CN103016061A - 一种井下定位监测通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定位监测通信系统，系统包括：定位服务器、存储服务器、WEB服务器、调度台、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和井下移动通信装置；系统主干网络采用以太网；是集煤矿井下安全避险的监测监控、人员定位和通讯联络三大系统功能的综合性运用系统。所述定位监测系统能够及时、准确的将井下各个区域人员、设备和环境的动态情况反映到地面监测系统，使管理人员能够随时掌握人员、设备的分布状况和井下甲烷浓度等环境情况，利于更加合理的调度管理。当意外事故发生时，施救人员可依据所述定位监测系统所提供的数据、图形，迅速了解井下人员的位置情况和环境情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

Description

一种井下定位监测通信系统

技术领域

本发明涉及一种矿井监控系统。本发明具体涉及无线通信，无线定位、检测及计算机地理信息等技术领域。

背景技术

煤矿井下安全避险六大系统包括：监测监控、人员定位、通讯联络、紧急避险、压风自救、供水施救。其中人员井下人员定位是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对井下人员位置进行检测。

目前实际使用以射频识别技术(RFID)为主，RFID利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID具有以下问题：

1.定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，不能做到误差为几米的精确定位，假设在井下500米巷道两头各放一只RFID读卡器，他们仅在距两读卡器各30米距离内有检测能力，而无法获知中间440米内的人员位置信息；

2.受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，易出现漏读。

基于Zigbee无线传感器网络的定位系统，如TI公司的带硬件定位引擎的CC2431，此定位引擎基于RSSI技术，在井下实际使用中存在以下问题：

1.井下多为隧道组成的线状环境，不同于开阔空间的平面定位环境，无线通信路由器的安装位置受到空间限制；

2.无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大。

3.Zigbee通信芯片内部的硬件定位引擎适用于平面定位环境为准，定位精度受无线通信路由器分布空间位置和安装数量限制；

4.由于井下电气设备防爆要求较高，导致无线通信路由器的安装成本较高，所以数量受到限制，但Zigbee无线通信距离较短，没有足够数量的无线通信路由器无法满足井下长跨度的系统通信要求，所以在具体工程实施中存在成本及安装等困难；

发明内容

本发明目的在于提供一种井下定位监测通信系统，是集煤矿井下安全避险的监测监控、人员定位和通讯联络三大系统功能的综合性运用系统。所述定位监测系统能够及时、准确的将井下各个区域人员、设备和环境的动态情况反映到地面监测系统，使管理人员能够随时掌握人员、设备的分布状况和井下甲烷浓度等环境情况，利于更加合理的调度管理。当意外事故发生时，施救人员可依据所述定位监测系统所提供的数据、图形，迅速了解井下人员的位置情况和环境情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

所述定位监测通信系统包括：定位服务器、存储服务器、WEB服务器、调度台、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和井下移动通信装置；有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源、备用电池、无线接入设备、天线隔离器和定向天线；井下移动通信装置包括：井下调度通信装置、井下移动电话，便携式甲烷检测设备、以及其它通过无线通信的检测装置。在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的交换机和定位服务器；井下移动通信装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位服务器负责对所有井下移动通信装置进行定位运算；调度台负责对井下移动通信装置进行调度管理，包括：调度信息发布，短信管理，语音呼叫及报警管理等。监控终端可双屏显示，完成井下人员位置的监控管理和井下环境的监测管理功能。

所述定位服务系统具有以下特点：

1.无线通信基站的防爆箱内可安装多个无线接入设备，每个无线接入设备通过天线隔离器连接定向天线，天线隔离器起非本安电路和本安电路间的隔离作用。

2.在巷道的岔口放置无线通信基站，如岔口连接M个方向的巷道，则使用M个无线接入设备、天线隔离器和定向天线，如一个无线通信基站放不下M个无线接入设备和天线隔离器，则根据需要增加无线通信基站。

3.定向天线安装方向平行于各巷道，指向相邻无线通信基站，相邻无线通信基站间的定向天线的方向相对，成对安装。

4.相邻无线通信基站的最大间隔距离为方向相对的两定向天线的覆盖距离之和，基站间隔距离远，提高了基站使用效率，减少基站数量，降低了系统成本。

5.定位服务器通过串口连接无线交换机，通过与无线交换机串口通信，查询获得网络内移动通信装置所接入的无线接入设备信息、移动通信装置网卡号和移动通信装置与无线接入设备间的信号场强。

6.采用限幅滤波算法对采集到的移动通信装置与无线接入设备间的信号场强进行滤波运算，两次采样允许的最大偏差值为P，r_n为本次采集值，r_n-1为上次采集值，如r_n-r_n-1≤P则此次采集值有效，否则放弃本次值，用上次值代替，即r_n＝r_n-1，通过限幅滤波滤除偶然因素引起的波动干扰。

