CN109057863B - 一种基于演化硬件的井下生命探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于演化硬件的井下生命探测装置及方法，所述的演化硬件的井下生命探测装置包括现场可编程门阵列FPGA模块以及与所述FPGA模块连接的外部存储器模块、空气环境传感器模块、采空区监测模块、声光报警模块、供电模块、处理器模块以及与所述处理器模块连接的Ad Hoc通信模块、与所述处理器模块连接的433MHZ通信模块，当设备电路发生故障时，传统的修复技术已经不适用了，通过演化硬件的算法对电路重新配置能很好的解决这个问题，包括自适应型的传感器及能够适应环境的变化而变化，在运行期间增强性能或进行自我修复的演化系统，增强设备的可靠性和安全性，适合广泛的推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及井下生命探测领域，具体涉及一种基于演化硬件的井下生命探测装置和方法。
背景技术
中国是一个矿产资源大国，同时也是发生矿难的大国，每年有数以万计的矿产资源被开发利用，但是也有很多人为此牺牲，可见为了开发所付出的代价是如此之大，尤其在井下危险重重，随时都有发生矿难的危险，对于在发生矿难后需要对矿井下进行生命探测和救援，但是目前的救援技术十分有限，主要还是靠人力和现行的生命探测器发现幸存者，因为井下的情况十分严峻，目前的技术和人力的工作效率低下，远不能了解对被困井下人员的身体状况、位置等，如申请号CN201110460575.8公开了一种生命探测装置互定位方法，属于灾后救援生命探测技术领域。所述方法包括：一台主生命探测装置与至少一台从生命探测装置组成生命探测网；每台生命探测装置通过定位系统进行自身位置的定位，得到自身位置的初始坐标；每台生命探测装置通过气压测高对自身初始坐标中的高度信息进行修正；所述从生命探测装置获取所述主生命探测装置的初始坐标，通过载波相位测量得到自身位置相对于所述主生命探测装置位置的修正值，对自身位置的初始坐标进行修正。本发明通过气压测高对生命探测装置自身厨师坐标中的高度信息进行修正，再通过载波相位测量对生命探测装置之间的相对位置进行修正。可以精准的定位生命探测装置的位置，进而提高在后搜救生命探测的效率。
如申请号为CN201110252192.1本发明公开了一种搜救终端定位方法及系统，该方法包括：选取待探测的区域位置；在所述区域位置周边不同方向设置若干生命探测仪；在每个所述生命探测仪对接收到的所述求救信号的时延及强度进行监测；根据监测的结果确定所述终端的被埋位置及深度。采用本发明实施例提供的方案，可以准确有效的进行终端被埋位置、深度和位置的测定，及时高效的判断出被埋终端的位置和深度，为灾后搜救救援人员提供有效的救援指导，大大提高救援效率，能尽最大可能保证被困人员的存活率。
但是以上的现有技术通信方式单一，无法适应环境的剧烈变化，如当放生塌方、矿井瓦斯突出等问题时，通常设备的通信链路或者设备都会遭到破坏，造成整个设备系统处于瘫痪状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于演化硬件的井下生命探测装置及方法，本发明能够根据环境自适应调整通信方式，当正常工作状态下的设备电路发生故障时，传统的修复技术已经不适用了，通过演化硬件的算法对电路重新配置能很好的解决这个问题，整个系统能够根据环境的变化而变化，增强设备的可靠性和安全性。
本发明提供的一个技术方案是：一种基于演化硬件的井下生命探测装置，所述的井下生命探测装置包括现场可编程门阵列FPGA模块以及与所述FPGA模块连接的外部存储器模块、空气环境传感器模块、处理器模块以及与所述处理器模块连接的Ad Hoc通信模块、与所述处理器模块连接的433MHZ通信模块。
所述空气环境传感器模块包括空气环境传感器模块、采空区监测模块；所述空气环境传感器模块包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、温湿度传感器、火灾传感器，分别采集甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和起火情况。
所述采空区监测模块包括钻孔应力监测传感器、微震监测传感器、巷道收敛监测传感器，监测岩石的应力变化、岩体破裂产生的震动进行监测、岩体的变形滑移、断裂、脱落的监测。
