CN104730488A - 井下精确定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了井下精确定位系统及方法，包括总控，设置于矿井外端，用于收集和处理井下的信息，以及发送信息到井下；中转器，间隔设置于矿井中，形成信息的传输线路；移动节点，为井下人员携带，井下人员通过移动节点发送和接受信息。本发明的有益效果是：在矿井沿路上设置中转器，总控内存储有所有中转器的位置信息，当中转器接收到工作人员携带的移动节点发送到初始信息时，会计算中转器的距离，并加入其特有的标示进入信息，然后经多个中转器转发至总控，使得总控可以很快判断出工作人员的精确位置，因为移动节点是不断发送信号，使得总控能够随时知晓各工作人员的地理位置信息，而且通过中转器的位置推导移动节点的位置，数据处理非常的方便。

Description

井下精确定位系统及方法

技术领域

本发明涉及矿井中人员的定位和安全，特别是涉及到一种井下精确定位系统及方法。

背景技术

  随着我国经济体制改革不断深入，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。但是，缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去最宝贵地抢救时机。安全生产的核心是人的安全。

近几年,在政府和煤炭企业的共同努力下,我国安全生产形势逐步好转,但重特大事故时有发生.普遍认为安全投入不足, 要想使我国煤矿安全状况实现根本性好转,必须对煤矿有限的安全投入进行优化配置,确保投入的科学、合理和高效.因此,安全投入优化配置是煤炭工业持续、健康、稳定发展的主要保证。

作为地面生产指挥和控制核心部门，实时了解井下人员的流动情况并加以跟踪就显得尤其重要。假如遭遇各种井下事故，如果在最短的时间内能获取事故现场的人员状况（包括人员数量和地理位置），将为后续救援工作提供主要依据，能在最短的时间内作出准确判断，减少盲目性。

现有井下系统，井上的管理人员仅仅知道井下人员的大致的地理位置信息，而且也不能实时知道井下人员的信息，所以在出现突发事故时，很多井下人员的位置信息范围太大，大大增加了救援难度，而且人员位置信息有可能是几个小时前的，参考价值大大打了折扣，对救援造成了很大的不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供井下精确定位系统及方法，解决矿井上方的管理人员难以实时知晓所有井下人员的位置信息，并且井下人员的位置信息不精确，在出现突发事故后，造成救援艰难的缺陷。

本发明的目的通过下述技术方案实现：井下精确定位系统，包括：

总控，设置于矿井外端，用于收集和处理井下的信息，以及发送信息到井下；

中转器，间隔设置于矿井中，通过ZigBee无线技术组网，形成信息的传输线路；

移动节点，为井下人员携带，井下人员通过移动节点发送和接受信息。

上述的总控是设置在矿井上端的控制室，收集到井下人员的位置信息后，发送到监控人员查看，监控人员即可实时知晓井下人员的位置情况，在发生突发事件时，在信号中断后，总控中还保留井下人员在该时的位置信息，便于快速寻找到井下人员。中转器采用ZigBee模块接收和发送无线信息，移动节点发出的无线信号即通过中转器的传递到达总控，因为矿井中的路线都是弯曲的，而且信号穿过矿石后变得非常弱，所以传播距离非常的短，所以移动节点发出的信号，只有附近的中转器能够接收到，然后通过N各中转器转发才可以到达井上，但正因为有这些中转器，和移动节点信号发送范围半径弱的原因，使得上面的总控可以很好地判断移动节点的位置信息，因为中转器的位置是固定的，当中转器接收到移动节点的信息时，会插入其特有的标签，后面的中转器见到该标签就不会再插入标签，所以总控接受到移动节点的信息中，还会含有其附近中转器的标签，总控判断移动节点即在该中转器的附近，即可得到工作人员的位置信息。

进一步，上述的中转器中设置有摄像头，摄像头采集矿井的图像信息，并发送到总控。总控即通过这些摄像头掌握到井下的环境信息，对井下进行监控，方便井上管理人员发出正确的命令。

