CN103354911A - 作业区域监视器 - Google Patents

Abstract

作业区域监视器，包括安装在机动车辆上的雷达模块。如果从干涉测量地处理的雷达图像获得的运动数据中检测到的运动超出阈值，则作业区域监视器通过产生警报而对作业区域中的边坡失稳提供早期警告。

Description

作业区域监视器

技术领域

本发明涉及一种作业区域监视器，其采用雷达检测斜坡运动，并在检测到危险运动时发出警报。本发明尤其适用于露天采矿场所和土木挖掘场所，且可能适用于地下矿井。

背景技术

使用雷达生成干涉测量图以辨识斜坡中的运动是已知的。美国6850183号专利描述了斜坡监视系统，其包括记录选择的斜坡的雷达图像的雷达模块，和记录该斜坡视频图像的视频模块。数据处理器进行坐标配准，以对齐雷达图像和视频图像。通过干涉测量检测斜坡运动。该发明实施为由GroundProbe Pty Ltd生产的称为SSR的产品。

SSR产品已被非常成功地用于监视露天矿中大斜坡的稳定性。SSR已在几百个大边坡失稳之前检测并提供警报，并被公认为必要的采矿安全工具。然而，SSR并非对于所有情形都是理想的。

采矿工人暴露于大量的包括他们直接作业区域中突然或意外的地面运动在内的主要危险中。采矿工人没有知识或工具配备，以了解他们计划作业的墙壁是否是且保持安全。SSR由矿山岩土工程师用于评估整体斜坡在一长段时间内（通常为几天或几周）的稳定性，并严格监视活跃运动和可能变得不安全的斜坡。SSR的复杂性只允许矿山岩土工程师从远程评估多个采矿作业区域上的运动类型和运动速率，并具有对中心方位的警报能力。然而，矿中存在个别没有被SSR充分叠加或警报的作业区域。需要的是一种简单的近程、快速扫描工具，其能够由作业人员直接操作，并在作业区域内发生运动时以充分的警告提供本地警报。

发明内容

本发明的目的是提供一种作业区域监视器（称为WAM）。

本发明的另一个目的是克服或至少减轻一个或多个上述局限性。

其他目的将从下面的说明中变得显而易见。

技术方案

在一种形式中，尽管不是唯一的或事实上最广泛的形式，本发明涉及一种作业区域监视器，包括：

雷达模块，其扫描选择的视野并采集雷达图像；

显示器，其显示视野的图像；

处理器，其干涉测量地处理雷达图像，以提取运动数据并分析该运动数据；

警报器，如果该运动数据超出阈值，其提供能听见、能看见或能触觉感知到的警报；和

安装雷达模块和处理器的机动车辆。

所述视野的图像可以在显示器上叠加有运动数据。合适地，只有当运动数据超出阈值时才这样，尽管如果需要也可以显示小于阈值的运动数据。

作业区域监视器还可以包括摄像机。所述摄像机是能够记录连续静态图像或视频图像的数码摄像机。所述摄像机优选与雷达模块分开地安装在所述车辆上。雷达视野和摄像机视野的对齐优先在制造过程中建立。摄像机优选在每次雷达扫描时拍摄一幅新图像，从而在检测时视觉捕获通过雷达测量的斜坡任何运动和运动方位。摄像机可以具有弱光性能，以在夜间有效作业。

所述雷达模块最好安装在具有水平2°X垂直2°的扫描增量的扫描万向节上。该扫描增量比SSR更大，但是作业区域监视器位于更靠近墙壁处，且60米范围处的2.0m x 2.0m的扫描增量足以检测作业区域中的岩石掉落、子阶地和多阶地故障。扫描区域可以是矩形的，并可由操作者选择以着眼于当前作业区域。当前作业区域的通常扫描时间是一分钟或更少，这比SSR短的多，并可以就快速边坡失稳向作业人员提供更早的警报。用于当前作业区域的通常扫描持续时间是一个轮班，或者达12小时，这比SSR许多天或周的扫描持续时间短得多。

