CN113586158B - 基于精确定位的灾害预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于精确定位的灾害预警系统，所述系统主要包括地理信息服务器、定位服务器、灾害预警服务器、定位分站、定位装置等。系统通过三维地理信息技术与系统结合三维精确定位技术，整合成全矿区完整的实时动态三维数字地图，并对矿井作业人员和设备进行全局二维、三维精确定位，结合地理信息系统自动界定的区域信息，对生产作业中事故和灾害进行预警。所述系统从根本上对由于违规煤炭生产作业造成的水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板事故等灾害与事故进行监控预警，解决了现有事故等灾害与事故预警系统复杂，难以满足安全生产需要的难点问题，有着广泛地应用前景。

Description

基于精确定位的灾害预警系统

技术领域

本发明涉及基于精确定位的灾害预警系统，该方法涉及无线通信、地理信息系统、传感器技术、数据处理等领域。

背景技术

煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，各类煤矿井下事故困扰着煤矿安全生产。我国煤矿发生重特大事故中国煤矿发生重特大事故中，矿井水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、、顶板事故占比较高。现有矿井水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、、顶板等重特大事故预警系统需要安装数量繁多的各类现场和外部传感器，很多数据采集并不能实时采集，系统建设成本高，实现复杂，难以满足安全生产的需要。因此需要一种适合煤矿空间环境的、简单有效、建设成本低且易于实施的灾害预警系统。研究表明，煤矿重特大事故与煤炭生产的人员与设备作业有着密不可分的联系，很多事故的发生是由于进入或靠近老窑水、地下水、煤与瓦斯突出等危险区域生产作业造成的，因此，需要对井下作业人员与设备精确定位。矿井人员定位系统是国务院(国发[2010]23号)要求煤矿和非煤矿山必须装备的安全避险六大系统之一，在遏制超定员生产等安全生产和应急救援中发挥着重要作用，由于卫星定位信号无法穿透煤层和岩层到达井下，因此长期以来矿井人员定位系统主要采用RFID定位方法，无法精确定位。现有精确定位系统主要采用基于信号衰减RSSI、基于信号飞行时间TOA和基于信号飞行时间差TDOA的无线电波定位方法。矿井无线电信号传输衰减严重、无线电传输衰减模型复杂多变，井下RSSI定位误差较大，目前现有井下TOA和TDOA定位系统均为沿巷道轴向的一维定位系统，无法实现二维和三维定位。因此，需要研究定位精度高的矿井全局二维和三维精确定位方法，用于井下作业人员与设备精确定位，在此基础上对生产作业中事故和灾害进行预警，可有效避免矿井事故和灾害的发生。

发明内容

本发明提供了基于精确定位的灾害预警系统，通过对矿井作业人员和设备进行全局二维、三维精确定位，结合地理信息系统自动界定的事故和灾害危险区域信息，在此基础上对生产作业中事故和灾害进行预警。所述系统包括地理信息服务器、定位服务器、灾害预警服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置；所述系统在使用前需进行地理信息服务器初始化，得到矿区的三维数字地图；所述定位服务器负责对定位装置进行定位服务和定位数据管理；所述灾害预警服务器负责参考地理信息服务器提供的灾害预警区域数据，对定位装置的定位数据进行判定，当监测到携带定位装置的人员、车辆或采掘设备的定位数据满足设定条件，则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息；所述定位装置包括至少一个无线定位模块、至少一个测距传感器、至少一个磁力传感器、至少一个陀螺仪传感器、至少一个三轴加速度传感器；所述无线定位模块通过与定位分站进行无线电波通信进行测距；所述测距传感器通过发射和接收测距信号测量定位装置与巷道壁、巷道顶板或巷道底板的距离；所述磁力传感器用于测量定位装置的方向；所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器用于测量定位装置的方向、移动速度和姿态数据；所述系统通过无线定位模块的测距数据获得定位装置沿巷道轴向的一维位置数据，或水平平面的轴向和径向二维位置数据，通过磁力传感器或陀螺仪传感器获得定位装置的方向数据，再参考测距传感器测距数据获得定位装置的三维位置数据；系统通过无线定位模块与定位分站进行无线通信，定位分站通过通信网络与定位服务器、灾害预警服务器和地理信息服务器进行通信；

所述地理信息服务器初始化过程为：

(1)采集矿区地理信息数据和地质勘测数据，在地理信息服务器内建立矿区的三维数字地图；

(2)根据矿区地理信息数据和地质勘测数据对矿区的三维数字地图进行地理信息属性标注，标注内容包括矿井巷道区域、工作面区域、井下固定设备设施、危险区域、保安煤柱区域；所述区域均为三维区域；

