CN105549066A - 生命信息探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生命信息探测方法，属于灾后生命信息探测与搜救领域，所述方法包括：步骤1：利用多个拾震传感器对待搜救区域中被困人员的敲击信号进行信号采集；步骤2：利用STA/LTA算法对采集到的信号进行识别，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔；步骤3：根据预先定义的由脉冲频次和时间间隔组成的敲击规则，对识别后的信号进行解译，得到敲击信号所对应的求救信息；步骤4：在显示屏上显示所述求救信息。本发明通过拾取被困人员的敲击信号判断其生命状态，通过信号解译可判断其被困人员所发出的求救信息。本发明能够有效实现被困人员生命信息的探测。

Description

生命信息探测方法

技术领域

本发明涉及灾后生命信息探测与搜救领域，特别是指一种生命信息探测方法。

背景技术

近年来，我国高速公路、城市轨道、资源开发等与地下开挖有关的工程建设发展迅猛，伴随着公路里程拓展的同时，在建隧道灾害事故也频频发生且日趋严重。隧道发生灾变时，在救援的“黄金72小时”内，迫切需要了解受困人员状态信息。隧道灾变多发生在初衬段和掘进工作面，初衬段塌方隔断隧道，工作面前方施工人员受困，无法与外界正常通讯和交流，掘进工作面灾变多为大量岩石涌出。隧道救援系统首先要解决的是能在发生灾变后，隧道隔断的情况下与受困人员双向通讯，及时了解受困人员状态；在灾变严重不能双向通讯的情况下，也能了解受困人员发出的求救信息，制定最有效的救援方案。

目前国内适用于隧道应急救援设备产品鲜有创新，应用较广产品主要有音视频搜救仪、红外线搜救仪等，其性能和应用条件都受到很多限制，在条件较为恶劣的情况下，都不能有效地实现被困人员生命信息的探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够有效实现被困人员生命信息探测的生命信息探测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种生命信息探测方法，包括：

步骤1：利用多个拾震传感器对待搜救区域中被困人员的敲击信号进行信号采集；

步骤2：利用STA/LTA算法对采集到的信号进行识别，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔；

步骤3：根据预先定义的由脉冲频次和时间间隔组成的敲击规则，对识别后的信号进行解译，得到敲击信号所对应的求救信息；

步骤4：在显示屏上显示所述求救信息。

进一步的，所述步骤1采用触发式信号采集方式，并且所述步骤1包括：

步骤11：确认单个拾震传感器对应的通道达到预设的触发条件；

步骤12：确认有效通道总数达到设定值，并进行信号采集。

进一步的，所述步骤11中触发条件包括第一触发条件和第二触发条件，其中：

所述第一触发条件为：在一个采样时间内，MAX/M≥预设的长时窗阈值，其中MAX为长时窗内的最大值，M为基准值，通过对背景噪声取绝对平均值得到；

所述第二触发条件为：在一个采样时间内，SM/M≥预设的短时窗阈值，其中SM为取短时窗绝对平均值。

进一步的，所述采样时间的长度为：敲击规则中最大脉冲频次×敲击规则中相邻脉冲之间最大时间间隔+滞后点数，其中所述滞后点数为一个采样时间内首次触发脉冲前保留的数据点数。

进一步的，所述M为基准值，通过将滞后点区域作为背景噪声取绝对平均值得到。

进一步的，所述步骤2包括：

步骤21：计算长时窗内的平均值和短时窗内的平均值；

步骤22：计算长时窗内的平均值与短时窗内的平均值的比值，当该比值大于设定的阈值时，确认为一次敲击脉冲；

步骤23：统计敲击脉冲的次数以及每次敲击脉冲对应的时间，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔。

进一步的，所述步骤23之后还包括：

步骤24：对得到的敲击信号的脉冲频次和时间间隔进行校正：

当敲击脉冲的幅值大于设定的阀值，并且当前敲击脉冲与前一个确定的敲击脉冲之间的时间间隔大于短时窗的长度时，确认当前敲击脉冲为有效的敲击脉冲，否则，舍弃该当前的敲击脉冲；

