-测距区间和t-测距区间，实现对每个定位基站的定位服务区域的自动校准，提高目标定位精度。

如图4所示，本实用新型的采集目标定位卡的定位数据包括以下步骤：

1.(401)：目标定位卡m向距离其最近的两个定位基站a和定位基站b发送定位信号，同时目标定位卡m的计时器开始记录时间tma和tmb，所述定位信号中包含目标定位卡m的地址信息和卡内存储的目标身份识别信息，以及信号发射功率值wm，wm的单位为mw；

2.(402)：所述定位基站a接收到定位信号，获取信号发射功率值wm，记录定位信号的到达功率值wma，延时ta后，向目标定位卡m回复信号sam，同时定位基站a的计时器开始记录时间tam；所述定位基站b接收到定位信号，获取并记录定位信号的到达功率值wmb，延时tb后，向目标定位卡m回复信号sbm，同时定位基站b的计时器开始记录时间tbm；所述wma和wmb的单位为mw；

3.(403)：当所述目标定位卡m接收到信号sam后，停止计时tma，并记录传播时延tma，延时t'a后，向定位基站a回复信号s'am，所述信号s'am包含所述传播时延tma和响应时延t'a；当所述目标定位卡m接收到信号sbm后，停止计时tmb，并记录传播时延tmb，延时t'b后，向定位基站b回复信号s'bm，所述信号s'bm包含所述传播时延tmb和响应时延t'b，所述tma、tmb、t'a、t'b的单位为s；

4.(404)：当所述定位基站a接收到信号s'am后，获取并记录定位信号的到达功率值w'ma，同时停止计时tam，并记录传播时延tam；当所述定位基站b接收到信号s'bm后，获取并记录定位信号的到达功率值w'mb，同时停止计时tbm，并记录传播时延tbm，所述tam、tbm的单位为s；

5.(405)：将定位基站a和定位基站b采集的目标定位卡m的定位数据wm、wma、wmb、w'ma、w'mb、tma、tam、tmb、tbm、ta、tb、t'a、t'b，通过矿井通信网络传输到数据服务器。

如图5所示，本实用新型的根据定位数据计算距离测量值主要包括以下步骤：

1.(501)：所述数据服务器对测距数据wma、wmb、w'ma、w'mb进行处理，分别计算目标定位卡m到定位基站a的到达功率平均值目标定位卡m到定位基站b的到达功率平均值

2.(502)：所述数据服务器将步骤(501)计算得到的到达功率平均值wma,aver带入定位测距公式得到距离测量值dma,r，将(501)计算得到的到达功率平均值wmb,aver带入公式得到距离测量值dmb,r，式中dma,r、dmb,r表示基于rss测距方法的目标定位卡与定位基站之间的距离测量值，lg表示以10为底的对数；f表示定位信号的频率，单位为mhz，gt表示目标定位卡全向天线的增益、gr表示定位基站全向天线的增益，单位为db，所述dma,r和dmb,r单位为m；

3.(503)：所述数据服务器根据测距数据tma、tam、tmb、tbm、ta、tb、t'a、t'b，通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡m和定位基站a之间的传播时间tm,a；通过公式计算得到电磁波信号在目标定位卡m和定位基站b之间的传播时间tm,b；

4.(504)：所述数据服务器根据公式dta＝c·tm,a计算定位基站a到目标定位卡m之间的距离测量值dma,t；根据公式dtb＝c·tm,b计算定位基站b到目标定位卡m之间的距离测量值dmb,t；c为电磁波在矿井下的传播速度，单位为m/s，所述dma,t和dmb,t的单位为m。

如图6所示，本实用新型的鉴别干扰测量值的过程包括以下步骤：

1.r-距离测量值(601)：数据服务器计算得到的距离测量值包括基于rss测距方法获得的r-距离测量值；

2.(602)：根据所述r-测距区间，判断所述目标定位卡m与定位基站a之间的距离测量值dma,r，当dmin≤dma,r≤dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dma,r；当dma，r＞dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域外，则

3.(603)：根据所述r-测距区间，判断所述目标定位卡m与定位基站b之间的距离测量值dmb,r，当dmin≤dmb,r≤dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dmb,r；当dmb，r＞dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域外，则

4.t-距离测量值(604)：数据服务器计算得到的距离测量值包括基于toa测距方法获得的t-距离测量值；

5.(605)：根据所述最大测距区间，判断所述目标定位卡m与定位基站a之间的距离测量值dma,t，当dmin≤dma,t≤dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dma,t；当dma，t＞dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域外，则

6.(606)：根据所述t-测距区间，判断所述目标定位卡m与定位基站b之间的距离测量值dmb,t，当dmin≤dmb,t≤dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域内，则保存距离测量值dmb,t；当dmb，t＞dmax,a,b时，即所述目标定位卡m在定位基站a与定位基站b之间的定位服务区域外，则