(3)地理信息服务器根据标定的危险区域、保安煤柱区域生成三维的灾害预警区域；

(4)将三维灾害预警区域的坐标数据发送至灾害预警服务器，并确认灾害预警服务器接收成功；

所述系统定位过程为：

(1)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的直线距离d_A和d_B；

(2)系统依据以上步骤获得的d_A和d_B，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(x_A,y_A)、(x_B,y_B)，计算获得坐标(x_m,y_m)，具体算法为

(3)定位装置通过测距传感器测量与巷道顶板或巷道底板的距离d_H，及与巷道壁的距离d_L；

(4)获取定位装置方向；

(5)根据定位装置方向，判定d_L为定位装置与哪一侧巷道壁的距离；

(6)根据d_L对坐标(x_m,y_m)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(x_M,y_M)；

(7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标z_T或z_R，以z_T-d_H或z_R+d_H作为定位装置垂直坐标z_M，获得定位装置的三维坐标(x_M,y_M,z_M)；以上步骤的坐标系为巷道局部坐标系，以定位分站所在巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直坐标为坐标Z轴；

(8)系统通过三维数字地图将步骤(7)获得的三维坐标(x_M,y_M,z_M)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据，并由地理信息服务器为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位装置的位置数据服务；

(9)定位服务器为灾害预警服务器、监控终端提供数据服务；

(10)监控终端为用户提供监控人机交互服务；

所述灾害预警服务器的灾害预警过程为：

(1)接收定位服务器发来的定位装置的位置数据；

(2)将定位装置的位置数据与存储的三维灾害预警区域进行比对判定，如位置数据包括在三维灾害预警区域内，则向监控终端和进入该区域的定位终端发出灾害预警信息；

(3)等待监控终端、定位终端的接收确认回复信息，如在设定时间内未收到回复信息，则重复发送灾害预警信息直至收到回复信息。

1.所述的灾害预警系统进一步包括：所述定位装置包括姿态校正模块，姿态校正模块用于调整测距传感器的三维角度，保证用于测量定位装置与顶板或底板距离的测距传感器测距探头垂直于顶板或底板，保证用于测量定位装置与巷道壁距离的测距传感器测距探头与巷道壁垂直。

2.所述的灾害预警系统进一步包括：所述定位装置根据磁力传感器、陀螺仪传感器、三轴加速度传感器数据获得定位装置坐标系与地理坐标系的夹角，通过三维数字地图获得当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角，计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，姿态校正模块根据夹角调整传感器的三维角度。

3.所述的灾害预警系统进一步包括：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向顶板或底板的测距传感器数据的差。

4.所述的灾害预警系统进一步包括：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向巷道壁的测距传感器数据的差。

5.所述的灾害预警系统进一步包括：当所述定位装置用于监测默认运动高度不变的移动目标定位时，可不安装或不使用测量顶板和底板距离的测距传感器，所述定位过程步骤(7)中的定位装置垂直坐标z_M＝d_R1，d_R1为定位装置在移动目标上的安装高度。

6.所述的灾害预警系统进一步包括：在巷道间隔设定距离安装定位分站，当相邻定位分站分别安装在不同侧的巷道壁上；当相邻定位分站安装在同侧或平行于巷道安装时，所述定位过程步骤(6)中y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定。

7.所述的灾害预警系统进一步包括：所述定位过程步骤(6)的方法包括，当满足

或d_A+d_B＜|x₂-x₁|-Q₂时，y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定；上式中L_M为巷道宽度，Q₁、Q₂为设定阈值。

8.所述的灾害预警系统进一步包括：系统通过定位装置历史位置移动记录获得定位装置方向，并定时通过磁力传感器或陀螺仪传感器对定位装置的方向数据进行校准。

9.所述的灾害预警系统进一步包括：所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器所测量的方向、移动速度还用于定位装置的惯性导航定位；所述定位装置具有数据存储元件，当定位装置无法与定位分站通信时，使用陀螺仪传感器和三轴加速度传感器进行惯性导航定位，并定时将位置数据存储到存储元件，当定位装置与定位分站恢复通行后，将所存储的位置数据上传到定位服务器。

10.所述的灾害预警系统进一步包括：所述测距传感器包括激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。

11.所述的灾害预警系统进一步包括：当所述定位过程步骤(1)中定位装置只能获得与定位分站A的直线距离d_A，则不执行步骤(2)，步骤(6)中x_M＝x_A+d_A或x_M＝x_A-d_A，y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定。

