CN104244175A - 基于uwb技术的矿井环境监控与救援管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统。系统采用以太网架构，井下定位基站设有定位模块和环境监控模块，定位基站的数据通过以太网上传至地面监控中心，定位标签设有定位模块和生命状态监测模块。系统将环境监控、定位和生命探测进行有效的整合，可为救援方案的制定提供全面的救援信息，提高救援效率。

Description

基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统

技术领域

本发明涉及一种矿井环境监控与救援管理系统，特别是涉及一种针对井下环境复杂、定位困难等问题的基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统。

背景技术

近年来我国矿难频发，一项对自2008年以来10起重大矿难事故的统计表明：70％的矿难原因是瓦斯爆炸，20％为透水，其他10％。因此，这些都是因为缺乏对井下瓦斯、水汽环境进行有效监控和预警。而且，如果能够对井下人员、车辆等设备的实时定位监控，也能为紧急情况下的救援工作提供有效帮助信息，可大大提高救援效率，降低人员伤亡率。例如，2011年11月10日，云南师宗县发生瓦斯和煤炭突出事故，造成当班43人被困，截至11日凌晨，已证实其中21人死亡，另22人失踪。但是由于事发矿井不能确定被困人员位置，又花费了大量时间清理阻碍救援路线的矿车，使救援极为缓慢，最终造成30人死亡，仅13人获救。因此，由于对井下环境缺乏监控预警导致了这起事故的发生，以及缺乏对井下人员和设备的定位监控，影响了救援进度，带来重大人员伤亡。

井下定位技术是矿井环境监控与救援管理系统的最关键技术。然而由于井下特殊的地下环境，很多定位技术如GPS定位、GSM/GPRS定位不可能应用到矿井中去。而现在广泛使用的井下定位技术如RFID、ZigBee、WiFi等都存在定位精度不高、抗干扰能力差等问题。近年来，从军事转为民用的UWB定位技术为上述问题提供了新的有效解决方案，UWB技术不仅定位精度高、抗多径效应能力强、信号穿透力强，还具有高通讯速率、低功耗、保密性能好等优点。

因此，以UWB精确定位技术为基础，集环境监控、人员定位、人员管理、设备管理、通信于一体的矿井环境监控与救援管理综合监控管理系统，可有效预防矿难发生，矿难发生后也可为紧急救援提供重要信息；亦可为矿车调度、勘探与生产安排提供有力支撑，对保障矿井安全生产、提高生产管理效率都有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于UWB无线通信/定位技术，提出一套基于UWB的矿井环境监控与救援管理系统，该系统可提供全面的救援管理信息，具有厘米级的定位精度。

本发明的技术解决方案如下：

1、基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统，包括：UWB定位基站、UWB定位标签、工业以太网、上位机监控管理软件。设计的矿井环境监控与救援管理系统系统框图如图附图1所示。

定位标签集成了UWB定位/通信模块、生命监测模块，定位基站集成了UWB位/通信模块、环境监测模块、网络接入模块(网卡)，如附图2所示。定位基站和定位标签的UWB模块既用于定位，又用于数据通信，定位标签的生命监测模块的检测数据通过UWB通信模块传输至基站，再经网卡利用以太网传输至地面服务器。环境检测模块能够检测井下的温度、湿度、瓦斯气体含量等环境数据，并对危险环境做出预警提示。生命监测模块通过融合多种传感器数据，检测定位标签佩带人员的生命状况，主要用于紧急救援情况下。

系统设计了两种工作模式：正常模式和紧急模式。在正常模式下，系统以低功耗为目标，此时UWB模块在确保定位和通信功能的前提下尽可能降低发射功率，而生命监测模块则处于停用状态。在紧急模式下以确保定位和通信可靠为目标，生命监测模块也开始启动。此时UWB模块会将发射功率调至最大，以增强UWB信号的穿透能力，克服因塌方带来的UWB定位/通信障碍，此外，如果以太网网线遭到损坏无法通信，UWB定位基站会选择UWB无线通信方式将本基站数据传送至前方基站，确保通信畅通。另外，启动的生命监测模块开始工作，通过多种传感器的数据融合可判断佩带人员的生命状况，以便于地面救援工作的开展。