进一步，上述的总控中设置有一个模拟显示屏，模拟显示屏用于显示整个矿井的实时状况图。方便管理人员查看井下人员的位置信息。

进一步，上述的移动节点上设置有一个显示屏，显示屏用于显示移动节点的位置图。总控也可发送一个地图信息到移动节点，使得持有移动节点的井下人员也可知道其所在矿井的位置，避免迷路。

进一步，上述的中转器上还设置有信号指示器，中转器会不断要求总控发送返还信息，中转器只有在正常接收到该返还信息时，信号指示器才会显示出正常灯光，当中转器在限定时间内没有接收到返还信息后，会发出报警灯光，使得工作人员知晓，出现了问题，工作人员快速做出判断，逃离矿井。

进一步，上述的中转器上还设置有信号强度检测仪。信号强度检测仪用于检测中转器接收到移动节点的信号时，该信号的强度，因移动节点的发送信号强度不变，即可得到与移动节点之间距离，方便总控知晓移动节点的精确位置。

井下精确定位方法，包括以下步骤：

（1）工作人员携带移动节点进入矿井，移动节点会不断发送无线信号出去，无线信号中带有移动节点的标示以及发送信号时的时间戳，该无线信号被其传播范围内的中转器接收到；

（2）中转器接收到移动节点的信号时，也会在信号中添加该中转器的标示以及接收到信号时的时间戳，然后发送出去，通过多个中转器的传送，最后到达总控，所有中转器在接受到信号时，先分析信号中是否具有其他中转器的标示，如没有则判定信号为初始信号，所述的初始信号即为移动节点或总控发出的还未经中转器转发的信号，中转器会在初始信号中添加自己的标示和接收到信号时的时间戳，该中转器称为第一中转器；

（3）总控接受到信号后，总控中存储有所有中转器的标示、所处地域信息，通过信息中第一中转器的标示，即得到该工作人员所处的大致位置，信号中还含有移动节点发送信号时的时间戳以及第一中转器接收到该信号时的时间戳，通过该时间差，计算出移动节点与第一中转器之间距离，因为移动节点的信号覆盖范围内含有多个中转器，总控通过移动节点与多个中转器之间的距离，计算出该移动节点的精确位置；

（4）中转器中的摄像头会不断扫描其周围的环境情况，中转器在摄像信息中添加自己的标示后，发送出去，经多个中转器，最后到达总控，总控得到信息后，分析出中转器的标示，得到中转器所处的地域，即得到该地域的实时情况；

（5）总控会将所有井下工作人员的位置信息发送到模拟显示屏上显示，方便监控人员知晓井下人员的位置，也会将所有中转器的摄像头得到的信息发送到模拟显示屏上显示，方便监控人员知晓矿井中的信息；

（6）总控还会发送位置信息图给对应的工作人员，工作人员通过其移动节点的显示屏可实时知晓其所在位置，不会迷路，移动节点的显示屏上显示的为标识其位置的矿井图，移动节点在接受到信息时，会对信息进行识别，当该信息中含有总控以及自己的标示时，才读取信息。

还包括一个突发事故步骤：当出现突发事故时，总控会发出警报信息到所有移动节点，且该警报信息中还含有对应移动节点的最佳逃生路线。

所述的中转器中设置了信号指示器，中转器会不断发送确认信号到总控，该确认信号中含有其标示，总控接受到中转器的确认信号后，会发送返还信号到该中转器，该返还信号中含有总控和对应中转器的标示，中转器接收到对应的返还信号后，信号指示器会启动绿灯，如在限定时间内接收不到返还信号时，信号指示器即启动红灯，井下人员通过该指示灯，知晓信号是否畅通。

