CN100540849C

CN100540849C - 一种井下人员定位救援系统及井下人员定位方法

Info

Publication number: CN100540849C
Application number: CNB2006100518406A
Authority: CN
Inventors: 钟志光
Original assignee: Aiyinsi Science And Technology Co Ltd Ningbo City Science And Technology Gar
Current assignee: Aiyinsi Science And Technology Co Ltd Ningbo City Science And Technology Gar
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: CN1858406A

Abstract

本发明公开了一种井下人员定位救援系统及定位方法，特点是它包括由多个沿矿道布置的无线监测节点组构成的无线监测节点网络和矿工随身佩带的无线跟踪器，无线监测节点组由分别设置在矿道的两侧和顶部三个无线监测节点构成，优点是无需事先已知井下地理信息，利用井下无线网络自动构建矿工、无线监测节点自动三维定位系统，无需增加有线电缆，就能随时监测矿工的具体位置，并在矿难发生时，通过无线监测节点网络迅速准确地计算出受困矿工的位置，更好的保障了矿工的人身安全。

Description

一种井下人员定位救援系统及井下人员定位方法

技术领域

本发明涉及一种救援系统，尤其是涉及一种井下人员定位救援系统及井下人员定位方法。

背景技术

现有的井下人员定位系统主要是地面人员与井下人员通信系统。19世纪20年代，人们进行了井下接受长波的试验，从而认识到与井下受困矿工进行无线通信的潜力。然而，以当时的技术水平不可能设计出一个实际的无线通信系统。此后，在井下使用电磁波的进一步研究主要转向了地球物理探测。19世纪40年代，T.L.Wadley第一次进行了电磁波穿透岩层(Trough The Earth，缩写为TTE)的基础研究，并由此掀起了南非和美国研究井下电磁波传播的热潮。19世纪60年代，受困矿工定位系统被研发出来并在捷克斯洛伐克和波兰进行了测试。直到现在，一些公司还在研发并销售TTE系统。

TTE系统可能是与井下矿工通信的最理想方式，因为它能最大限度地不受塌方、起火和爆炸的影响。然而，这种系统中的大多数只限于地面到井下的单向通信，例如，加拿大生产的Flexalert系统可以由低频电磁场向井下单向发送信息，其地面无线发射器包括一根直径10到120米的环状天线；澳大利亚研发的PED通信系统也是单向的TTE发送系统，它能向井下矿工无线传输特定的文本信息而不依赖于电缆或井下布线，但井下矿工不能向地面发送信息，除非通过另外的泄漏电缆(Leaky Feeder)通信。美国的TeleMag是唯一能实现双向通信的TTE系统，它工作在4KHz频段，井下和地面环状天线直径都为60英尺。正在研发的TTE系统还有TramGuard等。

19世纪70年代和80年代后，人们对TTE系统的研究兴趣开始下降，其原因一是矿井安全记录的显著改善，另一是当时的泄漏电缆和计算机技术的快速发展。泄漏电缆是一种特殊设计的电缆，它能较强地接受和辐射电磁波，从而实现井下无线通信。这种电缆的缺点是对外部损伤非常敏感，既不能外包也不能掩埋，否则无法正常工作。一种与泄漏电缆类似的井下通信技术是所谓的中频(Medium Frequencies，300KHz～3MHz)。这种频率有独一无二的寄生传播(parasitic propagation)现象，从而可以模拟泄漏电缆的属性却不需要特殊设计的电缆，但其范围变化依赖于许多因素。Conspec公司是唯一利用中频特性开发井下通信系统的，而且其天线非常笨重。澳大利亚的CSIRO开发了一种用于紧急情况下监测井下矿工位置和健康状况的通信系统LAMPAS，该系统需要在整个井下布置一系列的无线信标(beacon)。无线网状网(Wireless Mesh Networks)被认为是未来最有前途的井下无线通信技术，它基于WiFi(注：WiFi是wireless fidelity的缩写，也是符合IEEE 802.11b，g协议的无线局域网的一个术语)和特殊的TCP/IP协议。这种多跳(multi-hop)类型的网络被设计成冗余且自动配置的，还有学习和自愈合(self-healing)能力。网络节点之间没有事先定义的路径，任何一个节点的失效或断开任何一条信号路径(由于电源消耗或起火、塌方等事件)对整个网络几乎没有影响(当然，如果所有可能的射频信号路径被断开或太多节点失效，网络通信也将停止)。网状网的应用能够大大提高煤矿井下无线通信的可靠性。