根据最后确认的有效的敲击脉冲，取相邻敲击脉冲之间的最大时差作为时间间隔。

进一步的，所述阀值为：F＝M+a×S，其中M为采样时间内的平均值，S为采样时间内的标准差，a为调节系数。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过拾取被困人员的敲击信号判断其生命状态，通过信号解译可判断其被困人员所发出的求救信息。以往被困人员敲击管道或者墙壁的声音只能通过人耳或者声音探测接收，距离较近而且容易受到噪声的干扰，此发明基于震动监测原理可以扩大探测范围和精度。本发明能够有效实现被困人员生命信息的探测。

附图说明

图1为本发明的生命信息探测方法的原理示意图；

图2为本发明的生命信息探测方法的流程示意图；

图3为本发明中有效事件判别流程示意图；

图4为本发明中长短时窗以及滞后点区域的波形示意图；

图5为本发明中对脉冲频次和时间间隔进行统计时的波形示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的核心技术是微震监测原理。当求救人员敲击岩石或结构体时，引起结构体脉冲型和整体波动型复合震动，能量以弹性波的形式向四周扩散，在结构体内的表现表式为震动波(包括P波、S波和面波等)，在空气中的表现形式为声波。弹性波通过围岩体介质传播，被预先布设在塌方体外围的拾震传感器感应，并被主机设备接收、记录、解译及显示，最终实现被困人员生命信息的探测。

求救敲击信号在时域波形图上反映的是脉冲信号，根据脉冲频次和时间间隔，制定相应的敲击规则，通过解析时域波形中的脉冲，可以直观反映敲击人的表达信息。

本发明提供的生命信息探测方法，如图1-2所示，包括：

步骤1：利用多个拾震传感器对待搜救区域中被困人员的敲击信号进行信号采集；

本步骤中，拾震传感器可安装在隧道围岩、初支、钢拱架、地面等位置，其中安装在地面上，求救震动信号接收效果最好。当结构体内出现震动时，拾震传感器即可将其拾取并将这种震动的物理量转换为电压量变化，通过多点同步采集测定各拾震传感器接收到的震动信号和发生时刻。

步骤2：利用STA/LTA算法对采集到的信号进行识别，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔；

步骤3：根据预先定义的由脉冲频次和时间间隔组成的敲击规则，对识别后的信号进行解译，得到敲击信号所对应的求救信息；

步骤4：在显示屏上显示所述求救信息。

本发明通过拾取被困人员的敲击信号判断其生命状态，通过信号解译可判断其被困人员所发出的求救信息。以往被困人员敲击管道或者墙壁的声音只能通过人耳或者声音探测接收，距离较近而且容易受到噪声的干扰，此发明基于震动监测原理可以扩大探测范围和精度。本发明能够有效实现被困人员生命信息的探测。

本发明中，根据敲击信号的突变特征，信号采集优选为触发式采集，为了提高事件筛选速度，步骤1优选包括：

步骤11：确认单个拾震传感器对应的通道达到预设的触发条件；

本步骤中，如果单个拾震传感器对应的通道达到预设的触发条件，则执行下一步骤；如果没有拾震传感器达到预设的触发条件，则不执行下一步骤。

步骤12：确认有效通道总数达到设定值，并进行信号采集。

本步骤中，如果有效通道总数达到设定值，则判定为有效事件，此时进行信号采集，并且可以将采集到的数据保存在硬盘中；如果有效通道总数未达到设定值，则判定为无效事件，可以不进行信号采集。

拾震传感器触发式采集的判定条件可以包括单通道阈值判别和多通道采样条件判别，步骤11即对应单通道阈值判别，步骤12即对应多通道采样条件判别。

具体的，上述步骤11中触发条件优选包括第一触发条件和第二触发条件，其中：

第一触发条件为：在一个采样时间内，MAX/M≥预设的长时窗阈值，其中MAX为长时窗内的最大值，M为基准值，通过对背景噪声取绝对平均值得到；

第二触发条件为：在一个采样时间内，SM/M≥预设的短时窗阈值，其中SM为取短时窗绝对平均值。

第一触发条件和第二触发条件是逻辑与关系，也就是要同时达到才能达到该通道采样条件，即为该通道的有效事件。第一触发条件和第二触发条件中，采样时间的长度、长时窗的时间长度、短时窗的时间长度、长时窗阈值、短时窗阈值可以由用户事先在软件界面上设置，具体数值大小由本领域技术人员根据经验设定即可，此处不再赘述。