还包括一个对时步骤：对时步骤分为主动对时和被动对时，所述的主动对时是指总控会定时发送对时报文到所有的中转器，所有的中转器都知晓接收到总控的信号所消耗的时间，所有中转器通过对时报文的时间加上该消耗时间即得到实际时间，然后进行对时；所述的被动对时是指，中转器中设置有信号强度检测仪，中转器接收到移动节点发出的初始信号时，会计算该初始信号的强度，并将该强度数据一起转发，移动节点发送的信号强度值限定，总控即得到移动节点的信号到达第一中转器时的损耗值，通过计算得到信号传播的距离，即得到移动节点到第一中转器的距离，通过与步骤（3）中的距离对比，可得知中转器的时钟是否准确，如中转器的时间出错，则总控会发出一个对时报文，使得所有中转器进行对时。对时步骤是因为中转器的时间会出现误差，导致总控无法精确地计算出移动节点的位置，正因为这样所以在中转器上还设置了一个信号强度检测仪，来进行测距，但是因为矿井环境中的无线信号容易被干扰，所以无法用信号强度检测仪来代替测距，而且总控在计算出信号强度检测仪测出的距离时，会进行判断，如果数据过于离谱时，则不会发送对时报文。

本发明的有益效果是：

在矿井沿路上设置中转器，总控内存储有所有中转器的位置信息，当某个中转器接收到工作人员携带的移动节点发送到初始信息时，即加入其特有的标示进入信息，然后经过多个中转器转发至总控，使得总控可以很快判断出工作人员的位置，因为移动节点是不断发送信号，使得总控能够随时知晓各工作人员的地理位置信息，而且通过中转器的位置推导移动节点的位置，这样方式非常的简单明了，数据处理非常的方便。

总控还会发送地图信息到移动节点，工作人员通过移动节点上的显示器显示的导航地图，即可知道其所处位置，避免出现迷路。

在出现突发事故时，总控还会发送警报信息到各移动节点，工作人员通过移动节点还能得到最佳逃离路线，因为总控通过摄像头能够知晓哪里有塌方等事件，避免井下人员逃离到被封堵的路线上，从而耽误了逃离的最佳时间。

中转器上设置有状态指示器，在中转器接收不到总控的返还信息时，会进行报警，工作人员能够知晓事故，因为当工作人员所在位置被塌方封堵时，信号中断，其不会接受到总控发送警报信息的，工作人员不能知晓出现事故，可能会耽误其逃生。

移动节点发送信号时还会加上发送时的时间戳，中转器在接受到移动节点发送的初始信号时也会加上接收时的时间戳，总控通过该时间差，即可知道移动节点与中转器之间的距离，这样即计算出移动节点的精确位置，这样井上人员可以得知井下人员的精确位置，在出现事故时，为搜救工作带来很大的方便，救援的几率大大增加。

中转器上还设置了一个信号强度检测仪，用于测距，即进行双重测距，可以保证得到的距离的正确性，也使得出现事故时，工作人员的位置更加正确。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为走道中转器信号接收示意图；

图3为岔路中转器信号接收示意图；

图4为空旷地中转器接收示意图；

图5为多路段警报逃离示意图；

图6为单路段警报示意图；

图中，1-总控,2-中转器，3-移动节点，4-模拟显示屏，5-显示屏，6-摄像头，7-信号指示器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例：

【实施例】

如图1所示，井下精确定位系统，包括：总控1，设置于矿井外端，用于收集和处理井下的信息，以及发送信息到井下，总控1中设置有一个模拟显示屏4，模拟显示屏4用于显示整个矿井的实时状况图，总控即是一个大的处理器，主要接收移动节点和中转器的信息，判断出移动节点的位置，还对各中转器周围的环境信息进行处理，知晓矿井环境是否出现问题。

中转器2，间隔设置于矿井中，通过ZigBee无线技术组网，形成信息的传输线路，中转器2中设置有ZigBee模块，ZigBee模块是常见的无线短传输装置，通过多个ZigBee模块转发信息就可以进行长距离的无线数据传输，而且本发明设置多个中转器2，因为这些中转器2固定，地理位置固定，总控1即可以通过中转器知晓工作人员的位置信息，而且中转器2中设置有摄像头6，摄像头6采集矿井的图像信息，并发送到总控1，所述的中转器2上还设置有信号指示器7，在中转器2接收不到总控1发送返还信息时，信号指示器7即会指示警报灯光，如红光，工作人员也会知晓事故；