另一方面，澳大利亚设计的PED系统具有很强的岩层和土层穿透能力(达200米厚)，能实现地面到井下的直接通信，但其地面与井下环状天线尺寸都非常大(最小直径10m，最大达120m)，而且不能实现由井下到地面的直接通信。

综合上述的各种设备，其存在着以下共同的缺陷：1)天线尺寸过大，通信设备笨重；2)只能实现地面到井下的单向通信；3)需要特殊的通信电缆或大量的已知信标；4)要求已知井下地理信息；5)不能比较准确地确定矿工的具体位置；6)并未考虑救援人员自身的安全问题，没有将地面人员、救援人员和井下矿工通过无线网络有效联系起来。

目前，有一些井下通信系统混和使用了泄漏电缆、以太网(局域网)和WiFi技术。也有少数供应商推出了结合标准的蜂窝电话通信协议(如GSM)和WiFi的移动电话，但需要在矿井办公室的PC机上安装合适的软件，且在井下布置WiFi网络。

RFID(Radio Frequency Identification)是当前另一种流行的井下定位技术，如山东济宁高科公司研发的“KJ81井下人员定位系统”、北京凌天世纪自动化技术有限公司开发的“KJ155矿井人员定位考勤系统”等。现有的基于RFID识别技术的井下定位系统的共同特点是：需要在井下单独铺设有线通信电缆以便与地面通信，井下监测节点的位置事先已知，而且只能大致确定矿工与监测节点之间的相对位置。当前比较先进的井下定位系统，如山东济宁高科公司研发的“KJ81井下人员定位系统”，其工作原理一般是这样的：沿矿道布置一条有线通讯电缆，在该电缆上每隔一定距离连接一个有大功率RFID阅读器的监测节点。同时，为每个矿工配发一个RFID被动式应答器(一般设计在矿工帽里)。此后，当矿工在监测节点附近区域出现时，监测节点即可感知矿工的存在，并认为感知节点的位置(事先已人工量测)即为矿工的位置。

这些基于RFID的系统在实际应用中至少存在以下问题：1)监测数据在矿井正常作业时通过有线传输是完全可行的，但在矿难时由于塌方等原因很可能造成电缆断裂或烧毁，从而无法正常传输数据。2)监测节点在矿井正常作业时通过井下电源供电是可行的，但在矿难时井下电源很可能断电，从而导致监测节点无法正常工作。3)监测节点的覆盖范围一般为几十米甚至几百米，因而用监测节点的位置代替矿工所处的位置会造成很大的误差(一般超过20米)。该误差在矿井正常作业时也许无足轻重，但在矿难时却是致命的，因为救援人员难以在尽可能短的时间内找到受困矿工。4)要求监测节点的位置事先已知。这不外乎两条途径：一是精确的仪器测量，二是连接时进行大致的估计。前者耗时耗力，而后者会造成很大的误差。5)如果矿道每向前推进一个较小的距离(如50米)就增加布置有线电缆并连接相应的监测节点显然是很繁琐的，但是如果矿道向前推进较远距离后再增加有线电缆和监测节点又会造成矿工在某些位置时不能被感知到的现象。