12.所述的灾害预警系统进一步包括：所述灾害预警区域为危险区域和保安煤柱区域，所述危险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事故危险区域；所述保安煤柱区域为围绕在危险区域周边的设定三维区域；所述保安煤柱区域根据危险区域类型和该区域的地质参数，自动生成或手动设定。

所述的灾害预警系统具有以下特点：

1.运用三维地理信息技术与系统结合三维精确定位技术，将全矿区地理信息数据、地质勘测数据、固定设备数据、移动人员和设备数据，整合成全矿区完整的实时动态三维数字地图。

2.根据灾害危险区域的区域类型和该区域的地质参数，在动态三维数字地图中自动生成包括三维保安煤柱区域的灾害预警区域，结合三维精确定位技术实现灾害预警，从根本上对由于违规煤炭生产作业造成的水灾、煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板事故等灾害与事故进行监控预警。

3.为实现井下三维精确定位采用了新的多维定位方法，包括：利用定位分站在矿井二维空间分布的方法，运用现有无线电波测距的技术，实现了移动目标二维初步定位；充分利用陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和磁力传感器数据，实现了移动目标实时方向监测；根据实时方向数据、三维数字地图和测距传感器数据，获得移动目标与巷道壁距离用于二维和三维定位；发明了定位装置姿态校正模块，可调整测距传感器姿态，通过传感器采集感知数据，通过数据通信网络获取共享数据，通过处理器处理和进行实时控制，保证了水平和垂直方向测距数据的有效性，进而保障移动目标的二维和三维定位的可靠性和精确性；充分利用陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和磁力传感器数据，在无线电波测距和无线通信的条件下自动进行定位并存储，当可通信时自动上传，保证定位数据记录完整。

附图说明

图1基于精确定位的灾害预警系统实施示例示意图。

图2地理信息服务器初始化流程示意图。

图3灾害预警服务器的灾害预警流程示意图

图4定位装置原理示意图。

图5定位装置坐标系示意图。

图6定位装置实施示例1结构示意图。

图7定位装置实施示例2结构示意图。

图8基于精确定位的灾害预警系统的巷道局部坐标系示意图。

图9基于精确定位的灾害预警系统的定位流程示意图。

图10基于精确定位的灾害预警系统定位实施示例2示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。所述一种井下三维精确定位系统实施示例如图1所示，图中上部所示设备(101)、(102)、(103)、(104)、(105)为井上设备，图中下部为井下巷道剖面图，主要包括：

1.地理信息服务器(101),负责为定位装置、定位存储服务器和监控终端提供定位和地图显示的数据服务，局部坐标和全局坐标转换的数据服务，和地图显示的数据服务，为灾害预警服务器提供灾害预警区域数据。地理信息服务器使用三维GIS平台，存储全矿区相关的地理信息数据、地质勘测数据、固定设备数据的三维位置数据。

2.灾害预警服务器(102)负责参考地理信息服务器提供的灾害预警区域数据，对定位装置的定位数据进行判定，当监测到携带定位装置的人员、车辆或采掘设备的定位数据满足设定条件，则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息。

3.定位服务器(103)，负责接收存储由定位分站、灾害预警服务器、地理信息服务器发送的定位装置定位相关数据，并为定位装置、定位分站、地理信息服务器提供定位相关数据管理和通信服务，并为监控终端提供调取查询服务。

4.监控终端(104)，生产管理人员通过监控终端访问定位服务器实现对井下移动目标的实时监控，并通过监控终端对地理信息服务器进行数据输入、更新维护和管理。监控终端具有三维数字地图地图显示，移动目标位置及资料显示查询，移动目标位置统计，历史位置追踪查询等相关人机交互服务功能；监控终端具有声光报警功能，当接收到灾害预警服务器发送的灾害预警信息，则声光报警。

5.交换机(105)，通信网络的管理和核心数据交换设备，负责所有接入通信网络的设备的数据交换。

6.定位分站(106)，负责对定位装置进行无线通信与定位，由交/直流电转换设备供电，与交换机通过有线方式连接通信。

7.定位装置(107)，与定位分站进行无线通信，由需被定位的井下移动目标(108)安装携带

8.移动目标(108)，本实施示例中移动目标为掘进机。

9.保安煤柱区域(109)，所述保安煤柱区域为围绕在危险区域周边的设定三维区域，根据危险区域类型和该区域的地质参数，自动生成或手动设定。

10.危险区域(110)危险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事故危险区域。灾害预警区域为危险区域和保安煤柱区域。