移动节点3，为井下人员携带，井下人员通过移动节点3发送和接受信息，移动节点3上设置有一个显示屏5，显示屏5用于显示移动节点3的位置图，位置图即由总控1发送。

总控1是一个大型的处理系统，其包括一个接受和发送无线信号的无线模块，一个对信号进行分析和处理的处理器，显示工作人员位置的模拟显示器4，显示各摄像头6采集图像的电视墙。中转器2即包括一个ZigBee模块，用于接收和发送无线信息，一个处理信号的微处理器，摄像头6用于采集图像信息，其通过一个模数转换器连接到微处理器。移动节点3包括一个无线模块，也用于接收和发送无线信号，还有显示屏5，显示自己的位置图。

中转器2上还设置有信号强度检测仪。信号强度检测仪用于检测中转器2接收到移动节点3的信号时，该信号的强度，因移动节点3的发送信号强度不变，即可得到与移动节点3之间距离，方便总控1知晓移动节点3的精确位置。

井下精确定位方法，包括以下步骤：

（1）工作人员携带移动节点3进入矿井，移动节点3会不断发送无线信号出去，无线信号中带有移动节点3的标示以及发送信号时的时间戳，该无线信号被其传播范围内的中转器2接收到；

（2）中转器2接收到移动节点3的信号时，也会在信号中添加该中转器2的标示以及接收到信号时的时间戳，然后发送出去，通过多个中转器2的传送，最后到达总控1，所有中转器2在接受到信号时，先分析信号中是否具有其他中转器2的标示，如没有则判定信号为初始信号，所述的初始信号即为移动节点3或总控1发出的还未经中转器2转发的信号，中转器2会在初始信号中添加自己的标示和接收到信号时的时间戳，该中转器2称为第一中转器，一般移动节点发送的信号会被多个中转器接收到，但是在一个信号中，只有一个第一中转器的标示；

（3）总控1接受到信号后，总控1中存储有所有中转器2的标示、所处地域信息，通过信息中第一中转器的标示，即得到该工作人员所处的大致位置，信号中还含有移动节点3发送信号时的时间戳以及第一中转器接收到该信号时的时间戳，通过该时间差，计算出移动节点3与第一中转器之间距离，因为移动节点3的信号覆盖范围内含有多个中转器2，总控1通过移动节点3与多个中转器2之间的距离，计算出该移动节点3的精确位置；

（4）中转器2中的摄像头会不断扫描其周围的环境情况，中转器2在摄像信息中添加自己的标示后，发送出去，经多个中转器2，最后到达总控1，总控1得到信息后，分析出中转器2的标示，得到中转器2所处的地域，即得到该地域的实时情况；

（5）总控1会将所有井下工作人员的位置信息发送到模拟显示屏4上显示，方便监控人员知晓井下人员的位置，也会将所有中转器2的摄像头6得到的信息发送到模拟显示屏3上显示，方便监控人员知晓矿井中的信息；

（6）总控1还会发送位置信息图给对应的工作人员，工作人员通过其移动节点3的显示屏5可实时知晓其所在位置，不会迷路，移动节点3的显示屏5上显示的为标识其位置的矿井图，移动节点3在接受到信息时，会对信息进行识别，当该信息中含有总控1以及自己的标示时，才读取信息。