2、基于UWB技术的井下人员精确定位方法，所述井下人员精确定位方法，包括SDS-TW-TOA测距原理和井下定位算法。

(1)SDS-TW-TOA测距原理

TW-TOA(双向到达时间)测距原理如附图3所示。节点A向节点B发送测距帧R₁，节点B向节点A返回响应帧R₂，节点A、B间的距离可用式(1)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{2}c\·(T_{\mathrm{ab}}-T_{\mathrm{db}})---\left(1\right)$

式中：c＝3×10⁸m/s，T_ab为节点A自发出的测距帧到接收到响应帧之间的时间延迟，T_db为节点B自收到测距帧到发出响应帧的时间延迟。

SDS-TW-TOA(对称双向到达时间)测距原理与TW-TOA类似，它在TW-TOA基础之上增加了一个步骤：由节点A向节点B发送二次响应帧R₃，这样节点A、B间的距离可用公式(2)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{SDS}-\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{4}c\·(T_{\mathrm{ab}}+T_{\mathrm{ba}}-T_{\mathrm{db}}-T_{\mathrm{da}})---\left(2\right)$

式中：T_ba为节点B自发出的测距帧到接收到二次响应帧之间的时间延迟，T_da为节点A自收到测距帧到发出二次响应帧的时间延迟，实际应用中T_ab、T_db、T_ba、T_da都可从UWB定位模块的相应寄存器中读取得到。

无线节点的晶振频率差异是TOA方法产生误差的一个重要因素。SDS-TW-TOA方法对该误差具有一定的鲁棒性，因而有更高的测距精度。

(2)井下人员定位算法

根据井下巷道狭长的特定环境，可以将井下定位简化为一维坐标下的定位，如附图4所示，图中，1、2为定位基站，坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，其中，x₁＜x₂，y₁＝y₂。若利用上述SDS-TW-TOA测距方法测得定位目标到基站1的距离为d₁，则目标可能的位置为图中的A、B，坐标分别为(x_A，y_A)、(x_B，y_B)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=x_1-d_1\\ y_A=y_1\\ x_B=x_1+d_1\\ y_B=y_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

同理若测得目标距基站2的距离d₂可得目标可能位置为C、D，坐标分别为(x_C，y_C)、(x_D，y_D)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_2-d_2\\ y_C=y_2\\ x_D=x_2+d_2\\ y_D=y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

若果基站1、2同时检测到定位目标，这它可能在基站1、2之间的B、C两点，定位目标的最终坐标取B、C两点坐标的平均值，有：

$\left\{\begin{array}{c}x=(x_B+x_C)/2\\ y=y_B=y_C\end{array}\right.---\left(5\right)$

3、基于PCA的故障预警与定位方法，所述故障预警与定位方法，根据采集得到的井下温度、气体浓度、压力等环境参数之间的相互关联程度，采用PCA的方法进行监控，实时监测这些可测环境参数变量的组合是否发生异常，并更加故障重构的原理来定位异常变量，既而进行故障定位。

首先取一段正常工况下的环境参数数据集X_m×n(m为样本数，n为传感器数或变量数)建立统计模型，对其进行SVD分解后得到主元空间和残差空间。通过在主元子空间和残差子空间中建立PCA过程统计模型，就可以在低维的子空间中实现对多变量过程的监测。采用Hotelling T²和SPE(平方预测误差)这两个统计量对矿井内部进行状态监控，即通过对测量数据进行T²和SPE检验，可判断过程是否发生了变化。

设系统为具有n传感器系统，故障f_i发生时的过程变量X_i的重构值Z_i，为Z_i＝X-ξ_if_i。我们采用自己研究的重构贡献率的方法，根据重构值Z_i计算X_i对故障检测指标T²和SPE的贡献，即可确定到底是哪些传感数据引起状态的异常，既而确定是否是传感器故障，还是某项测量值超标。