此外，设计在矿工的矿工帽里的被动式RFID识别卡在实际应用中至少存在以下缺陷：1)矿难发生时，矿工帽很可能由于各种原因(如砸下的石头、矿工奔跑逃生等)脱离矿工，从而导致救援人员即使找到RFID识别卡，也找不到受困矿工，白费功夫。2)被动式RFID识别卡不能主动发射很强的无线信号。这样，如果矿难时伴随着塌方等现象，即使救援人员发出很强的搜救信号且RFID识别卡接受到该信号也无法穿透岩层或土层给出强的应答信号，致使救援人员无法确定被困矿工的具体位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，定位准确，使用可靠的井下人员定位救援系统及井下人员定位方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种井下人员定位救援系统，它包括由多个沿矿道布置的无线监测节点组构成的无线监测节点网络和矿工随身佩带的无线跟踪器，所述的无线监测节点组由分别设置在矿道的两侧和顶部的三个无线监测节点构成，所述的节点组中，在第一组无线监测节点组中各节点的三维坐标确定后，后一组节点组中各节点的三维坐标由前一组节点组中各节点的三维坐标通过信号衰减模型公式依次推出，无线跟踪器的三维坐标也由相近的一个或两个节点组中各节点的三维坐标通过信号衰减模型公式推出。

所述的无线跟踪器为腰带式无线跟踪器，所述的无线跟踪器包括跟踪器电路和第一天线，所述的跟踪器电路设置在腰带头上，所述的第一天线为设置在腰带中的单圈环状天线。

所述的跟踪器电路设置有两频点智能自动跳频电路。

所述的跟踪器电路包括一个型号为Atmega128的单片机，所述的两频点智能自动跳频电路包括型号为AD9858的集成电路芯片，所述的集成电路芯片一端与所述的单片机连接，所述的集成电路芯片另一端通过型号为rfHCS362的第一解码器和型号为LM385的第一放大器与所述的第一天线连接。

相邻的各个无线监测节点组的间隔距离可以为20米~30米，也可以根据需要来设置。

该井下人员定位救援系统还可以包括救援人员携带的无线救援器，所述的无线救援器可以设置有易燃易爆和有害气体检测器。

所述的无线监测节点具有信号发送自愈合功能。

所述的信号发送自愈合功能的具体方法为：下一组节点向上一组节点发送信号，当上一组节点正常接收到信号时，反馈正常接收的信号给下一组节点，此时下一组节点正常发送信号；当上一组节点发生故障，不能接收下一组节点的信号时，下一组节点未接收到正常接收的反馈信号，此时下一组节点加大发射功率，跳过上一组节点向再上一组节点发送信号，并向监控中心发送上一组节点失效的信号。

使用上述井下人员定位救援系统进行井下人员定位的方法，包括以下步骤：①首先在矿道的两侧和顶部设置由三个无线监测节点构成的第一组无线监测节点组，并确定该三个无线监测节点各自的三维位置；②随着矿道的向前推进，每隔一段距离按相同的方式设置下一组无线监测节点组，并依此类推；③测出第一无线监测节点组中各个节点接收到的下一个无线监测节点组中的每个节点发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式得到该节点的三维坐标，并依此类推得到各个无线监测节点组的三维位置；④通过相近的一个或两个无线监测节点组，测出所述的无线跟踪器发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式得到所述的无线跟踪器的三维坐标。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、无需事先已知井下地理信息(电子地图)、利用井下无线网络自动构建矿工、无线监测节点自动三维定位系统，打破了常规的井下人员定位技术，无需增加有线电缆，就能随时监测矿工的具体位置，并在矿难发生时，通过无线监测节点网络迅速准确地计算出受困矿工的位置，更好的保障了矿工的人身安全。上述定位技术的优点主要体现在：1)矿工、节点自动三维定位且精度很高，为矿难时救援人员迅速、准确地接近受困矿工提供了有力依据；2)井下矿道三维地图自动构建，从而不要求井下地理信息事先已知，免除了人工测量的麻烦，为矿井规划开采与人员跟踪、救援等提供了坚实基础；在矿山正常运营时可以帮助经营者制定开采计划、提高开采效率与效益，可以帮助管理者对井下矿工进行比较准确的三维定位和活动轨迹跟踪，而发生矿难时，有利于地面人员对救援人员以及救援人员之间进行定位跟踪、指挥，以提高救援效果，减少救援人员自身的损失；3)无线监测节点布置方便且对矿难有更强的适应能力。