处理器基于像素乘像素比较连续的雷达图像，以识别指示大于选定的阈值的斜坡运动的像素。合适地，阈值选择为在作业区域监视器的误差累积之上。对于本发明的一种实施形式，选择了5mm的合适阈值。在其他实施例中阈值可以不同，但是通常发明人设想阈值将为5mm或更小。因为作业区域监视器的扫描速率更快且警报只对定位于作业区域，故其可适应比SSR上更高的误差累积。雷达模块和处理器的作用距离是大约30m到大约200m。该范围比SSR的通常范围要短，SSR通常的作用距离可以是1000m或更长。

显示器可以显示从雷达图像产生的视野的合成图像。合成图像可以通过所述处理器，或者具体到应用的另一个处理器产生。合适的合成图像是数字地形图。可选地，显示器显示摄像机记录的图像。

警报优选为在作业区域监视器平台上能听见和能看见的警报，并且还可以包括远离作业区域监视器但与本地作业区域通信的人员警报器。人员警报器合适地从处理器接收警报，并产生本地警报。人员警报器可被工人携带，适合于产生能触觉感知到和能听到的警报。

车辆通常为具有车厢和后托架的多用途汽车。所述车辆为部署作业区域监视器提供机动平台，且引擎可以提供动力源。车厢合适地可以气候控制，其中处理器、其他电子设备和显示器可以安装在车厢中。

车辆可以通过采用支架或千斤顶而机械地稳定。

作业区域监视器还可以包括安装在车辆上的运动检测器，其检测可能被曲解为斜坡运动的任何车辆运动。在处理器发出警报之前，核对运动检测器，以确保车辆在可能已经引起警报的时候没有运动。

作业区域监视器还可以包括异常检测模块，其检测视野中可能引起错误警报的任何前部活动。

合适地，作业区域监视器还包括用于设置和操作的触摸屏界面。采用触摸屏界面，用户可以选择作业区域监视器的视野，且可以选择焦点模式，以选择性地监视视野的子集。

本发明的其它特征和优点将从下面详细的说明中变得显而易见。

附图说明

为了帮助理解本发明，并使得本领域技术人员能够实施本发明，参考附图所示的实施例说明本发明的优选实施方式，其中：

图1表示作业区域监视器图；

图2表示作业区域监视器触摸屏界面；

图3表示初始设置屏幕；

图4表示具有工作选择区域的图3的屏幕；

图5表示选择的雷达扫描和像素如何叠加在斜坡的摄像机视野中；

图6是表示从干涉测量位移中获得的作业区域监视器输出的图；

图7表示在选择的雷达扫描区域中已经警报的像素；

图8表示车辆稳定器的一种形式；

图9表示无运动时观察斜坡的用户屏幕；

图10表示图9的屏幕，但是现在具有初始运动；

图11表示图9的屏幕，具有更多的斜坡运动；

图12表示由所示斜坡运动触发的警报；

图13表示警报设置和调节屏幕；

图14表示区域屏蔽屏幕；

图15表示播放屏幕；

图16表示示例的数字地形图；和

图17表示车辆稳定器的另一种形式。

具体实施方式

本发明的实施方式主要在于作业区域监视器，其提供在作业区域附近的斜坡的视觉图像，叠加以从干涉测量分析雷达数据获得的运动地图。为方便移动且有舒适的用户设置和可靠的电源，作业区域监视器被安装在机动车辆上。作业区域监视器在附图中以简明示意形式示出，只示出那些对于理解本发明的实施方式必不可少的具体细节，以便没有本领域技术人员得益于本说明书容易地理解的、过多的细节使本公开变得混淆。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右等的形容词可能只用于将一个元件或动作与另一个元件或动作区分，而不必要求或暗指任何实际的这样的关系或次序。词语，例如“包括”或“包含”旨在定义非排他包括，从而使得包括一列元素的过程、方法、物品或装置不只包括那些元素，而是可以包括没有明确列出的其他元素，包括这样的过程、方法、物品或装置所固有的元素。