演化硬件是由可编程逻辑器件和演化算法组成，演化算法为演化硬件提供了理论和方法学基础，可编程逻辑器件即FPGA模块为演化硬件提供了物质基础，所述可编程门阵列FPGA模块是由可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线组成，把可编程逻辑器件的结构位串作为染色体，通过演化算法，找出最优的染色体，下载配置位串到FPGA模块芯片上，从而对电路重新配置，从何实现根据环境的变化而变化自身以适应其生存环境；
所述处理器模块用于运行演化算法以及切换通信方式，所述演化算法可采用遗传算法实现，具体实现步骤为：步骤一、周期性的采集空气环境传感器模块和采空区监测模块中各个监测参数，每个参数作为遗传算法中染色体的基因点，多个参数组成基因片段；步骤二、当所述基因片段或者某个基因点发生突变，即判断井下环境是否发生变化，则执行步骤三；步骤三、执行系统自检，确定空气环境传感器模块和采空区监测模块中各个传感器能否正常工作，并确定通信链接是否中断，若中断，则执行步骤四；步骤四、所述处理器模块根据通信链路与各个传感器的工作情况生成FPGA配置位串，并将该FPGA配置位串配置到所述FPGA模块中的外部存储器模块中；步骤五、重启系统，完成通信方式与传感器监测节点的切换。
所述外部存储器模块4用于存储FPGA配置位串。
所述声光报警模块是与采空区监测模块和空气环境传感器模块配套使用，对监测的结果综合判断异常时，控制信号启动声光报警电路，发出声和光报警信号，完成报警目的。
所述供电模块负责其他各模块的供电需求，保证设备的正常工作。
所述处理器模块是处理通信方式的指令，运行切换通信指令切换通信方式，处理生命探测装置与终端节点的通信数据。
所述Ad Hoc通信模块是一种特殊的无线移动网络，网络中所有的手持终端作为节点，所有的节点地位平等，无需设置任何的中心控制节点，节点具有报文转发功能，具有自组织网络、多跳路由、节点定位等功能。
所述433MHZ通信模块是在发生坍塌后，其他网络不能正常通信的情况下，切换到433MHZ网络进行紧急通信，433MHZ在矿石层传输距离远大于正常巷道中的通信覆盖范围，因此电磁波433MHZ能够保证在岩石覆盖的情况下节点之间的正常通信，同时在与外界救援机器设备建立救援通信网络。
本发明还提供一种基于演化硬件的井下生命探测方法，可以采用上述装置完成以下步骤：
步骤一、采空区监测模块监测采空区参数，采空区参数包括岩石的应力变化、岩体位移，空气环境传感器模块采集环境参数，所述环境参数包括甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和火灾情况；
步骤二、所述FPGA模块将采空区监测模块和空气环境传感器模块获得的传感器参数转发至所述处理器模块，所述处理器模块根据所述采空区参数与环境参数综合判断矿井环境是否安全，综合判断数据变化异常时，光电报警模块发出报警，并运行遗传算法对各个传感器节点以及通信链路组成的染色体突变进行遗传演化，并执行步骤五，综合判断数据正常时执行步骤三；
步骤三、在环境安全时，基于AdHoc模块组成一种特殊的自组织无线移动网络，具有随时加入、多跳路由、定位功能，并且节点地位平等，有报文转发能力，工人手持节点终端与生命探测装置互联，每个手持终端有专属ID，外部存储器模块连续的采集数据的信息数据打包，记录工人节点的位置；
步骤四、当手持终端不在生命探测设备覆盖的范围内，相邻的节点终端作为路由器完成多跳路由转发；
步骤五、当矿井发生坍塌探测装置发生电路故障时或断电时，将遗传算法演化出新的FPGA配置位串，重新配置FPGA模块得到预期功能的硬件电路，以适应环境的变化。
与现有技术相比，本发明能够在外界环境变化而导致设备电路如通信链路或者传感器节点发生故障时，通过遗传算法选出最优的染色体对电路重新配置；能够结合空气监测数据和参数阈值对比，判断空气中的环境是否处于安全范围内；还能够结合采空区监测的数据是否处于异常连续的变化，判断岩体、顶板等结构是否安全。保证了在处于紧急状态下或者发生坍塌导致设备电路故障的情况下也能进行通信，为施救提供了保障。
附图说明
图1为演化硬件的井下生命探测装置图；
图2为遗传算法的配置图；
在图1-2中：1.FPGA模块、2.处理器模块、3.声光报警模块、4.外部存储器模块、5.供电模块、6.Ad Hoc通信模块、7.433MHZ通信模块、8.采空区监测模块、9.空气环境传感器模块、10.外部救援设备通信模块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在图1所示，一种基于演化硬件的井下生命探测装置，所述的井下生命探测装置包括FPGA模块1、处理器模块2、声光报警模块3、外部存储器模块4、供电模块5、Ad Hoc通信模块6、433MHZ通信模块7、采空区监测模块8、空气环境传感器模块9、外部救援设备通信模块10。