2、利用无线传感器网络中的多跳原理设计了一种独特的路由机制，使得数据链路失效时能自动实现自愈合功能，避免了在井下特殊的环境中，由于各种原因引起的监测节点失效，数据传输链路随时中断的缺点；而在平时则可以节省节点的耗电。

3、腰带式无线跟踪器便于矿工佩带，而且即使发生矿难也很难脱离矿工；具有主动发射功能的无线跟踪器使矿工能主动把井内的情况反馈到外部，并利用该仪器的两频点智能跳频功能，在平常使用433MHz的信道，而在矿难发生时将频段转跳到2.95MHz，2.95MHz频段的无线信号较别的频段的无线信号具有更强的岩层和土层穿透能力，至少可以穿透20m至40m厚的岩层或土层与井下救援人员直接通信，这样可以帮助救援者尽快找到受困矿工，大大提高了救援效率；而设置在矿工腰带里的单圈环状天线比多圈天线有更强的噪声抵制能力。

4、由救援人员下井时携带的无线救援器，用于与地面人员通过无线监测节点网络进行通信，便于地面人员对救援人员进行跟踪指挥，保证救援人员自身的安全；它所装备的易燃易爆和有害气体检测器能自动检测矿难后矿井中有毒气体或易燃易爆气体的含量，以便采取相应的行动(原地不动、返回或继续前移等)；当救援人员接近受困矿工时，可以通过无线救援器确定受困矿工的具体位置，以便有针对性地及时营救。

无线监测节点、无线跟踪器、无线救援器都比较小巧，无需大尺寸天线，使用方便，操作简单，它们能相互无线联通，形成一个统一的整体，因此不需要特殊的通信电缆就可以实现地面与井下的双向数据传输。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明无线跟踪器的外形结构示意图；

图3为本发明无线跟踪器的电路原理图；

图4为本发明无线监测节点的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种井下人员定位救援系统，它包括由多个沿矿道布置的无线监测节点组1构成的无线监测节点网络和矿工随身佩带的无线跟踪器2，相邻的各个无线监测节点组的间隔距离为25米，无线监测节点组1由三个无线监测节点构成，第一组无线监测节点组的三个无线监测节点A、B、C分别设置在矿道入口处的矿道的两侧和顶部，无线跟踪器2为腰带式无线跟踪器，包括跟踪器电路21和第一天线22，跟踪器电路21设置在腰带头3上，第一天线22为设置在腰带4中的单圈环状天线，跟踪器电路21包括一个型号为Atmega128的第一单片机23和由型号为AD9858的集成电路芯片24构成两频点智能自动跳频电路，可以在433MHz和2.95MHz之间自动切换，集成电路芯片24一端与第一单片机23连接，另一端通过型号为rfHCS362的第一解码器25和型号为LM385的第一放大器26与第一天线22连接，第一天线22还通过由型号为DS90LV804的缓冲器31、型号为S3C4F10的解码器32、型号为LM385的第二放大器33和型号为SN74AHCT132DBR的施密特触发器34构成的信号接收电路与第一单片机23连接，第一单片机23上还连接设置有发光二极管35和蜂鸣器36，该系统还包括救援人员携带的无线救援器(未显示)它的电路结构与无线跟踪器2的电路结构相同，在无线救援器上设置有易燃易爆和有害气体检测器(未显示)。

