CN103634056A - 坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术，该技术包括：对被困人员的声音信号进行采样及处理→将声音信号转化为数字信号并进行低码率压缩→将压缩后的数字信号转化为有规律的振动信号并通过巷道中铺设的钢轨进行传播→将接收到的振动信号处理后转化为数字信号→将提取到的数字信号进行解码并还原为原始声音信号播出。本发明在坑道发生坍塌事故时，能快速实现救援人员与被困人员的通信联络。

Description

坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术

技术领域

本发明涉及一种应急通信技术，具体是一种利用钢轨传输的快速语音通信技术，应用于坑道灾害救援中被困人员与救援人员的通信。

背景技术：

坑道是开发矿产资源的基本建设工程，也是生产矿山进行采矿准备和生产探矿的主要工程。在施工过程中会出现因地质作用和人为工程活动而造成地质灾害，如突水突泥、岩爆、岩土体变形位移滑塌等，危及作业人员生命财产安全。

当坑道灾难发生后，原有井下通信设备基本无法使用，经常是完全瘫痪。正常生产时所使用的有线电缆的通讯方式，会因为电缆易受挤压而发生形变、断裂、短路、以及中继设备受到损坏而造成通信中断。而室外使用的无线电磁的通讯方式，由于电波穿透能力有限，发生灾难事故时，因巷道堵塞、设备损坏等因素而导致电波不能传播，很难真正实现救援人员与被困人员的通信。

目前坑道灾害救援通信方式主要关注的是基站和救援人员以及救援人员之间的通信联络，缺乏对救灾人员和被困人员之间的通信技术研究。现有的坑道灾害救援设备通信方式有无线和有线两种。

坑道有线救灾通信系统将通信电缆兼做探险绳，主要由矿山救护队配备，在使用时需临时敷设线路，甚至需一边挖掘一边前进，主要用于传输语音、图像、以及监测环境中的CH₄、CO、O₂浓度、救护队员的体温、心跳、姿态等，目前的井下有线救灾通信系统仅用于救护队员与井下救援基地和地面救援指挥中心的通信联络，无法在第一时间联络坍塌体后的被困人员。

坑道无线救灾通信系统多采用MESH技术，采用MESH技术可以根据正常工作的节点自组织网络，因此一般情况下能够实现应急通信的要求。但当节点被瓦斯爆炸等事故连片摧毁时也不能保障被困人员通信，而且由于井下环境复杂，当事故发生时，可能因巷道堵塞等导致电波不能传播而不能快速的实现实时通信，从而不能准确定位合理施救的方案。

综上可知，原有救援通信技术存在局限与不足，而采用钢轨快速应急通信方法能够在救援人员到达灾害现场后第一时间与被困人员建立起通信链路，实现救援人员与被困人员的及时交流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术，该技术通过坑道内铺设的钢轨能快速实现救援人员与被困人员的通信联络。

为实现上述目的，本发明提供的坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术包括如下骤：

（1）在信号的采集端，对被困人员的声音信号进行采样，将采集到的模拟声音信号进行包括滤波、去噪、放大的处理；

（2）将处理后的模拟声音信号转化为数字信号，并将数字信号进行低码率的压缩；

（3）将压缩后的信号通过振动发生装置转化为有规律的振动信号，通过巷道中铺设的钢轨进行传播；

（4）在信号的接收端，采用高灵敏度的振动传感器接收振动信号，对接收到的微弱振动信号进行包括滤波、去噪、放大的处理后，将模拟信号转化为数字信号；

（5）对数字信号进行傅里叶变换，提取其中所包含的信息，将提取到的数字信号进行解码，使其还原为原始采样后的二进制数字信号，最后将数字信号转化为声音模拟信号播出。

本发明由于采用钢轨进行信号的传输，对传输时的码率要求越低越好，同时由于救援通信的特点，不需要还原后的声音信号保留高保真度和高清晰度，仅需要实现简单通信即可，因此可采用参数编码对语音信号进行压缩处理，通过声码器可实现对语音信号进行低码率的频带压缩。将语音信号进行压缩后，可减少语音信号在传输时所需的码率，降低传输信号所需的频带宽度，增加传输线路使用的效率。将压缩后的语音信号通过振动发生装置以不同的频率传播，可以提高信号的传输速率。

本发明中振动信号在钢轨中以固体声的方式进行传播，由于钢轨在作业坑道中相互连通，因此振动信号沿钢轨传播是可行的，同时由于振动信号沿钢轨传播时衰减很小，因此可以实现信号的远距离传播。