7.对采集到的移动通信装置与无线接入设备间的信号场强进行算术平均滤波，以进一步消除随机干扰，将r₁...r_nn个采集值进行求平均值运算

运算得到的移动通信装置与无线接入设备间的信号场强r。

8.根据信号场强r计算移动通信装置与无线接入设备间的距离d，场强与距离的公式为：

$d={10}^{\frac{A-r+X_{\mathrm{\δ}}}{10q}}$

式中A为信号传播1m远时接收信号的功率；

q为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；

r为移动通信装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值；

X_δ为零均值的高斯分布正态随机变量。

9.将井下移动通信装置到当前无线接入设备的距离，代入移动通信装置相邻两无线接入设备所在的巷道的曲线方程，即可得到移动通信装置的当前坐标。

附图说明

图1定位监测通信系统实施示意图

图2无线通信基站构成框图

图3巷道内定向天线安装分布图

图4巷道岔口定向天线分布图

图5定位服务器工作流程图

图6位置运算示意图。

具体实施方式

在图1所示实施例中，井下定位监测通信系统包括：定位服务器(3)，存储服务器(4)，WEB服务器(5)，监控终端(1)，调度台(7)，有线通信子系统，无线通信基站(8)和移动通信装置(6)。有线通信子系统是整个系统的骨干网络，有线通信子系统以光纤为主要传输介质。有线通信子系统包括分光器，无线交换机(2)等网络管理设备。在井下间隔一定距离安装无线通信基站(8)，通过光纤连接井上的定位服务器(3)。无线通信基站(8)主要功能是WI-FI无线接入。定位服务器(3)负责系统通信管理、数据存储和为监控终端提供人员及设备的信息服务。存储服务器负责所有与定位与相关的数据的存储与查询服务，存储下井人员的位置信息，为监控终端和WEB服务器提供位置和环境监测服务所需的信息，包括地理信息数据，为WEB服务器提供终端用户显示地图界面所需的地图信息。WEB服务器为远程用户以网页式提供井下人员位置监控和甲烷浓度和温度监测。生产调度人员通过调度台对井下人员实施调度，调度台采用具有触屏功能的计算机，具有调度信息发布、短信管理、语音呼叫及警报管理等功能。监控终端采用双屏工作站，同时显示井下人员位置监控管理界面和井下环境监测管理界面；井下人员位置监控管理界面具有地图显示，工作人员位置显示查询、工作人员资料显示查询、工作人员位置统计、历史位置追踪查询等功能；井下环境监测管理界面具有井下甲烷浓度显示，井下温度显示，以及与调度台联动实现调度台的部分通信功能，如：信息发布，警报发布等。

如图2所示，无线通信基站包括防爆箱(14)、电源(10)，备用电池(13)、无线接入设备(11)、天线隔离器(12)和定向天线(15)。无线接入设备(11)在标准WI-FI网络中称为AP(Access Point)，负责移动设备接入有线以太网，通过无线通信基站将WI-FI无线局域网覆盖各巷道。每个AP分配有服务集标识符SSID和不同的物理地址，定位系统根据AP的物理地址区别不同的无线通信基站，无线通信基站支持移动通信装置的跨区域漫游，同时无线通信基站在定位运算时被作为定位参考点，无线通信基站的位置信息和标识信息存贮在定位服务器中，为定位运算提供依据。井下移动通信装置作为标准WI-FI终端设备接入WI-FI无线局域网与井上定位服务器通信。

如图3所示，无线通信基站位于巷道中部，无线通信基站B(302)分别与无线通信基站A(301)和无线通信基站C(303)相邻，相对位置上无线通信基站A(301)靠近矿井入口，无线通信基站C(303)靠近工作面，无线通信基站B(302)的防爆箱内安装两个无线接入设备和两个天线隔离器，天线隔离器的另一端连接定向天线，定向天线(15)沿所在巷道分别指向无线通信基站A(301)和无线通信基站C(303)；设无线通信基站B(302)的定向天线的覆盖距离为L1，无线通信基站C(303)定向天线的覆盖距离为L2，为保障巷道内信号全覆盖，无线通信基站B(302)与无线通信基站C(303)的间隔距离L应小于等于L1与L2之和，即：L≤L1+L2。

如图4所示，当井下巷道出现岔口，需在岔口位置放置无线通信基站(8)，根据实际各方向的巷道数M，在无线通信基站的防爆箱(14)内放置M个无线接入设备(11)，如防爆箱空间不够则根据需要添加无线通信基站，无线接入设备所连接的定向天线(15)的指向各巷道方向。

