CN111288911A - 一种基于救生舱的救援井变形监测方法 - Google Patents

一种基于救生舱的救援井变形监测方法 Download PDF

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顾海荣
张雅倩
郭项伟
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Changan University
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical means
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本发明公开了一种基于救生舱的救援井变形监测方法,采集救援井救生舱到井壁的距离数据,转化为电信号后经通信节点传输至模数转换模块,模数转换模块将电信号转化为数字信号后经信号传输通道传送至上位机用于处理及显示;上位机将接收的数据导入数据库中进行存储处理,获得东西坐标、南北坐标、井深和井筒半径数据;通过数据接口读取处理后的数据,井深、东西坐标和南北坐标形成三维坐标点;结合圆半径数据形成多个圆心坐标以及半径各异的圆截面,最终形成三维轨迹图;根据获得的三维轨迹图对救援井救生舱的危险与否进行判断,对救援井变形情况进行监测。本发明在保证安全转移被困人员的同时能够及时预防未知性危险,保证救援工作更高效完成。

Description

一种基于救生舱的救援井变形监测方法
技术领域
本发明属于矿难应急救援技术领域,具体涉及一种基于救生舱的救援井变形监测方法,能够在矿难救援过程中协助高效救出被困人员,预防未知性风险。
背景技术
钻孔救援是近年来矿难应急救援领域出现的一种新型救援方式,通过地面钻竖直孔构造救援井,使用救生舱将被困人员提升至地面,已在全世界范围内多次成功运用,但钻孔救援尚处于发展阶段,信息化程度薄弱。救援提升过程中随时可能发生不可预测的突发性事故,以往的矿用救生舱仅能够实现被困人员的转移与保护,但无法探测救援井状况,不能够预防危险。钻孔救援需要更先进的技术和更具体的救援井状态信息,保证救援过程的顺利进行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于救生舱的救援井变形监测方法,在保证安全转移被困人员的同时能够及时预防未知性危险,保证救援工作更高效完成。
本发明采用以下技术方案:
一种基于救生舱的救援井变形监测方法,包括以下步骤:
S1、使用激光位移传感器采集矿井救生舱到井壁的距离数据,将采集的距离数据转化为电信号后经通信节点传输至模数转换模块,模数转换模块将电信号转化为数字信号后经信号传输通道传送至上位机用于处理及显示;
S2、上位机将接收的数据导入数据库中进行存储处理,获得东西坐标、南北坐标、井深和井筒半径四组数据;
S3、通过数据接口读取处理后的数据,井深、东西坐标和南北坐标形成三维坐标点;结合圆半径数据形成多个圆心坐标以及半径各异的圆截面,最终形成井眼三维轨迹图;
S4、根据步骤S3获得的三维轨迹图对矿井救生舱的圆心坐标进行判断,对井筒变形情况进行监测。
具体的,步骤S1中,激光位移传感器至少包括三个,呈120°间隔设置。
具体的,激光位移传感器包括六个,呈60°间隔设置,六个激光位移传感器的测量射线共面,六个激光位移传感器的射线反相延长线相交于一点。
进一步的,六个激光位移传感器在井壁上形成六个光点,每三个光点构造一个以井壁为外接圆的三角形,解析三角形模型确定对应高度的井筒半径。
具体的,以x轴为水平面水平方向,表示井筒每个截面的东西偏移量;以y轴为水平面垂直方向,表示井筒每个截面的南北偏移量;以z轴为竖直面,表示井深。
具体的,步骤S3具体为:
S301、绘制井筒三维立体框架图,标识刻度值;
S302、将圆心坐标转化为三维空间点;
S303、以字符串形式读取半径并保存为字符数组,进一步转化为浮点型数据类型;每一个空间点坐标结合对应的半径形成一个圆截面,所有的数据结合起来形成多个圆截面,构成井眼三维轨迹图。
进一步的,步骤S301中,x轴箭头指向正东方向,表示井筒水平面水平方向圆心偏离标准井筒圆心数值;y轴箭头指向正南方向,指井筒水平面竖直方向圆心偏离标准井筒圆心数值;z轴箭头从上指向下,即井筒最上方为初始水平面,刻度值为零,从上至下刻度值增大。
进一步的,步骤S302中,以字符串形式按列读取处理后的东西坐标、南北坐标以及井深,并保存为字符数组,转换为双精度类型数组;将实际数据除以比例因子,确定最终三维空间点。
具体的,步骤S4中,判断圆心坐标是否偏离预设值或圆半径与预设半径的差值,通过显示不同颜色进行预警;通过对危险部分局部放大监测井筒变形情况;如果观察到不同颜色的轨迹,需要停止提升,将被困人员放置矿井下端避难所处;等到危险部分情况处理结束后,再将被困人员运送至地面。