采取这种方法的好处在于：

(1)能够根据矿井内的多个传感器之间的相互关系，设计合适的统计指标，确定框架某个位置是否异常；

(2)能够进行测量变量的重构，确定测量变量对状态的统计指标的贡献，确定是哪些变量的异常引起整体状态的异常，从而确定矿井内哪些传感器故障，或哪些测量参数异常。

有益效果：

本发明是基于UWB通信/定位技术集环境监测与救援管理于一体的井下人员定位系统。环境检测采用PCA分析方法可有效进行故障的预警和定位；人员定位采用SDS-TW-TOA测距方法和井下简化一维定位算法，具有较高的定位精度和良好的实时性；生命监测采用了多传感器的数据融合算法，能准确判断井下人员的生命状态。系统能为矿井监控、管理和救援提供全面的信息，可有效降低管理成本、保障生产安全。

附图说明

图1为基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统系统框图；

图2定位标签与定位基站原理框图；

图3SDS-TW-TOA测距原理图；

图4井下定位算法原理图；

图5系统通信数据流图；

图6定位基站工作时序图；

图7以太网数据帧格式；

图8UWB数据帧格式。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

1、基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统

基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统，包括：UWB定位基站、UWB定位标签、工业以太网、上位机监控管理软件。设计的矿井环境监控与救援管理系统系统框图如图附图1所示。

定位标签集成了UWB定位/通信模块、生命监测模块，定位基站集成了UWB位/通信模块、环境监测模块、网络接入模块(网卡)，如附图2所示。定位基站和定位标签的UWB模块既用于定位，又用于数据通信，定位标签的生命监测模块的检测数据通过UWB通信模块传输至基站，再经网卡利用以太网传输至地面服务器。环境检测模块能够检测井下的温度、湿度、瓦斯气体含量等环境数据，并对危险环境做出预警提示。生命监测模块通过融合多种传感器数据，检测定位标签佩带人员的生命状况，主要用于紧急救援情况下。

系统设计了两种工作模式：正常模式和紧急模式。在正常模式下，系统以低功耗为目标，此时UWB模块在确保定位和通信功能的前提下尽可能降低发射功率，而生命监测模块则处于停用状态。在紧急模式下以确保定位和通信可靠为目标，生命监测模块也开始启动。此时UWB模块会将发射功率调至最大，以增强UWB信号的穿透能力，克服因塌方带来的UWB定位/通信障碍，此外，如果以太网网线遭到损坏无法通信，UWB定位基站会选择UWB无线通信方式将本基站数据传送至前方基站，确保通信畅通。另外，启动的生命监测模块开始工作，通过多种传感器的数据融合可判断佩带人员的生命状况，以便于地面救援工作的开展。

2、基于UWB技术的井下人员精确定位方法

所述基于UWB技术的井下人员精确定位方法，包括SDS-TW-TOA测距原理和井下定位算法。

(1)SDS-TW-TOA测距原理

TW-TOA(双向到达时间)测距原理如附图3所示。节点A向节点B发送测距帧R₁，节点B向节点A返回响应帧R₂，节点A、B间的距离可用式(1)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{2}c\·(T_{\mathrm{ab}}-T_{\mathrm{db}})---\left(1\right)$

式中：c＝3×10⁸m/s，T_ab为节点A自发出的测距帧到接收到响应帧之间的时间延迟，T_db为节点B自收到测距帧到发出响应帧的时间延迟。

SDS-TW-TOA(对称双向到达时间)测距原理与TW-TOA类似，它在TW-TOA基础之上增加了一个步骤：由节点A向节点B发送二次响应帧R₃，这样节点A、B间的距离可用公式(2)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{SDS}-\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{4}c\·(T_{\mathrm{ab}}+T_{\mathrm{ba}}-T_{\mathrm{db}}-T_{\mathrm{da}})---\left(2\right)$