参见图1，其中示出了作业区域监视器10的第一实施方式。作业区域监视器10包括雷达模块11和（可选地）摄像机12，该摄像机安装在多用途机动车13的托架上或是另外地与雷达模块11相关联。处理器（不可见）与显示屏幕23一起位于车厢14中。

雷达模块11是扫描抛物面天线设备，其包括安装在扫描万向节21上的抛物面天线20，其具有-10到+40度的垂直扫描和-55到+55度的水平扫描。万向节容纳有具有偏馈的600mm的抛物面天线反射镜。天线在X带内发射和接收射频信号，具有T/R选通以从墙壁反射中分离直接路径，并具有足够的距离分辨率，以从墙壁反射中分离出前方异常物（例如采矿车辆）。提供给抛物面天线的平均发射器RF功率是30mW，峰值为60mW。稳相电缆将该抛物面天线连接到雷达模块11上。用于扫描万向节的控制装置包含在车厢14中。计算机接口将处理器连接到雷达模块11、摄像机12和显示屏幕23上。

摄像机12具有镜头，其可选地最好用于在垂直面广阔的未失真的视野中。摄像机的视野为120度乘104度。来自摄像机的图像显示在位于车厢14中的屏幕23上（如图2所示）。

实际上车辆并不是总能倒退到位置，以使得摄像机和雷达指向车辆后面的监视墙。因此，在一个可选的实施方式中，摄像机构建用于可在以车辆后部为中心的180度的视野内旋转。雷达视野的中心与摄像机视野的中心对齐，从而使得在屏幕23上看到的图像表示将由雷达监视到的图像。

在没有摄像机的情形下，雷达图像用于产生视野的合成图像。合成图像能够显示视野中的突出的特征，用户能够用其指引作业区域监视器。合成图像可以是数字地形图，其是包括通过雷达测量到的每个像素的方位、海拔和范围的3D图像。数字地形图的例子在图16的下部分中示出。由合成图像形成的相应的视觉图像在图16的上部分示出。

多功能机动车辆13可以是具有柴油或汽油内燃机的传统车辆。在作业区域监视器的运行过程中，引擎可以保持运行，从而为作业区域监视器提供动力。在优选实施方式中，作业区域监视器通过电池运行，所述电池通过多功能机动车辆13的引擎涓流充电。当引擎运行时，从在车辆后面的托架上运行的能力而言，作业区域监视器明显不同于其它斜坡稳定雷达。还方便的是，如传统所知为电池容积充电提供了主电源接口。

作业区域监视器10是相对近程设备，其提供在大约30米到大约200米范围的斜坡的运动监视。在运行中，多用途机动车辆13设置为使得雷达11和摄像机12指向需要监视的斜坡或墙壁的部分。摄像机12看到的斜坡图像显示在屏幕23上。在制造过程中，雷达抛物面天线20与摄像机12的视野对齐，从而已知地在可接受的精度之内，雷达视野的中心与摄像机视野的中心相对应。

作业区域监视器10通过将车辆13行驶到一个方位而设置，从该方位可以看到需要监视的区域。车辆13设置为使得雷达和（可选地）摄像机指向监视的区域。系统采用车厢14中的单个开关打开。在短暂停顿之后，显示初始屏幕，例如如图3所示。

操作者选择需要监视的墙壁区域。在优选实施方式中，屏幕23是触摸屏，操作者通过拖动在触摸屏上的区域而选择区域。像素栅格叠加在场景上，以显示需要监视的区域。如图4所示该区域通过移动其角落而调节。用户在作业区域选择屏幕上点击OK，以开始监视。