地理信息服务器初始化流程如图2所示，主要包括：

1.(201)采集矿区地理信息数据和地质勘测数据，并通过三维GIS系统输入数据。

2.(202)通过三维GIS系统地理信息服务器内建立矿区的三维数字地图。

3.(203)根据矿区地理信息数据和地质勘测数据对矿区的三维数字地图进行地理信息属性标注，标注内容包括矿井巷道区域、工作面区域、井下固定设备设施、危险区域；危险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事故危险区域等。所述区域均为三维区域.。

4.(204)根据危险区域类型和该区域的地质参数自动生成保安煤柱区域，或手动设定保安煤柱区域。

5.(205)地理信息服务器根据标定的危险区域、保安煤柱区域生成三维的灾害预警区域。

6.(206)将三维灾害预警区域的坐标数据通过通信网络发送至灾害预警服务器。

7.(207)确认灾害预警服务器是否接收成功，如在设定时间未接收到回复信息，则返回(206)再次发送；如收到回复信息，则判定接收成功，完成地理信息服务器初始化。

地理信息服务器更新过程与初始化流程类似，只是不需对已有数据全部重新输入。

灾害预警服务器的灾害预警流程如图3所示，主要包括：

1.(301)接收定位服务器发来的定位装置的位置数据.

2.(302)将定位装置的位置数据与存储的三维灾害预警区域进行比对判定。

3.(303)如位置数据包括在三维灾害预警区域内，则继续执行(304)，否则返回(301)。

4.(304)向监控终端和进入该区域的定位终端发出灾害预警信息；

5.(305)等待监控终端、定位终端的接收确认回复信息，如在设定时间内未收到回复信息，则返回(304)重复发送；如收到回复信息，则判定接收成功，完成此次流程。

定位装置原理组成如图2所示，包括：

1.处理器(401)，负责接收和处理无线定位模块、测距传感器、陀螺仪传感器、三轴加速度传感器、磁力传感器的数据，进行局部坐标定位相关的基本数据处理，还负责对姿态校正模块进行控制，当定位装置无法与定位分站通信时，通过处理对陀螺仪传感器和三轴加速度传感器数据，进行惯性导航定位。处理器采用意法公司的32位cortex-m3芯片Stm32f103rbt6，最高工作频率72MHz，128K Byte的程序存储空间，20K Byte SRAM，支持多种低功耗模式。

2.无线定位模块(402)，负责定位测距和无线通信所需的无线电波信号发送与接收，可进行基本无线测距，主要包括通信芯片和天线。通信芯片采用DecaWave公司的DW1000芯片，支持IEEE802.15.4-2011协议，具有UWB信号的收发功能，支持6个射频带宽，带宽可选择500MHZ和900MHz两种，采用Partron的ACS5200HFAUWB陶瓷天线，通过柔性专用转接线与主板上DW1000引出的接口连接。

3.电源单元(403)，包括电池、电压转换和电池充电管理部分，电池使用锂离子蓄电池。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用SG2020电源芯片。电池充电管理核心芯片采用TP4056锂电池充电管理芯片。

4.辅助单元(404)，负责辅助处理器运行和数据存储。辅助单元包括存储单元，用于处理器处理数据存储和设备识别信息的存储，当定位装置无法与定位分站通信时，还对通过惯性导航获得定位数据进行存储。存储芯片采用24C512，通过I²C总线与处理器通信。辅助单元包括还包括时钟，采用振荡频率为38.4MHz的石英晶振。

5.测距传感器(405)，用于10m以下局部精确测距，可使用激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。

6.陀螺仪传感器(406)，选取反应速度快，检测精度高的三轴陀螺仪传感器，可采用InvenSense公司生产的MPU3050三轴陀螺仪芯片。该芯片特性为运动感测范围广，由250到2000°/sec，敏感度较高，出厂前校准至1％的敏感度，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。

7.磁力传感器(407)，磁力传感器选取HMC5883L芯片，该芯片精度较高，抗干扰能力强，敏感度较高，所采集的信号为三轴数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。

8.三轴加速度传感器(408)，三轴加速度传感器选取LIS3DH芯片，该芯片特性为运动感测范围广，敏感度较高，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。以上陀螺仪传感器、磁力传感器和三轴加速度传感器也可采用集成芯片，如MPU9250芯片，采集信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。使用前需测量三轴陀螺仪传感器轴向相对地理坐标系的偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。