进一步的，采样时间的长度优选为：敲击规则中最大脉冲频次×敲击规则中相邻脉冲之间最大时间间隔+滞后点数，其中滞后点数为一个采样时间内首次触发脉冲前保留的数据点数，参见图4。在图4所示的采样时间内包含一组敲击信号。按设定的时间取长时窗和短时窗数据，为方便计算，优选取滞后点区域(即滞后点所对应的区域)作为背景噪声取其绝对平均值作为上述基准值M。

具体的，上述步骤12可以是：在各单通道达到各自的有效事件的基础上，进行多通道间的有效事件判别，设置N个通道进行阈值判别，N通道之间为与逻辑关系，由用户设置达到有效事件的通道数O(O≤N)。当达到O通道的长时窗数据同时收到有效事件(满足第一触发条件和第二触发条件)为最终有效事件，才能进行数据保存。具体可以保存两种数据：

①每个通道保存长时窗内的最大值和时间，用于统计各通道的频次和能量。

②触发事件保存设定长度的所有信号数据，用于触发事件的信息搜索。

上述步骤11-12具体的判别流程可以参考图3。

本发明中，上述步骤2中，敲击脉冲频次统计是采用STA/LTA算法，是目前地震预警系统中最常用的P波判断方法之一，它是基于所要提取的信号与场地噪音的特征不同来自动提取震相的，STA/LTA比值反映了信号水平或能量的变化。该方法可以根据场地噪音水平来实时调整算法对噪音的敏感度，STA衡量地震信号的变化，用来监测地震，变化较快，它对时间序列的幅值快速变化很敏感；而LTA衡量场地的噪音水平，变化较缓慢。当地震波达到时，STA的变化远大于LTA，因而STA/LTA比值就会有突变，当突变值超过一定阈值后，即变为P波到达，见图4。

具体的，上述步骤2可以包括：

步骤21：计算长时窗内的平均值和短时窗内的平均值；

例如：

$STA\left(n\right)=\frac{1}{s}\underset{i=n-s+k}{\overset{n+k}{\Σ}}\left|x_i\right|---\left(1\right)$

s为短窗口的长度；|x_i|为i时刻震动波振幅的绝对值。k为时窗向前移动的长度。n为窗口当前所在位置。

$LTA\left(n\right)=\frac{1}{l}\underset{i=n-l+k}{\overset{n+k}{\Σ}}\left|x_i\right|---\left(2\right)$

l为长窗口的长度；|x_i|为i时刻震动波振幅的绝对值。k为时窗向前移动的长度。n为窗口当前所在位置。

步骤22：计算长时窗内的平均值与短时窗内的平均值的比值，当该比值大于设定的阈值时，确认为一次敲击脉冲；

例如：λ为初设的触发阈值(门槛值)，敲击波相对背景噪声震动来说是一个突发性的脉冲信号，用长时窗的平均值作为采样时间内的数据样本水平，短时窗内的平均值在遇到脉冲突变时会有明显变化，用短时窗比长时窗的值进行移动搜索，比值大于设定的λ时，就能检测到相对背景噪声的突变信号。λ的值可根据现场背景噪声情况调节。

$\frac{STA\left(n\right)}{LTA\left(n\right)}=\frac{l}{s}\frac{\underset{i=n-s+k}{\overset{n+k}{\Σ}}\left|x_i\right|}{\underset{i=n-l+k}{\overset{n+k}{\Σ}}\left|x_i\right|}\≥\mathrm{\λ}---\left(3\right)$

步骤23：统计敲击脉冲的次数以及每次敲击脉冲对应的时间，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔。