所述演化硬件是由可编程逻辑器件和演化算法组成，演化算法为演化硬件提供了理论和方法学基础，可编程逻辑器件即FPGA模块1为演化硬件提供了物质基础，所述可编程门阵列FPGA是由可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线组成，把可编程逻辑器件的结构位串作为染色体，通过演化算法，找出最优的染色体，下载配置位串到FPGA模块1芯片上，从而对电路重新配置，从何实现根据环境的变化而变化自身以适应其生存环境。
所述外部存储器模块4用于存储FPGA配置位串，实现对FPGA的编程。
所述空气环境传感器模块9包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、温湿度传感器、火灾传感器，分别采集甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和火灾。
所述采空区监测模块8包括钻孔应力监测传感器、微震监测传感器、巷道收敛监测传感器，监测岩石的应力变化、岩体破裂产生的震动进行监测、岩体的变形滑移、断裂、脱落的监测。
所述声光报警模块3是与采空区监测模块8和空气环境传感器模块9配套使用，对监测的结果综合判断异常时，控制信号启动声光报警电路，发出声和光报警信号，完成报警目的
所述供电模块5负责其他各模块的供电需求，保证设备的正常工作。
所述处理器模块2处理通信方式切换，运行切换通信指令切换通信方式，处理生命探测装置与终端节点的通信数据；所述Ad Hoc通信模块6是一种特殊的无线移动网络，网络中所有的手持终端作为节点，所有的节点地位平等，无需设置任何的中心控制节点，节点具有报文转发功能，具有自组织网络、多跳路由、节点定位等功能。
所述433MHZ通信模块7是在发生坍塌后，其他网络不能正常通信的情况下，切换到433MHZ网络进行紧急通信，433MHZ在矿石层传输距离远大于正常巷道中的通信覆盖范围，因此电磁波433MHZ能够保证在岩石覆盖的情况下节点之间的正常通信，同时在与外界救援设备通信模块10建立救援通信网络，及时救援被困人员。
实施例2
本发明还提供一种基于演化硬件的井下生命探测方法，可以采用实施例1中的上述装置，包括以下步骤：
步骤一、采空区监测模块8监测采空区参数，采空区参数包括岩石的应力变化、岩体位移，空气环境传感器模块9采集环境参数，所述环境参数包括甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和火灾情况；
步骤二、所述FPGA模块1将采空区监测模块8和空气环境传感器模块9获得的传感器参数转发至所述处理器模块2，所述处理器模块2根据所述采空区参数与环境参数综合判断矿井环境是否安全，综合判断数据变化异常时，光电报警模块发出报警，并运行遗传算法对各个传感器节点以及通信链路组成的染色体突变运行演化算法，并执行步骤五，综合判断数据正常时执行步骤三；
步骤三、在环境安全时，基于AdHoc通信模块6组成一种特殊的自组织无线移动网络，具有随时加入、多跳路由、定位功能，并且节点地位平等，有报文转发能力，工人手持节点终端与生命探测装置互联，每个手持终端有专属ID，外部存储器模块连续的采集数据的信息数据打包，记录工人节点的位置；
步骤四、当手持终端不在生命探测设备覆盖的范围内，相邻的节点终端作为路由器完成多跳路由转发；
步骤五、当矿井发生坍塌探测装置发生电路故障时或断电时，将遗传算法演化出新的FPGA配置位串，重新配置FPGA模块得到预期功能的硬件电路，以适应环境的变化。
所述步骤二中的演化算法可采用遗传算法实现，具体实现步骤为：步骤一、周期性的采集空气环境传感器模块9和采空区监测模块8中各个监测参数，每个参数作为遗传算法中染色体的基因点，多个参数组成基因片段；步骤二、当所述基因片段或者某个基因点发生突变，即判断井下环境是否发生变化，则执行步骤三；步骤三、执行系统自检，确定空气环境传感器模块9和采空区监测模块8中的各个传感器能否正常工作，并确定通信链路是否中断，若中断，则执行步骤四；步骤四、所述处理器模块2根据通信链路与各个传感器的工作情况生成FPGA配置位串，并将该FPGA配置位串配置到所述FPGA模块1中的外部存储器模块4中；步骤五、重启系统，完成通信方式与传感器监测节点的切换。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于，所述的井下生命探测装置包括现场可编程门阵列FPGA模块以及与所述FPGA模块连接的外部存储器模块、空气环境传感器模块、采空区监测模块、声光报警模块、供电模块、处理器模块以及与所述处理器模块连接的Ad Hoc通信模块、与所述处理器模块连接的433MHZ通信模块；