下面以一个具体的实验来说明振动信号在钢轨中的传播过程：实验场地如图1所示，实验人员用榔头轻轻敲击铁路的某点，在铁路的其它多个点接收振动信号，对传输的微弱振动信号进行检测，测得接收到的振动信号的波形，对波形进行检测分析发现振动声波在钢轨横截面上形成特定形式的驻波或简正波，钢轨的截止频率为50KHz左右，榔头敲击钢轨的频率小于300Hz（振动发生装置敲击钢轨的频率可达300Hz左右），远小于钢轨截止频率，因而钢轨中的高次波沿钢轨方向逐步衰减，最后只传播均匀平面波，对接收到的信号进行放大，滤波去噪之后可以使信号得到有效还原。通过实验还发现，轨道缝隙和岔道对振动声波具有一定的衰减作用，在不存在岔道的情况下，榔头敲击声可以在钢轨中有效传输超过200m的距离。图2、图3为铁轨常见的两类缝隙，振动声波经过这两类缝隙前、后的波形如图5、图6所示，比较图5和图6可发现，声波幅值有一定衰减，但是幅度较小，对波形衰减影响不明显。振动声波经过图4所示的岔道前、后的波形如图7、图8所示，比较图7和图8可发现，振动波形在经过岔道后有比较明显的衰减，但是振动波形依然保持完整，因此对后期信号的有效提取影响不大。

从上可以看出，利用钢轨进行应急通信具有传输效率高，损耗小、噪声干扰小等优点，且损耗通过对轨道缝隙及岔道做一定的技术处理还可以进一步降低，另外由于钢轨在发生事故时不容易受到大规模损坏，同时作为传播媒介又不容易受到外界其他因素干扰，因此利用钢轨能快速实现救援人员与被困人员的通信联络，加快救援进度。

附图说明

图1为实验场地的实拍图。

图2为轨道上一类缝隙的实拍图。

图3为轨道上另一类缝隙的实拍图。

图4为轨道岔道的实拍图。

图5为振动声波经过缝隙前的波形图。

图6为振动声波经过缝隙后的波形图。

图7为振动声波经过岔道前的波形图。

图8为振动声波经过岔道后的波形图。

图9为本发明实施例1的流程图。

具体实施方式

实施例

如图9所示，本发明方法包括如下步骤：

（1）在信号的采集端，对被困人员的声音信号进行采样，将采集到的模拟声音信号进行包括滤波、去噪、放大的处理；

（2）将处理后的模拟声音信号通过A/D转换器转化为数字信号，再将数字信号通过AMBE声码器或TR600语音编码器进行低码率的压缩，可得到2.4kbps甚至更低的数据速率；

（3）将压缩后的二进制信号转化为十六进制（也可转化为八进制）的数字信号，并将十六进制的数字信号与振动发生装置产生的不同频率的振动进行一一对应，制作如下对应的编码列表（表中的对应频率可根据实际需要进行调整），

（4）将压缩后的十六进制的数字信号通过电路控制振动发生装置（直流振动电机），在钢轨上产生不同频率的振动信号，该振动信号沿巷道中铺设的钢轨以固体声的形式进行传播；

（5）在信号的接收端，采用高灵敏度的振动传感器检测接收到的微弱振动信号，对采集到的信号进行包括滤波、去噪、放大的处理，再将模拟信号转化为数字信号；

（6）对数字信号以等时间间隔进行快速傅里叶变换，即：

$X_k=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n{e}^{-i2\mathrm{\πk}\frac{n}{N}}k=0,...N-1.$

通过以上公式可以得出该时间间隔中的频率成分，判断其频谱中能量最高部分，即：

X_max＝max{|X_k|}        k=0，…,N-1.

取出该时间间隔内的振动信号频率X_max，与原振动发生装置产生的频率（即上述编码列表中振动频率）进行对比识别，将识别后的振动频率信号还原成十六进制的数字信号，即：

再将十六进制的数字信号转化为二进制的数字信号，然后通过解码算法将二进制的数字信号还原为原始采样的二进制数字信号，最后通过D/A转换器将数字信号转化为声音模拟信号播出，从而实现救援人员与被困人员的语音通信。

Claims (1)

1.一种坑道作业突发灾难背景下的钢轨通信技术，该技术包括如下步骤：

（1）在信号的采集端，对被困人员的声音信号进行采样，将采集到的模拟声音信号进行包括滤波、去噪、放大的处理；

（2）将处理后的模拟声音信号转化为数字信号，并将数字信号进行低码率的压缩；

（3）将压缩后的信号通过振动发生装置转化为有规律的振动信号，并通过巷道中铺设的钢轨进行传播；

（4）在信号的接收端，采用高灵敏度的振动传感器接收振动信号，对接收到的微弱振动信号进行包括滤波、去噪、放大的处理后，将模拟信号转化为数字信号；

（5）对数字信号进行傅里叶变换，提取其中所包含的信息，将提取到的数字信号进行解码，使其还原为原始采样后的二进制数字信号，最后将数字信号转化为声音模拟信号播出。

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