本步骤中，当达到触发阈值时，确认为一次敲击脉冲，通过统计设定时间内的所有数据，可得到脉冲的发生频次和每个频次对应的时间，相邻频次之间的时间间隔就确定了。

本发明中，为提高探测的准确率，上述步骤23之后优选还包括：

步骤24：对得到的敲击信号的脉冲频次和时间间隔进行校正：

当敲击脉冲的幅值大于设定的阀值，并且当前敲击脉冲与前一个确定的敲击脉冲之间的时间间隔大于短时窗的长度时，确认当前敲击脉冲为有效的敲击脉冲，否则，舍弃该当前的敲击脉冲；

根据最后确认的有效的敲击脉冲，取相邻敲击脉冲之间的最大时差作为时间间隔。

具体的，参见图5，根据设定的短时窗长度为单位分块，分别取每个短时窗内的最大值和对应的时间索引号。

计算阀值：采集的样本数据分块处理后，需要检测峰值分布情况，才能进一步确定脉冲的数量(频次)。以每块采集样本平均值为基线，标准差是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。它反映组内个体间的离散程度。是一组数据平均值分散程度的一种度量。一个较大的标准差，代表大部分数值和其平均值之间差异较大；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值。

例如，两组数的集合{0,5,9,14}和{5,6,8,9}，其平均值都是7，但第二个集合具有较小的标准差。

所以，通过计算采集数据平均值和标准差就可以设定一个阈值，用来确定每块数据中的峰值分布情况。计算采样时间内的平均值M和标准差S，设定调节系数a(为大于1或小于1的系数，根据实际需要确定)，通过a来调节阀值大小，阀值F＝M+a×S。

频次统计：判别条件设为幅值>阀值，并且当前值对应的时间与前一个判别结果对应的时间大于短时窗的长度。所有满足以上条件的数据个数就是脉冲频次。在同一块数据中有可能会有多个值达到了阀值，考虑到敲击之间的时间间隔小于短时窗参数就可以排除同一块数据中的多个峰值，取最大值作为一次脉冲统计。

时间间隔统计：超过阀值的数据对应的时间坐标依次取差，取最大时差作为时间间隔。

本发明中，上述步骤3可以参考如下：

搜索数据库对应信息：

根据时间间隔升序读取数据库中的所有规定信息。首先可以由频次过滤符合条件的信息，然后再根据时间间隔判别对应的第一个信息：

时间间隔<表1中的规定的时间间隔。

本发明中，预先定义了敲击规则，敲击规则由脉冲频次和时间间隔组成，具体可以参考如下表1。

根据敲击信号突变的特点，像莫尔斯码一样，敲击的时间间隔和频次表达一定的信息，信息采用时间间隔和频次两个参数来描述就可以进行量化判别，每组参数定仪一个事件信息内容，事件信息可由用户自定义。

表1

序号	时间间隔	脉冲频次	事件
				1	1	2	消息1
2	3	2	消息2
				3	3	3	消息3
4	5	2	消息4

5

5

3

消息5

本实施例中，要求所有的事件频次必须在设定的采样长度内完成采集，采样长度最小应大于最大时间间隔，并包含对应的最大频次。频次作为绝对判别条件，时间间隔是根据前后时间区间判别。第一段时间间隔A为最小时间间隔，最小时间间隔从0开始，一个脉冲就可以表达一种信息。相邻脉冲的时间间隔小于第一段时间间隔A的都满足条件，它对应的脉冲频次可以从1开始，不同的脉冲频次对应不同的消息。后一段时间间隔B必须大于前一段时间间隔A(如表中3>1，后续5>3)，时间间隔是前一时间段与当前时间段的间隔，如果是一个脉冲，判别结果对应的是第一时间段，所以开始频次只能从2开始。只要相邻的脉冲时间间隔有一个大于前一时间段，获取后一时间段内频次对应的信息。