所述处理器模块用于处理通信方式的指令，运行切换通信指令切换通信方式，处理生命探测装置与终端节点的通信数据；
所述外部存储器模块用于存储FPGA配置位串；
所述空气环境传感器模块包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、温湿度传感器、火灾传感器，分别采集甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和火灾情况；
所述采空区监测模块包括钻孔应力监测传感器、微震监测传感器、巷道收敛监测传感器，监测岩石的应力变化、岩体破裂产生的震动进行监测、岩体的变形滑移、断裂、脱落的监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于：FPGA芯片选用Xilinx的XCV3200E芯片。
3.根据权利要求1所述的一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于：所述通信方式包括Ad Hoc通信模块和433MHZ通信模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于：Ad hoc通信模块组成一种自组织无线移动网络，能够随时加入、多跳路由、定位功能、报文转发，并且节点地位平等。
5.根据权利要求1所述的一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于：所述处理器模块用于运行演化算法。
6.根据权利要求5所述的一种基于演化硬件的井下生命探测装置，其特征在于：所述演化算法为遗传算法。
7.一种基于演化硬件的井下生命探测方法，采用如权利要求1-6中任一项的井下生命探测装置，包括如下步骤：
步骤一、采空区监测模块监测采空区参数，采空区参数包括岩石的应力变化、岩体位移，空气环境传感器模块采集环境参数，所述环境参数包括甲烷浓度、一氧化碳浓度、温湿度和火灾情况；
步骤二、所述FPGA模块将采空区监测模块和空气环境传感器模块获得的传感器参数转发至所述处理器模块，所述处理器模块根据所述采空区参数与环境参数综合判断矿井环境是否安全，综合判断数据变化异常时，声光报警模块发出报警，并运行遗传算法对各个传感器节点以及通信链路组成的染色体突变进行遗传演化，并执行步骤五，综合判断数据正常时执行步骤三；
步骤三、在环境安全时，基于Ad Hoc通信模块组成一种自组织无线移动网络，具有随时加入、多跳路由、定位功能，并且节点地位平等，有报文转发能力，工人手持节点终端与生命探测装置互联，每个手持终端有专属ID，将外部存储器模块连续的采集数据的信息数据打包，记录工人节点的位置；
步骤四、当手持终端不在生命探测设备覆盖的范围内，相邻的节点终端作为路由器完成多跳路由转发；
步骤五、当矿井发生坍塌导致探测装置发生电路故障时或断电时，将遗传算法演化出新的FPGA配置位串，重新配置FPGA模块得到预期功能的硬件电路，以适应环境的变化。
8.根据权利要求7所述的一种基于演化硬件的井下生命探测方法，其特征在于：所述步骤二中的遗传算法具体又包括如下步骤：
步骤1、周期性的采集空气环境传感器模块和采空区监测模块中各个监测参数，每个参数作为遗传算法中染色体的基因点，多个参数组成基因片段；
步骤2、当所述基因片段或者某个基因点发生突变，即判断井下环境是否发生变化，则执行步骤3；
步骤3、执行系统自检，确定空气环境传感器模块和采空区监测模块中各个传感器能否正常工作，并确定通信链接是否中断，若中断，则执行步骤4；
步骤4、所述处理器模块根据通信链路与各个传感器的工作情况生成FPGA配置位串，并将该FPGA配置位串配置到所述FPGA模块中的外部存储器模块中；
步骤5、重启系统，完成通信方式与传感器监测节点的切换，结合采空区监测力的异常变化和空气环境传感器模块的数据是否在正常的阈值范围内，综合两者对周围综合判断环境是否安全。
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