如图5所示并在下文更详细地描述，像素的栅格还用于显示哪些像素已经运动以发出警报。

万向节安装结构21扫描雷达抛物面天线20，以一定速率收集反射的雷达信号，在大约20秒和2分钟之内的扫描时间中建立场景干涉图，优选为一分钟或更少的扫描速率，以提供充足的警报。干涉图以与美国专利6850183号所述相同的方式构建。产生的干涉图具有变形精度，以允许系统误差累积以上的运动容易地得以检测。图6表示在墙壁故障处理干涉图中，单个像素的位移对应于时间输出。阈值选择在系统的误差累积之上。

在一个实施方式中，作业区域监视器的输出为基于墙壁运动是否已经检测到（‘I’）或没有检测到（‘O’）的二进制警报。作业区域监视器在数分钟和小时的短时间范围上运行，并在本地作业区域中存在运动时警报，而不是如SSR那样提供斜坡数天至数星期的位移测量。作业区域监视器是短期的监视器，其能够提供更高的误差累积，使得容易使用。

从采用SSR的许多边坡失稳测量中发现，几到许多毫米的初始运动显然总是作为更大运动的先兆出现。这样，作为安全设备，作业区域监视器作为短期、进程安全设备非常有用，以检测几毫米或更大的运动并向在当前区域中的工人提供警报。这称赞了美国专利6850183号中所述的SSR的运行，其在大得多的墙壁区域上提供了更长的时期、高精度的位移测量。

通过为检测到的运动设置阈值而产生警报。若检测到的运动比设定阈值大，则雷达处理导致作业区域监视器产生听觉和视觉警报，该警报警告工人他们需要撤离该区域。此外，运动的区域将采用色码在屏幕23上高亮显示。图7表示屏幕23的输出，其中具有红色叠加的墙壁区域已经移动。另一个优先选择是闪烁表示在阈值之上的运动的像素。

作业区域监视器基于如下参数触发警报：

阈值：被认为危险的作业区域的单位为‘mm’的运动；

警报单元：在认为运动危险之前确定已经运动的区域的最小尺寸；

观察：需要测量的运动的观察数；

方向：被监视的作业区域的运动方向。

如果作业区域含有植被或机器，则可能产生错误警报。可能产生错误警报的区域可以被屏蔽。如在下文更详细描述，选择‘编辑屏蔽’模式，在问题区域上画出绿色屏蔽。

在另一个实施方式中，如在我们之前公开的题为《确定警报条件的方法和系统》的国际申请WO2007012112号中所述，无量纲警报得以计算。

在许多作业场所，可能不能立即注意到听得见和看得见的警报。因此，在一个实施方式中，作业区域监视器包括每个工人携带的人员警报器。作业区域监视器产生短程无线电信号（或其他合适的通信载波），其触发人员警报器，以提供能触觉感知和听得见的警报，其通常为振动和嗡嗡响，以警告携带者离开该区域。

还可以向提供有显示设备，其显示监视的墙壁的图像，指示运动区域。现代通信设备，例如智能手机，与相对大的屏幕紧密在一起。它们还结合了调制解调器，用于近程和远程的无线通信。

如果警报已响或如果有悬挂在墙壁上的可疑岩石，作业区域监视器可以以聚光灯模式运行。在聚光灯模式下，用户能够从图5所示的显示中选择单个像素。然后雷达停止扫描并以更快的测量时间聚光灯在选择的像素上，通常为每秒数次。这使得监视的斜坡的可疑区域被密切地监视。

在采矿环境中可能的是，可能发生干扰而产生错误的运动警报。通常这些干扰分为两类：在雷达视野内的非斜坡运动；作业区域监视器的运动。第一类干扰可被检测，并通过检测差动范围变化或通过比较雷达短期和长期的一致性而忽视。在雷达视野内的运动，例如在图5和7的前面中的钻机柱30的顶端，将从斜坡上具有高差动范围，或者与长期一致性相比，将具有低的短期一致性，而斜坡的运动则将同时具有高的短期和高的长期一致性。