进一步的,井筒变形包括横向变形和纵向变形,横向变形包括圆心位置偏移量以及变形前后半径差,当圆心坐标偏移量超过临界值时,改变轨迹颜色;当井筒变形前后半径差超过临界值,改变轨迹颜色;对于纵向变形,根据井筒变形前井眼轨迹与变形后井眼轨迹进行对比。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种基于救生舱的救援井变形监测方法,根据救援井救生舱到井壁的距离数据,在救生舱运行过程中实时监测到井筒变形,根据变形情况及时控制救生舱运行速度,很大程度提高了救援效率。
进一步的,测量系统仅需要三个激光位移传感器,不需要旋转机构及编码器,结构简单,测量过程中单次的激光位移传感器读数即可通过上位机计算得出井眼内径值,测量效率高。
进一步的,救生舱运行过程中,数据处于变化中,由于数据库提供了数据语序之间的独立性,因此不需要人为改变程序,适用性强。另外数据库具有强大的数据处理功能,对数据的修改统一进行管理和控制而且可以建立动态数据库,大大提高效率,方便用户使用。
进一步的,不同的井筒对应的东西坐标、南北坐标以及井深数据不一样,在实际对象发生变化时,只需要更改比例因子即可,不需要重新配置软件,不需要对硬件电路进行改动,程序可以通用化,方便灵活,可适用性强。
进一步的,最终三维轨迹会对危险处进行不同颜色标记,直接反馈给人员,便于调整起升控制系统,并且针对危险部分增加平移、旋转、放大功能,方便进一步观察井筒实时变形,提高救援效率。
综上所述,本发明在保证转移被困人员的同时能够及时预防未知性危险,保证救援工作更高效完成。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明监测变形方法信号流程图;
图3为本发明连接装置示意图;
图4为本发明监测变形方法原理图;
图5为本发明的一种三维轨迹图;
图6为本发明的另一种三维轨迹图。
其中:1.信号传输通道;2.激光位移传感器观察窗;3.设备舱;4.生存舱;5.舱门;6.电缆钢丝绳;7.通信节点。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图2,本发明提供了一种基于救生舱的救援井变形监测方法,包括以下步骤:
S1、位于设备舱内的激光位移传感器采集矿井救生舱到井壁的距离数据,转化为电信号后经通信节点传输至地面的模数转换模块,通过模数转换模块转化为数字信号后经信号传输通道传送至上位机处理及显示;
激光位移传感器包括六个,六个传感器射线反相延长线相交于一点,六个激光位移传感器的测量射线共面,测量射线相互间隔60°设置。
激光位移传感器首先在井壁上形成六个光点,每三个光点构造一个以井壁为外接圆的三角形,通过解析该三角形模型可得出井筒的直径大小。
设三角形ABC面积为S,根据海伦公式,有:
采用三角形外接圆法计算井筒直径,井筒半径R为:
其中,AB、BC、AC为由井眼三点形成的三角形三边长。
利用激光三角法原理,激光位移传感器首先在井壁上形成6个光点,其中每三个点为一组可构造一个以井壁为外接圆的三角形,可有20组,即可构建20个以井壁为外接圆的三角形,通过解析每组三角形模型,可得出井壁的半径大小,最后取最小半径值作为对应高度井筒的半径值。
请参阅图4,O1是救生舱中心位置,O为被测井筒的截面圆心,P1,P2,P3是布置在设备舱内的三个激光位移传感器,A,B,C为激光位移传感器在井壁上成的点。
根据激光位移传感器的特性得到AP1,BP2,CP3的距离,已知救生舱半径r,则确定AO1,BO1,CO1的距离,由于激光位移传感器之间成120°布置,根据余弦定理得到三角形三边长AB,AC,BC。
S2、上位机将接收的数据导入数据库中进行存储处理,获得东西坐标、南北坐标、井深、井筒半径数据;
x轴为水平面水平方向,实际意义代表井筒每个截面东西偏移量;
y轴为水平面垂直方向,实际意义代表井筒每个截面南北偏移量;
z轴为竖直面,实际意义代表井筒深度。
S3、通过数据接口读取处理后的数据,将每组数据组成数组,最终形成三维坐标点;结合圆半径数据,形成三维轨迹图;
S301、绘制三维立体框架图,标识刻度值;
x轴箭头指向正东方向,指井筒水平面水平方向圆心偏离标准井筒圆心数值;
y轴箭头指向正南方向,指井筒水平面竖直方向圆心偏离标准井筒圆心数值;
z轴箭头从上指向下,即井筒最上方为初始水平面,刻度值为零,从上至下刻度值增大。
此坐标系x轴、y轴、z轴都对应具体的实际意义,同时适用于一般矿井井筒,具有普遍性。
S302、将圆心坐标转化为三维空间点;
以字符串形式按列读取处理后的东西坐标、南北坐标以及井深,并保存为字符数组,转换为双精度类型数组;
将实际数据除以比例因子,最终存为三维空间点;