无线监测节点由型号为Atmega128的第二单片机11和型号为CC1000的射频芯片12及第二天线13组成，它具有信号发送自愈合功能，具体方法为：下一组节点向上一组节点发送信号，当上一组节点正常接收到信号时，反馈正常接收的信号给下一组节点，此时下一组节点正常发送信号；当上一组节点发生故障，不能接收下一组节点的信号时，下一组节点未接收到正常接收的反馈信号，此时下一组节点加大发射功率，跳过上一组节点向再上一组节点发送信号，并向监控中心发送上一组节点失效的信号。

上述的井下人员定位救援系统的井下人员定位方法，它包括以下步骤：①首先在矿道入口处的两侧和顶部设置由三个无线监测节点A、B、C构成的第一组无线监测节点组，并确定该三个无线监测节点A、B、C各自的三维位置；②随着矿道的向前推进，每隔25米按相同的方式设置下一组无线监测节点组，并依此类推；③测出第一无线监测节点组中各个节点接收到的下一个无线监测节点组中的每个节点发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式

得到该节点的三维坐标，并依此类推得到各个无线监测节点组的三维位置；例如，设图1中的无线监测节点A、B、C的三维位置为(1，0，0)m、(0，1，0)m、(0，0，1)m，信号衰减模型公式为(其中，c为光速3×10⁸m/s、f是信号频率、d是发射节点与接受节点之间的距离)，并设节点D的的发射功率是1w，而节点A、B、C接受的功率(即强度信号)P_A、P_B、P_C都是0.25w，则可以得出节点D与节点A、B和C之间的距离d_A、d_B、d_C分别为0.11m，从而可以计算出节点D的三维坐标为(1.33，1.33.1.33)m；④通过相近的一个或两个无线监测节点组，只要测出无线跟踪器2发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式就可以得到无线跟踪器的三维坐标。

为了使该三维位置估计算法具有较强的鲁棒性(抗干扰能力)，在步骤③中可以分以下两种情形进行处理：如果P_A、P_B、P_C都大于某个设定的阈值(如0dBm)，那么节点A和B会将计算的P_A、P_B以及它们的三维位置发送给主节点C，由节点D的发送信号强度、节点A、B和C相应的信号接收强度以及矿道的信号衰减模型，主节点C可以计算出节点D与A、B、C之间的空间距离d_A、d_B、d_C，从而可以根据三角形原理精确计算出节点D的三维坐标，如果P_A、P_B、P_C中的一个或几个小于设定的阈值，则节点A、B、C认为自己接受到的是干扰信号，会要求节点D重发信息，直到P_A、P_B、P_C都大于设定的阈值，以保证节点D的位置估计精度。用类似的方法可以估计出下一节点组中的三个节点的三维位置，对后续节点，此时下一节点组的三维位置已知，因而可以根据上述算法自动确定其三维位置，依此类推，从而实现井下地理信息的自动构建和矿工(矿工相当于移动的无线监测节点)三维位置的精确估计，其定位误差小于1m。

如图1所示，假设节点A、B和C已布置好，其中，C为A和B的子节点，即下级节点，A和B为C的父节点，即上级节点，而且，它们的三维位置事先已知。布置好后续节点D后，根据上述井下地理信息自动构建算法无线监测节点网络可以自动估计出节点D的三维位置，此时节点C就将节点D加为自己的子节点(为适应节点容易失效的井下特殊环境，不对节点进行编号，而是根据由网络自动计算出的三维位置表示各个节点)。同时，一方面向节点A和B广播这一消息，使得节点A和B将D加为自己的孙子节点，另一方面向节点D发送消息，表明节点C是其父节点，而节点A和B都是其祖父节点，从而建立起节点A、B、C和D之间的数据链路。显然，根据这种方法可以类似地建立起节点A、B、C和另外的节点之间的数据链路，如此继续下去，即自动完成了整个无线监测节点网络的数据传输链路的建立过程。