第二类干扰可以通过在车辆的前面和/或后面采用车辆稳定装置而消除，例如用于稳定大型娱乐车辆的那些。图8中示出后稳定设备的一个例子，图17中示出另一个例子。图8所示的稳定设备包括一对支架，例如80，它们被降下以承担车辆的一部分重量。车辆的前面用了类似的设备。本发明人发现，若支架承受10%到20%的车辆重量，则稳定器最有效地作用。

图17所示的例子包括在雷达模块171下面的千斤顶（不可见）。千斤顶将雷达模块171从车辆170的托架顶起。支架172延伸并夹持在位，从而使得雷达模块由地面而非车辆170支撑。

可选地（或同样地），作业区域监视器可以采用运动检测设备，例如斜度计或加速度计或其他运动检测设备。作业区域监视器的任何运动，例如由于人员进入车辆或大风阵风，都将通过运动检测设备检测到，而斜坡显而易见的相应的运动将被忽略。

如图9所示，若未检测到任何运动，屏幕23将显示作业区域。在一个实施方式中，如果作业区域监视器10检测到在选择的作业区域内的运动，则已经运动的像素被高亮，例如如图10所示通过使像素边界为黄色。像素边界还可闪烁以高亮该运动。如果运动继续或扩展，高亮的方式可以相应地调整。图11表示具有更大或延长的运动的一些中心像素，并因此以红色高亮显示。与大运动相邻的阈值之上的像素可以以橙色或红色显示，而小的运动以黄色显示。用于显示运动的其他主题也是合适的。

例如图12显示，若运动超出阈值则警报触发。警报可以被，例如由于运动像素的数量、运动的量或运动的持续时间触发。在图12中，警报指示在观察之间，2个单元运动超出4mm。

将注意的是，通过点击图12所示的合适的按钮选择任一选项，可以重置或改变警报条件。选择任一选项将用户带入图13所示的警告屏幕。在警告屏幕上，用户可以调整不同的警报条件，例如运动阈值（毫米表示）、触发警报所需的运动单元的数量、表示触发警报的运动所需的‘观察’的数量和运动方向。警报屏幕还可以在当前位置显示警报历史，以辅助用户确定警报是否重大或可能是假警报。还可以设置警报等级。例如，图13表示配置，其中黄色警报通报给当地工队，而红色警报通报给监督人员以及当地工队。

用户还可以选择从警报屏幕增加屏蔽。例如如果运动显然是由于非斜坡的假象，例如之前指出的钻机柱，这可能是需要的。点击“编辑屏蔽”按钮将用户带入如图14所示的“编辑警报屏蔽”屏幕。从该屏幕，用户可以采用如抓屏顶部所示的普通工具屏蔽出某些区域。一旦选择，通过选择“OK”退出屏幕。

作业区域监视器10可以具有本地记录限量的区域监视历史的设备。可以暂停WAM（作业区域监视器）操作，以允许用户回放监视数据，以辅助决定监测到的运动是否呈现安全风险。暂停和回放屏幕在图5中示出。，用户可以从该屏幕回放最近记录的斜坡运动。用户还可以访问警报屏幕，以对所述警报做出改变。

作业区域监视器以类似于前述美国专利所述的SSR的方式运行，但是也在许多显著方面存在差异。违反直觉地，其在机动车辆平台上运行，该平台可以快速和容易地从一个地方运动到另一个地方，用于近程监视。想要的是，与SSR相比，提供具有更小精度的短得多的时间范围，但快得多的扫描速率的监视。其提供了简单的本地区域警报，以警告工人在他们附近的斜坡运动，不同于SSR系统已知的更广的基坑监测和长期的变形测定。其建立和运行尤其简单。