三维空间点的数据类型必须为双精度类型,所以需要进行字符数组转化。另井筒实际数据过大,除以比例因子井眼轨迹后方可完全显示在图形中。不同的井筒对应的东西坐标、南北坐标以及井深数据大小程度不一样,在实际对象发生变化时,只需要改变程序中的比例因子,方可将井眼轨迹全部显示在图形中,适应性强。
S303、以字符串形式读取半径并保存为字符数组,进一步转化为浮点型数据类型。后续判断条件中需要用到半径,要求其类型为浮点型数据类型;每一个空间点坐标结合对应的半径形成一个圆截面,所有的数据结合起来形成多个圆截面,进而构成井眼轨迹。
S4、判断圆心坐标是否偏离预设值或圆半径与预设半径的差值,通过显示不同颜色进行预警;通过危险部分局部放大进一步及时了解井筒变形情况控制起升控制系统;如果观察到不同颜色的轨迹,需要停止提升,将被困人员放置矿井下端避难所处;等到危险部分情况处理结束后,再将被困人员运送至地面。
井筒变形有横向变形与纵向变形。
对于横向变形分为圆心位置偏移量以及变形前后半径差。针对这两种情况设定临界值,圆心坐标偏移量过大超过临界值,改变轨迹颜色为红色,变形前后半径差超过临界值,改变轨迹颜色为蓝色,两种情况都没有超过临界值为黄色。
对于纵向变形,设置变形前井眼轨迹与变形后井眼轨迹进行对比。整个界面的显示颜色容易区分,方便人眼观察。
请参阅图1,矿井救生舱包括连接装置、设备舱3和生存舱4,设备舱3位于生存舱4上部,通过连接装置于生存舱连接,设备舱3内部设置有紧急供氧装置,紧急供氧装置的氧气瓶通过管路连接至生存舱,为逃生人员提供急救,生存舱4内配备有小型照明装置、小型急救医药箱以及舱门5,小型照明装置位于生存舱3的侧面,小型急救医药箱位于生存舱3内部,方便逃生人员进行自救;舱门5为推拉舱门,采用高强度材料符合国家标准,起升控制系统通过连接装置的电缆钢丝绳6将矿井救生舱放入井下被困人员避难处,打开舱门5,逃生人员进入生存舱4,通过起升控制系统缓慢提升矿井救生舱。
紧急供氧装置氧气瓶位于设备舱节省了生存舱空间,便于逃亡人员更好的救援。生存舱内设有小型照明装置、小型急救医药箱,便于逃亡人员快速进行自救,提高救援效率。
请参阅图3,连接装置包括电缆钢丝绳6,电缆钢丝绳一端结合起吊装置通向地面,另一端连接矿井救生舱内部通信节点7。
连接装置采用电缆钢丝绳,既可以传递信号,又可以承受救生舱重量,因此救生舱可以保持持续通信,保障救生功能的及时性。
设备舱3内部还设置有监测系统,监测系统包括六个激光位移传感器、采集卡装置、模数转换模块及上位机,设备舱3内的激光位移传感器发射信号将传感器到井壁的距离转化为电信号,经通信节点7结合提升系统传输至地面的模数转换模块,再转化为数字信号后经信号传输通道传送至上位机处理及显示。
设备舱3内部设有六个观察窗,六个观察窗采用防爆玻璃材料成60°布置。
在观察窗位置对应设置有六个保护壳,保护壳用于固定激光位移传感器,保护壳上设有一个圆孔,作为激光位移传感器的接线通道,六个激光位移传感器位于六个观察窗位置。
激光位移传感器的接口在救生舱内部连接至通信节点,进而结合提升控制系统再连接到地面的模数转换模块,进一步连接上位机。
本发明监测方法无需保证救生舱的对中性,井筒中心与救生舱中心并不在同一位置,但不会影响测试结果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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
搭建实验平台模拟矿井环境,实现矿井救援过程中井筒变形监测。采用非接触式井径测量装置模拟救生舱,电机带动提升系统,人为施加载荷。通过实验模拟,最终形成井筒三维轨迹,可以观测到危险截面显示不同颜色,并与变形前形成对比,为救援情况带来便利。
请参阅图5和图6,在运行过程中,观测到深色,停止井径测量装置的运行。图为两次实验局部放大图,深色部分分别表示圆心坐标偏移量超过临界值和半径小于临界值,浅色部分表示安全部分。
在图5和图6的图形显示过程中,比例因子以及临界值的设置仅针对模拟实验的两组数据,不同的矿井环境可针对具体环境设置合适的比例因子以及临界值。
其中,圆心坐标偏移量以及半径临界值不同,危险部分位置不同;比例因子不同,则图形显示井筒轨迹粗细不同。
本发明一种基于救生舱的救援井变形监测方法的配置开发环境具体为:
创建窗体应用程序,添加动态链接库以及工具箱控件,用于后续绘图。
本发明运用C#语言结合OpenGL类库进行环境搭建;初始化背景颜色为白色,给人更好的视觉效果,同时预防后续绘图使用预警颜色与背景颜色形成冲突;
在将数据存入数据库过程中,导入预先采集好的圆心坐标以及圆半径,对圆心坐标以及圆半径进行存储、处理,获得东西坐标、南北坐标、井深以及半径数据。
软件汇编具体为:
在配置好的环境中,连接数据库读取数据,绘制立方体框架以及刻度值,将表格中的圆心坐标转化为三维空间点,结合计算出的半径,形成井眼轨迹。实时三维井眼轨迹在变化过程中危险部分(即井筒直径变化超过安全范围或者所测井筒中心位置与要求中心位置偏差过大)会标注不同颜色的警告,为人为控制提升控制系统提供参考。而且对危险部分增加局部放大功能,方便进一步观察危险部分变形情况。
在人眼观察到红色与蓝色轨迹时(即危险部分),可以将这一部分轨迹进行放大,更具体的观察到井筒变形,为下一步的救援工作带来便利。
采用鼠标控制井眼轨迹平移、放大以及旋转,操作更加简便。
综上所述,本发明一种基于救生舱的救援井变形监测方法,基于软件配置环境下研究与开发,监测方法通过程序编程实现。改变监测对象时,只需要更改读入的数据表格位置、比例因子即可,不需要重新配置软件,不需要对硬件电路进行改动,程序可以通用化,方便灵活,适用范围广。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于救生舱的救援井变形监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、使用激光位移传感器采集矿井救生舱到井壁的距离数据,将采集的距离数据转化为电信号后经通信节点传输至模数转换模块,模数转换模块将电信号转化为数字信号后经信号传输通道传送至上位机用于处理及显示;
S2、上位机将接收的数据导入数据库中进行存储处理,获得东西坐标、南北坐标、井深和井筒半径四组数据;
S3、通过数据接口读取处理后的数据,井深、东西坐标和南北坐标形成三维坐标点;结合圆半径数据形成多个圆心坐标以及半径各异的圆截面,最终形成井眼三维轨迹图;
S4、根据步骤S3获得的三维轨迹图对矿井救生舱的圆心坐标进行判断,对井筒变形情况进行监测。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S1中,激光位移传感器至少包括三个,呈120°间隔设置。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,激光位移传感器包括六个,呈60°间隔设置,六个激光位移传感器的测量射线共面,六个激光位移传感器的射线反向延长线相交于一点。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,六个激光位移传感器在井壁上形成六个光点,每三个光点构造一个以井壁为外接圆的三角形,解析三角形模型确定对应高度的井筒半径。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S2中,以x轴为水平面水平方向,表示井筒每个截面的东西偏移量;以y轴为水平面垂直方向,表示井筒每个截面的南北偏移量;以z轴为竖直面,表示井深。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S3具体为:
S301、绘制井筒三维立体框架图,标识刻度值;
S302、将圆心坐标转化为三维空间点;
S303、以字符串形式读取半径并保存为字符数组,进一步转化为浮点型数据类型;每一个空间点坐标结合对应的半径形成一个圆截面,所有的数据结合起来形成多个圆截面,构成井眼三维轨迹图。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤S301中,x轴箭头指向正东方向,表示井筒水平面水平方向圆心偏离标准井筒圆心数值;y轴箭头指向正南方向,指井筒水平面竖直方向圆心偏离标准井筒圆心数值;z轴箭头从上指向下,即井筒最上方为初始水平面,刻度值为零,从上至下刻度值增大。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤S302中,以字符串形式按列读取处理后的东西坐标、南北坐标以及井深,并保存为字符数组,转换为双精度类型数组;将实际数据除以比例因子,确定最终三维空间点。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤S4中,判断圆心坐标是否偏离预设值或圆半径与预设半径的差值,通过显示不同颜色进行预警;通过对危险部分局部放大监测井筒变形情况;如果观察到不同颜色的轨迹,需要停止提升,将被困人员放置矿井下端避难所处;等到危险部分情况处理结束后,再将被困人员运送至地面。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,井筒变形包括横向变形和纵向变形,横向变形包括圆心位置偏移量以及变形前后半径差,当圆心坐标偏移量超过临界值时,改变轨迹颜色;当井筒变形前后半径差超过临界值,改变轨迹颜色;对于纵向变形,根据井筒变形前井眼轨迹与变形后井眼轨迹进行对比。
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