例如：一个采样时间内，确定有两个脉冲，该两个脉冲之间的时间间隔大于短时窗长度(例如0.1秒)小于1s，则触发消息1；

例如：一个采样时间内，确定有两个脉冲，该两个脉冲之间的时间间隔大于1s小于3s，则触发消息2；

再例如：一个采样时间内，确定有三个脉冲，前两个脉冲之间的时间间隔大于1s小于3s，后两个脉冲之间的时间间隔也大于1s小于3s，则触发消息3；

再例如：一个采样时间内，最大间隔为5秒，最大频次为3次，前一时间间隔为3秒，任意两次相邻的脉冲之间要大于3秒才能进入5秒的判别区间，最理想的情况下，第一个脉冲前有设定的滞后点数，如200个点，设采样频率SF＝1024Hz，滞后点对应的时间为：200/1024＝0.195秒，第一个脉冲到第二个脉冲之间为3秒，第三个脉冲与第二个脉冲之间只要大于设定的短时窗长度0.1秒，就可以触发消息5。

以上所有时间加起来，理想最小采样时间长度为：3.3秒。考虑到认为控制敲击时间差的误差，所以采样时间要长一些。采样时间长度就成为仪器判别有效事件的最大延迟时间。

本发明中，上述步骤4可以采用列表滚动显示判别结果。信息数据库中没有对应的信息时，可以提示“调入事件解析...”，双击提示信息可直接打开触发事件波形，进行人为判别。

综上，本发明通过拾取被困人员的敲击信号判断其生命状态，通过信号解译可判断其被困人员所发出的求救信息。以往被困人员敲击管道或者墙壁的声音只能通过人耳或者声音探测接收，距离较近而且容易受到噪声的干扰，此发明基于震动监测原理可以扩大探测范围和精度。本发明能够有效实现被困人员生命信息的探测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生命信息探测方法，其特征在于，包括：

步骤1：利用多个拾震传感器对待搜救区域中被困人员的敲击信号进行信号采集；

步骤2：利用STA/LTA算法对采集到的信号进行识别，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔；

步骤3：根据预先定义的由脉冲频次和时间间隔组成的敲击规则，对识别后的信号进行解译，得到敲击信号所对应的求救信息；

步骤4：在显示屏上显示所述求救信息。

2.根据权利要求1所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述步骤1采用触发式信号采集方式，并且所述步骤1包括：

步骤11：确认单个拾震传感器对应的通道达到预设的触发条件；

步骤12：确认有效通道总数达到设定值，并进行信号采集。

3.根据权利要求2所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述步骤11中触发条件包括第一触发条件和第二触发条件，其中：

所述第一触发条件为：在一个采样时间内，MAX/M≥预设的长时窗阈值，其中MAX为长时窗内的最大值，M为基准值，通过对背景噪声取绝对平均值得到；

所述第二触发条件为：在一个采样时间内，SM/M≥预设的短时窗阈值，其中SM为取短时窗绝对平均值。

4.根据权利要求3所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述采样时间的长度为：敲击规则中最大脉冲频次×敲击规则中相邻脉冲之间最大时间间隔+滞后点数，其中所述滞后点数为一个采样时间内首次触发脉冲前保留的数据点数。

5.根据权利要求3所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述M为基准值，通过将滞后点区域作为背景噪声取绝对平均值得到。

6.根据权利要求1-5中任一所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21：计算长时窗内的平均值和短时窗内的平均值；

步骤22：计算长时窗内的平均值与短时窗内的平均值的比值，当该比值大于设定的阈值时，确认为一次敲击脉冲；

步骤23：统计敲击脉冲的次数以及每次敲击脉冲对应的时间，得到敲击信号的脉冲频次和时间间隔。

7.根据权利要求6所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述步骤23之后还包括：

步骤24：对得到的敲击信号的脉冲频次和时间间隔进行校正：

当敲击脉冲的幅值大于设定的阀值，并且当前敲击脉冲与前一个确定的敲击脉冲之间的时间间隔大于短时窗的长度时，确认当前敲击脉冲为有效的敲击脉冲，否则，舍弃该当前的敲击脉冲；

根据最后确认的有效的敲击脉冲，取相邻敲击脉冲之间的最大时差作为时间间隔。

8.根据权利要求7所述的生命信息探测方法，其特征在于，所述阀值为：F＝M+a×S，其中M为采样时间内的平均值，S为采样时间内的标准差，a为调节系数。