如图5所示，对井下移动通信装置(6)的定位运算通过以下步骤实现，定位服务器通过与无线交换机串口通信，查询获得网络内所有设备列表(501)；定位服务器解析设备列表(502)得到各WI-FI移动通信装置所接入的无线接入设备(11)信息、移动通信装置(6)网卡号及移动通信装置与无线接入设备(11)间的信号场强，采用限幅滤波算法对信号场强数据进行滤波(503)，两次采样允许的最大偏差值为P，设r_n为本次采集值、r_n-1为上次采集值，如r_n-r_n-1≤P则此次采集值有效，否则放弃本次值，用上次值代替，即r_n＝r_n-1。判断采集场强次数是否到达n次(504)，如未到达继续查询采集数据(501)，如已达到n次，则对采集到的所有移动通信装置与无线接入设备间的信号场强进行算术平均滤波运算(505)，将r₁...r_nn个采集值进行求平均值运算

运算得到的移动通信装置与无线接入设备间的信号场强r，将带入r以下公式

$d={10}^{\frac{A-r+X_{\mathrm{\δ}}}{10p}}$

得到两者间的距离d(506)；将移动通信装置到当前无线无线接入设备6的距离d代入两无线通信基站所在的隧道在地图上的曲线方程，即可得到移动通信装置在地图上的当前位置坐标(507)，如图6所示，设两无线通信基站所在的隧道为一直线端点分别为(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，将距离d与两点式直线方程解方程即得到移动通信装置坐标(x，y)

$(x,y)=\left\{\begin{array}{c}\frac{y-y_1}{y_2-y_1}=\frac{x-x_1}{x_2-x_1}\\ d=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ x_2\≤x\≤x_1\end{array}\right.$

位置运算由定位服务器结合地图数据完成。，系统将位置坐标存储到存储服务器(507)，系统开始计时(508)，到下一次定位时间到了，则开始下一次的查询采集(501)，准备下一次定位。

Claims (10)

1.一种井下定位监测通信系统，包括：定位服务器、存储服务器、WEB服务器、调度台、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和井下移动通信装置；有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器和定向天线；井下移动通信装置包括：井下调度通信装置、井下移动电话，便携式甲烷检测设备、以及通过无线通信的检测装置；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；井下移动通信装置与无线通信基站通过无线方式通信；无线通信基站的防爆箱内安装两或多个无线接入设备；每个无线接入设备通过天线隔离器连接防爆箱外的定向天线；无线通信基站的定向天线指向相邻无线通信基站，与相邻无线通信基站的定向天线方向相对；定位服务器通过串口连接无线交换机，通过与无线交换机串口通信，查询获得通过各无线接入设备接入的所有井下移动通信装置的场强，将经过软件滤波处理后的场强值代入公式运算得到所有井下移动通信装置位置。

2.根据权利要求1所述的定位监测通信系统，其特征在于：所述无线通信基站内安装两或多个无线接入设备，每个无线接入设备通过天线隔离器连接定向天线。

3.根据权利要求2所述的定位监测通信系统，其特征在于：在巷道的岔口放置无线通信基站，岔口连接M个方向的巷道，使用M个无线接入设备、天线隔离器和定向天线。

4.根据权利要求2所述的定位监测通信系统，其特征在于：定向天线安装方向平行于各巷道，指向相邻无线通信基站，相邻无线通信基站间的定向天线的方向相对，成对安装。

5.根据权利要求1所述的的定位监测通信系统，其特征在于：相邻无线通信基站的最大间隔距离为方向相对的两定向天线的覆盖距离之和。

6.根据权利要求1所述的定位监测通信系统，其特征在于：定位服务器通过串口连接无线交换机，通过与无线交换机串口通信，查询获得网络内井下移动通信装置所接入的无线无线接入设备信息、井下移动通信装置网卡号及移动通信装置与无线接入设备间的信号场强。

7.根据权利要求6所述的定位监测通信系统，其特征在于：采用限幅滤波算法对采集到的移动通信装置与无线接入设备间的信号场强进行滤波运算，两次采样允许的最大偏差值为P，r_n为本次采集值，r_n-1为上次采集值，如r_n-r_n-1≤P则此次采集值有效，否则放弃本次值，用上次值代替，即r_n＝r_n-1。

8.根据权利要求7所述的定位监测通信系统，其特征在于：对采集到的井下移动通信装置与无线接入设备间的信号场强进行算术平均滤波，将r₁...r_nn个采集值进行求平均值运算

运算得到的井下移动通信装置与无线接入设备间的信号场强r。

9.根据权利要求6所述的定位监测通信系统，其特征在于：根据信号场强r计算井下移动通信装置与无线接入设备间的距离d，场强与距离的公式为：

$d={10}^{\frac{A-r+X_{\mathrm{\δ}}}{10q}}$

式中A为信号传播1m远时接收信号的功率；

q为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；

r为定位装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值；

X_δ为零均值的高斯分布正态随机变量。

10.根据权利要求1所述的定位监测通信系统，其特征在于：将井下移动通信装置到当前无线接入设备的距离，代入井下移动通信装置相邻两无线接入设备所在的隧道的曲线方程，即可得到井下移动通信装置的当前坐标。

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