中转器2在矿井中是间隔排列，移动节点3的信号传输半径要大于任意相邻中转器2之间距离，这样移动节点3发送的信号会被其传送半径中的中转器2接收到如图2，是在一条较小的矿道中，一般是呈一条直线的中转器2路线，A-D是中转器2,J是移动节点3，移动节点3的信号覆盖范围用虚线表示，其覆盖范围是两个或三个中转器2，移动节点在最远的两个中转器2之间，移动节点3的位置很好判断，再通过J与B、C距离计算，就得到移动节点3的具体位置；如图3，为一个叉路口的路线，A-F是中转器2,J是移动节点3，移动节点3的信号覆盖范围是四个中转器2时,其位置在三岔路中间，非常好判断，更多的岔路类似，再通过距离计算，就得到移动节点3的位置；如图4，为一片范围较大的矿区，是由几排中转器2组成，如A-H为两排中转器2，J为移动节点3，移动节点3在该两排中转器2的之间，所以移动节点3的信号覆盖范围包括了B、C、F、G，通过该四个中转器2，即可以计算出移动节点2的具体位置。所以本发明通过中转器2的位置来推导移动节点3的位置，非常的方便。

还包括一个突发事故步骤：当出现突发事故时，总控1会发出警报信息到所有移动节点3，且该警报信息中还含有对应移动节点3的最佳逃生路线。如图5，为矿井路线，图中，A-H都为中转器2，J为移动节点3，P为出口，当A处塌方时，如果仅仅报警工作人员出现事故，工作人员可能想从A处出去，这样会导致工作人员走错路，耽误时间，造成人员伤亡，而本发明的总控1会发送一个正确的逃生路线给移动节点3，就避免了工作人员走错路线，能够快速逃到井口，如从C到D，然后是H、G、F、E,再到P，即可以出井，而且矿井比起图4的路线更加复杂，所以一个正确的路线图，给工作人员的生命安全带来了很大的益处。

所述的中转器2中设置了信号指示器7，中转器2会不断发送确认信号到总控，该确认信号中含有其标示，总控1接受到中转器2的确认信号后，会发送返还信号到该中转器2，该返还信号中含有总控1和对应中转器2的标示，中转器2接收到对应返还信号后，信号指示器7会启动绿灯，如在限定时间内接收不到返还信号时，信号指示器7即启动红灯，井下人员通过该指示灯，知晓信号是否畅通,如图6，A-D为中转器，J为移动节点，P为出口，当A处出现塌方，因为矿石封闭了总控1到B的信号传输路线，上述的警报即发送不到J上，工作人员不能通过总控报警知道出现事故，所以通过信号指示器7，工作人员能够快速知晓事故，能够早点去寻找逃生方式，避免堵死在矿井里面。

总控1在发送返还信号时，即会加上对应中转器2和总控1的标示，所以矿井口的中转器2不会在加标示，而对应的中转器2接收到返还信号后，不会在进行转发，避免浪费后续中转器2的能量。

还包括一个对时步骤：对时步骤分为主动对时和被动对时，所述的主动对时是指总控1会定时发送对时报文到所有的中转器2，所有的中转器2都知晓接收到总控1的信号所消耗的时间，所有中转器2通过对时报文的时间加上该消耗时间即得到实际时间，然后进行对时；所述的被动对时是指，中转器2中设置有信号强度检测仪，中转器2接收到移动节点3发出的初始信号时，会计算该初始信号的强度，并将该强度数据一起转发，移动节点3发送的信号强度值限定，总控1即得到移动节点3的信号到达第一中转器时的损耗值，通过计算得到信号传播的距离，即得到移动节点3到第一中转器的距离，通过与步骤（3）中的距离对比，可得知中转器2的时钟是否准确，如中转器2的时间出错，则总控1会发出一个对时报文，使得所有中转器2进行对时。对时步骤是因为中转器2的时间会出现误差，导致总控1无法精确地计算出移动节点的位置，正因为这样所以在中转器2上还设置了一个信号强度检测仪，来进行测距，但是因为矿井环境中的无线信号容易被干扰，所以无法用信号强度检测仪来代替测距，而且总控1在计算出信号强度检测仪测出的距离时，会进行判断，如果数据过于离谱时，则不会发送对时报文。

Claims (10)