式中：T_ba为节点B自发出的测距帧到接收到二次响应帧之间的时间延迟，T_da为节点A自收到测距帧到发出二次响应帧的时间延迟。

无线节点的晶振频率差异是TOA方法产生误差的一个重要因素。SDS-TW-TOA方法对该误差具有一定的鲁棒性，因而有更高的测距精度。

(2)井下人员定位算法

根据井下巷道狭长的特定环境，可以将井下定位简化为一维坐标下的定位，如附图4所示，图中，1、2为定位基站，坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，其中，x₁＜x₂，y₁＝y₂。若利用上述SDS-TW-TOA测距方法测得定位目标到基站1的距离为d₁，则目标可能的位置为图中的A、B，坐标分别为(x_A，y_A)、(x_B，y_B)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=x_1-d_1\\ y_A=y_1\\ x_B=x_1+d_1\\ y_B=y_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

同理若测得目标距基站2的距离d₂可得目标可能位置为C、D，坐标分别为(x_C，y_C)、(x_D，y_D)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_2-d_2\\ y_C=y_2\\ x_D=x_2+d_2\\ y_D=y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

若果基站1、2同时检测到定位目标，这它可能在基站1、2之间的B、C两点，定位目标的最终坐标取B、C两点坐标的平均值，有：

$\left\{\begin{array}{c}x=(x_B+x_C)/2\\ y=y_B=y_C\end{array}\right.---\left(5\right)$

3、基于PCA的故障预警与定位方法

所述基于PCA的故障预警与定位方法，根据采集得到的井下温度、气体浓度、压力等环境参数之间的相互关联程度，采用PCA的方法进行监控，实时监测这些可测环境参数变量的组合是否发生异常，并更加故障重构的原理来定位异常变量，既而进行故障定位。

首先取一段正常工况下的环境参数数据集X_m×n(m为样本数，n为传感器数或变量数)建立统计模型，对其进行SVD分解后得到主元空间和残差空间。通过在主元子空间和残差子空间中建立PCA过程统计模型，就可以在低维的子空间中实现对多变量过程的监测。采用Hotelling T²和SPE(平方预测误差)这两个统计量对矿井内部进行状态监控，即通过对测量数据进行T²和SPE检验，可判断过程是否发生了变化。

设系统为具有n传感器系统，故障f_i发生时的过程变量X_i的重构值Z_i，为Z_i＝X-ξ_if_i。我们采用自己研究的重构贡献率的方法，根据重构值Z_i计算X_i对故障检测指标T²和SPE的贡献，即可确定到底是哪些传感数据引起状态的异常，既而确定是否是传感器故障，还是某项测量值超标。

采取这种方法的好处在于：

(1)能够根据矿井内的多个传感器之间的相互关系，设计合适的统计指标，确定框架某个位置是否异常；

(2)能够进行测量变量的重构，确定测量变量对状态的统计指标的贡献，确定是哪些变量的异常引起整体状态的异常，从而确定矿井内哪些传感器故障，或哪些测量参数异常。

4、通信协议

定位通信包括了以太网和UWB通信两套通信系统，系统通信的数据流图如附图5所示。定位基站与以太网有着数据收发通信；基站与基站之间通过UWB通信进行同步和紧急通信，其中紧急通信是在以太网通信出现故障的情况下进行的；定位标签与定位基站既有定位通信，又有数据通信，其中数据通信是为了传输定位标签采集的生命状态信息或者井下人员发出的呼叫信息等。定位基站在系统通信中起主导作用，定位基站的工作时序如附图6所示。基站按周期工作，每个周期的第一个时序用于以太网接收包处理；第二个时序用于基站同步通信；第三个时序用于紧急通信；第四和第五个时序分别是定位时序和环境检测时序，其中，定位时序又分为N(N为所需定位员工数量)个时隙，每个时隙完成一个人的一次定位过程，包括定位请求、等待应答、数据请求、等待接收、以太网上传五个步骤。

系统通信以太网数据帧格式和UWB数据帧格式分别如附图7、附图8所示，其中的数字代表该字段的字节数，如源地址中标的6表示源地址长度占6个字节。以太网数据帧格式按照IEEE802.2/802.3标准设计，并自定义了数据段格式。UWB帧格式由于标准未统一，参照ZigBee数据帧格式设计。

Claims (2)