为保证上述路由机制的高效、可靠性以及节省节点电源消耗(为防止矿难时节点断电，节点不采用井下电源，而是以高能电池供电)，正常情况下，节点的覆盖范围只有25m左右，因而监测数据只能由子节点传输到父节点，而不能传输到其祖父节点。另一方面，数据传输链路建立后，如果链路上某个节点由于某种原因失效则该数据链路就被断开，如节点D的监测数据本来通过其父节点C进行传输，由于某种原因节点C不能正常工作，造成数据传输链路中断，节点D的数据无法通过节点C传输。此时，节点D会根据预先设定的程序自动加大发射功率到信号覆盖范围为50m左右，使得其祖父节点A和B也能接受到它的信号。节点A和B接受到来自节点D的信号后，首先判断该信号的接收强度是否超过设定的阈值(如0dbm)，如果没有超过即认为是干扰信号，不予理睬，否则判断该信号的来源位置是否其孙子节点，如果不是则不予理睬，否则认为是有效信号，并自动将其子节点修改为节点D，同时向地面发送节点C失效的消息，并最终建立起新的数据传输链路，完成数据链路的自愈合。

上述实施例中的信号衰减模型公式也可以使用其它已知的公式来替代。

Claims

1、一种井下人员定位救援系统，其特征在于它包括由多个沿矿道布置的无线监测节点组构成的无线监测节点网络和矿工随身佩带的无线跟踪器，所述的无线监测节点组由分别设置在矿道的两侧和顶部三个无线监测节点构成，所述的节点组中，在第一组无线监测节点组中各节点的三维坐标确定后，后一组节点组中各节点的三维坐标由前一组节点组中各节点的三维坐标通过信号衰减模型公式依次推出，无线跟踪器的三维坐标也由相近的一个或两个节点组中各节点的三维坐标通过信号衰减模型公式推出。

2、如权利要求1所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于所述的无线跟踪器为腰带式无线跟踪器，所述的无线跟踪器包括跟踪器电路和第一天线，所述的跟踪器电路设置在腰带头上，所述的第一天线为设置在腰带中的单圈环状天线。

3、如权利要求2所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于所述的跟踪器电路设置有两频点智能自动跳频电路。

4、如权利要求3所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于所述的跟踪器电路包括一个型号为Atmega128的单片机，所述的两频点智能自动跳频电路包括型号为AD9858的集成电路芯片，所述的集成电路芯片一端与所述的单片机连接，所述的集成电路芯片另一端通过型号为rfHCS362的第一解码器和型号为LM385的第一放大器与所述的第一天线连接。

5、如权利要求1所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于相邻的各个无线监测节点组的间隔距离为20米~30米。

6、如权利要求1所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于它还包括救援人员携带的无线救援器，所述的无线救援器设置有易燃易爆和有害气体检测器。

7、如权利要求1所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于所述的无线监测节点具有信号发送自愈合功能。

8、如权利要求7所述的一种井下人员定位救援系统，其特征在于所述的信号发送自愈合功能的具体方法为：下一组节点向上一组节点发送信号，当上一组节点正常接收到信号时，反馈正常接收的信号给下一组节点，此时下一组节点正常发送信号；当上一组节点发生故障，不能接收下一组节点的信号时，下一组节点未接收到正常接收的反馈信号，此时下一组节点加大发射功率，跳过上一组节点向再上一组节点发送信号，并向监控中心发送上一组节点失效的信号。

9、使用权利要求1所述的井下人员定位救援系统进行井下人员定位的方法，其特征在于它包括以下步骤：①首先在矿道的两侧和顶部设置由三个无线监测节点构成的第一组无线监测节点组，并确定该三个无线监测节点各自的三维位置；②随着矿道的向前推进，每隔一段距离按相同的方式设置下一组无线监测节点组，并依此类推；③测出第一无线监测节点组中各个节点接收到的下一个无线监测节点组中的每个节点发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式得到该节点的三维坐标，并依此类推得到各个无线监测节点组的三维位置；④通过相近的一个或两个无线监测节点组，测出所述的无线跟踪器发射的信号强度，并利用信号衰减模型公式得到所述的无线跟踪器发射的三维坐标。