尽管通过参考在露天或矿井采矿情形下的应用而进行了描述，作业区域监视器并不限于任何具体的应用。该作业区域监视器对于地下采矿运行也是有用的。

本发明的上述不同实施方式用于向本领域技术人员提供说明。其并不旨在穷举或限制本发明到单个公开的实施方式。如上所述，在上述教导下，本发明的多个选择和变形对于本领域技术人员来说将是显而易见的。相应地，尽管一些可选的实施方式已经具体讨论，其他实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的，或相对容易地被研发。相应地，本发明旨在包括这里讨论过的本发明的所有替代、变形和变化，以及落入本发明上述精神和范围内的其他实施方式。

Claims (28)

1.一种作业区域监视器，包括：

雷达模块，其扫描选择的视野并采集雷达图像；

显示器，其显示视野的图像；

处理器，其干涉测量地处理雷达图像，以提取运动数据并分析该运动数据；

警报器，如果该运动数据超出阈值，该警报器提供能听见、能看见或能触觉感知的警报；和

机动车辆，其用于安装雷达模块和处理器。

2.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述图像叠加有运动数据。

3.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，如果运动数据超出阈值，则所述图像叠加有运动数据。

5.根据权利要求1所述的作业区域监视器，还包括摄像机。

6.根据权利要求5所述的作业区域监视器，其中，所述摄像机是能够记录连续静态图像或视频图像的数码摄像机。

7.根据权利要求5所述的作业区域监视器，其中所述摄像机与雷达模块分开地安装在所述车辆上。

8.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述雷达模块安装在扫描万向节上。

9.根据权利要求9所述的作业区域监视器，其中，所述扫描万向节具有2°x2°像素的扫描增量。

10.根据权利要求1所述的作业区域监视器，具有大约30m到大约200m的作用距离。

11.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述显示器显示从雷达图像生成的视野的合成图像。

12.根据权利要求11所述的作业区域监视器，其中，所述合成图像是数字地形图。

13.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述显示器显示通过与雷达模块关联的摄像机记录的图像。

14.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述警报器是在作业区域监视器上的能听见和能看见的警报器。

15.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中所述警报器是人员警报器，其虽远离作业区域监视器但与本地作业区域通信。

16.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中所述警报器是人员警报器，其产生能触觉感知到和能听见的警报。

17.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中，所述阈值选择为在作业区域监视器的误差累积之上。

18.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中所述阈值为5mm或更小。

19.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中所述车辆是具有车厢和后托架的多用途汽车。

20.根据权利要求1所述的作业区域监视器，其中所述车辆为部署作业区域监视器提供机动平台，并且引擎提供动力源。

21.根据权利要求1所述的作业区域监视器，还包括稳定器。

22.根据权利要求21所述的作业区域监视器，其中，所述稳定器是地面接合支架。

23.根据权利要求21所述的作业区域监视器，其中所述稳定器还包括千斤顶，其将雷达模块从机动车辆顶起。

24.根据权利要求21所述的作业区域监视器，其中所述稳定器包括安装在车辆上的运动检测器，其检测任何可能被曲解为斜坡运动的车辆运动。

25.根据权利要求1所述的作业区域监视器，还包括异常检测模块，其检测视野中可能引起错误警报的任何前方活动。

26.一种扫描作业区域边坡失稳的方法，包括步骤：

将机动车辆与要监测失稳的斜坡较近地定位在作用区域中；

将安装在机动车辆上的雷达模块的视野对准斜坡；

在视野内选择需要监视的斜坡区域；

采集并干涉测量地处理雷达图像，以产生运动数据；和

处理运动数据,如果运动数据超出阈值，则产生警报。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括步骤：通过摄像机记录视野的图像，并显示被运动数据的表达所叠加的图像。

28.根据权利要求26所述的方法，还包括步骤：将视野图像记录为雷达地形图，并显示被运动数据的表达所叠加的图像。

29.根据权利要求26所述的方法，还包括步骤：在产生警报之前检测雷达模块的稳定性。

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