1.基于UWB技术的矿井环境监控与救援管理系统，其特征在于，包括定位基站、定位标签、上位机管理软件。

定位基站集成了UWB定位/通信模块、环境监测模块、网络接入模块；定位标签集成了UWB定位/通信模块、生命监测模块。定位基站和定位标签的UWB定位/通信模块兼具了无线定位和无线通信功能。定位基站的环境监测模块监测矿井环境中的温度、湿度、压强、瓦斯气体含量等环境数据，网络接入模块负责定位基站的以太网接入，定位基站的环境监测数据、UWB定位数据和UWB通信接收数据都通过以太网传输至地面监控中心。

定位标签的生命监测模块用于紧急情况下检测标签佩戴人员的生命状态，生命状态监测信息通过UWB无线通信发送至定位基站。生命模块采用数据融合算法融合多种生命探测传感器参数，准确判断井下人员的生命状态。一般情况下井下人员都是在动的，因此振动传感器就基本能够判断他的生命状况，但是为了检测昏迷的生命状态，增加红外检测。通过数据融合方法，利用振动传感器数据和红外传感器数据就能比较准确地判断持卡人员的生命状态。

上位机管理软件包括人员管理、环境监控、救援管理、数据库管理、远程监控、账户管理等功能模块。其中，人员管理包括考勤管理、人事管理、人员定位、人员调度功能；环境监控包括温湿度检测、瓦斯检测、环境预警等功能；救援管理包括模式切换、人员定位、救援调度、生命监测等功能；数据库管理包括数据备份、轨迹查询、系统日志等数据库管理功能。

2.本发明的基于UWB技术的定位方法，其特征在于，该方法采用了SDS-TW-TOA测距算法，可有效抑制因无线节点晶振频率差异造成的测距误差，使系统达到厘米级的室内定位精度。

TW-TOA(双向到达时间)测距原理：节点A向节点B发送测距帧R₁，节点B向节点A返回响应帧R₁，节点A、B间的距离可用式(1)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{2}c\·(T_{\mathrm{ab}}-T_{\mathrm{db}})---\left(1\right)$

式中：c＝3×10⁸m/s，T_ab为节点A自发出的测距帧到接收到响应帧之间的时间延迟，T_ab为节点B自收到测距帧到发出响应帧的时间延迟。

SDS-TW-TOA(对称双向到达时间)测距原理与TW-TOA类似，它在TW-TOA基础之上增加了一个步骤：由节点A向节点B发送二次响应帧R₃，这样节点A、B间的距离可用公式(2)求得：

$d_{\mathrm{AB}}^{\mathrm{SDS}-\mathrm{TW}-\mathrm{TOA}}=\frac{1}{4}c\·(T_{\mathrm{ab}}+T_{\mathrm{ba}}-T_{\mathrm{db}}-T_{\mathrm{da}})---\left(2\right)$

式中：T_ba为节点B自发出的测距帧到接收到二次响应帧之间的时间延迟，T_da为节点A自收到测距帧到发出二次响应帧的时间延迟，实际应用中T_ab、T_db、T_ba、T_da都可从UWB定位模块的相应寄存器中读取得到。

根据井下巷道狭长的特定环境，可以将井下定位简化为一维坐标下的定位，设有定位基站1和定位基站2，坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₂)，其中，x₁＜x₂，y₁＝y₂。若利用上述SDS-TW-TOA测距方法测得定位目标到基站1的距离为d₁，则目标可能的位置为A、B，坐标分别为(x_A，y_A)、(x_B，y_B)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=x_1-d_1\\ y_A=y_1\\ x_B=x_1+d_1\\ y_B=y_1\end{array}\right.---\left(3\right)$

同理若测得目标距基站2的距离d₂可得目标可能位置为C、D，坐标分别为(x_C，y_C)、(x_D，y_D)，有：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_C=x_2-d_2\\ y_C=y_2\\ x_D=x_2+d_2\\ y_D=y_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

若果基站1、2同时检测到定位目标，这它可能在基站1、2之间的B、C两点，定位目标的最终坐标取B、C两点坐标的平均值，有：

$\left\{\begin{array}{c}x=(x_B+x_C)/2\\ y=y_B=y_C\end{array}\right.---\left(5\right)$