1.井下精确定位系统，其特征在于，包括：

总控，设置于矿井外端，用于收集和处理井下的信息，以及发送信息到井下；

中转器，间隔设置于矿井中，通过ZigBee无线技术组网，形成信息的传输线路；

移动节点，为井下人员携带，井下人员通过移动节点发送和接受信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的中转器中设置有摄像头，摄像头采集矿井的图像信息，并发送到总控。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的总控中设置有一个模拟显示屏，模拟显示屏用于显示整个矿井的实时状况图。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的移动节点上设置有一个显示屏，显示屏用于显示移动节点的位置图。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的中转器上还设置有信号指示器。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的中转器上还设置有信号强度检测仪。

7.井下精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）工作人员携带移动节点进入矿井，移动节点会不断发送无线信号出去，无线信号中带有移动节点的标示以及发送信号时的时间戳，该无线信号被其传播范围内的中转器接收到；

（2）中转器接收到移动节点的信号时，也会在信号中添加该中转器的标示以及接收到信号时的时间戳，然后发送出去，通过多个中转器的传送，最后到达总控，所有中转器在接受到信号时，先分析信号中是否具有其他中转器的标示，如没有则判定信号为初始信号，所述的初始信号即为移动节点或总控发出的还未经中转器转发的信号，中转器会在初始信号中添加自己的标示和接收到信号时的时间戳，该中转器称为第一中转器；

（3）总控接受到信号后，总控中存储有所有中转器的标示、所处地域信息，通过信息中第一中转器的标示，即得到该工作人员所处的大致位置，信号中还含有移动节点发送信号时的时间戳以及第一中转器接收到该信号时的时间戳，通过该时间差，计算出移动节点与第一中转器之间距离，因为移动节点的信号覆盖范围内含有多个中转器，总控通过移动节点与多个中转器之间的距离，计算出该移动节点的精确位置；

（4）中转器中的摄像头会不断扫描其周围的环境情况，中转器在摄像信息中添加自己的标示后，发送出去，经多个中转器，最后到达总控，总控得到信息后，分析出中转器的标示，得到中转器所处的地域，即得到该地域的实时情况；

（5）总控会将所有井下工作人员的位置信息发送到模拟显示屏上显示，方便监控人员知晓井下人员的位置，也会将所有中转器的摄像头得到的信息发送到模拟显示屏上显示，方便监控人员知晓矿井中的信息；

（6）总控还会发送位置信息图给对应的工作人员，工作人员通过其移动节点的显示屏可实时知晓其所在位置，不会迷路，移动节点的显示屏上显示的为标识其位置的矿井图，移动节点在接受到信息时，会对信息进行识别，当该信息中含有总控以及自己的标示时，才读取信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括一个突发事故步骤：当出现突发事故时，总控会发出警报信息到所有移动节点，且该警报信息中还含有对应移动节点的最佳逃生路线。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述的中转器中设置了信号指示器，中转器会不断发送确认信号到总控，该确认信号中含有其标示，总控接受到中转器的确认信号后，会发送返还信号到该中转器，该返还信号中含有总控和对应中转器的标示，中转器接收到对应的返还信号后，信号指示器会启动绿灯，如在限定时间内接收不到返还信号时，信号指示器即启动红灯，井下人员通过该指示灯，知晓信号是否畅通。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括一个对时步骤：对时步骤分为主动对时和被动对时，所述的主动对时是指总控会定时发送对时报文到所有的中转器，所有的中转器都知晓接收到总控的信号所消耗的时间，所有中转器通过对时报文的时间加上该消耗时间即得到实际时间，然后进行对时；所述的被动对时是指，中转器中设置有信号强度检测仪，中转器接收到移动节点发出的初始信号时，会计算该初始信号的强度，并将该强度数据一起转发，移动节点发送的信号强度值限定，总控即得到移动节点的信号到达第一中转器时的损耗值，通过计算得到信号传播的距离，即得到移动节点到第一中转器的距离，通过与步骤（3）中的距离对比，可得知中转器的时钟是否准确，如中转器的时间出错，则总控会发出一个对时报文，使得所有中转器进行对时。