9.姿态校正模块(409)，姿态校正模块用于调整测距传感器的角度，使测距传感器自动恢复所需姿态，保证测距传感器的测距探头与被测面垂直；姿态校正模块核心部分包括舵机控制器和三台舵机，舵机转动轴与定位装置三维坐标系的坐标轴平行，舵机由舵机控制器发送的不同长度的脉冲控制信号控制转动角度；舵机控制器与处理器通过通信接口连接通信，舵机控制器可控制多个舵机转动。

定位装置坐标系示意图如图5所示，定位装置坐标系主要用于调整测距传感器姿态的数据处理，定位装置坐标系应参考主机箱内的三轴加速度传感器、磁力传感器、陀螺仪转轴进行确定，三个传感器的各轴应尽量重合，如不重合需进行换算补偿。本示例三个传感器采用集成芯片(501)，各传感器三轴完全重合，定位装置坐标系与传感器三轴重合。

定位装置实施示例1结构如图6所示。

1.主机箱(601)，定位装置的无线定位模块、电源单元、辅助单元、处理器等单元、陀螺仪传感器、磁力传感器、三轴加速度传感器、舵机控制器等的电路板和元件均安装于主机箱。

2.Zt轴舵机(602)，舵机的转动轴沿Zt轴转动，转动轴连接传感器支架(604)。

3.云台底座(603)，姿态校正模块的机械组成部分，固定连接在Zt轴舵机(602)转动轴上，承载Yt轴舵机(604)。

4..Yt轴舵机(604)，舵机的转动轴沿Yt轴转动，转动轴连接俯仰云台支架(605)。

5.Yt轴云台支架(605)，姿态校正模块的机械组成部分，固定连接在Yt轴舵机(604)的转动轴上，承载Xt轴舵机(606)。

6.Xt轴舵机(606)，舵机的转动轴沿Yt轴转动，转动轴连接Xt轴云台支架(607)。

7.Xt轴云台支架(607)，姿态校正模块的机械组成部分，固定连接在Xt轴舵机(606)的转动轴上，承载传感器支架(608)。

8.传感器支架(608)，姿态校正模块的机械组成部分，固定连接在Xt轴云台支架上(607)，用于直接承载水平测距传感器(609)和垂直测距传感器(610)，测距探头水平朝向巷道壁和顶板，采集定位装置与巷道壁、顶板的距离。

7.水平测距传感器(609)，固定连接在传感器支架(608)上，测距探头垂直朝向巷道壁，采集定位装置与巷道壁的距离。

8.垂直测距传感器(610)，固定连接在传感器支架(608)，测距探头垂直朝向顶板，采集定位装置与顶板的距离。

实际应用中，处理器采集并处理磁力传感器、陀螺仪传感器、三轴加速度传感器数据获得定位装置坐标系与地理坐标系的夹角，与地理信息服务器通信，获得当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角。计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，根据夹角控制舵机转动角度，以调整传感器的三维角度，使水平测距传感器(609)的测距探头垂直朝向巷道壁，垂直测距传感器(610)的测距探头垂直朝向顶板。

定位装置实施示例2结构如图7所示，本实施示例与实施示例1的区别在于增加了一个水平测距传感器(611)，和两个垂直测距传感器(612)、(613),位置分布如图所示。在此实施示例中，调整传感器姿态时无需计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，而是根据(609)和(611)所采集的距离数据的差值调整Zt轴舵机转动角度，根据(610)和(612)所采集的距离数据的差值调整Xt轴舵机转动角度，根据(610)和(413)所采集的距离数据的差值调整Yt轴舵机转动角度，保证差值小于设定阈值。设(609)、(611)、(610)、(612)、(613)的测距数据分别为d_LA、d_LB、d_TA、d_TB、d_TC，(609)和(611)间隔距离为d_lAB，(610)和(612)间隔距离为d_tAB，(610)和(613)间隔距离为d_tAC，以图5所示的定位装置坐标系的轴为转动轴，如图所示的转动方向为转动正方向，即遵循右手法则的转动方向为转动正方向，则调整传感器姿态的具体方法为：

1.当

则调整Zt轴舵机转动角度

2.当

则调整Xt轴舵机转动角度

3.当

则调整Yt轴舵机转动角度

式中θ_Zt、θ_Xt、θ_Yt为设定阈值。

基于精确定位的灾害预警系统的巷道局部坐标系示意图如图8所示。巷道局部坐标系以巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直坐标为坐标Z轴。

基于精确定位的灾害预警系统的定位流程示例如图9所示，示例中涉及图8所示的巷道局部坐标，定位装置M在巷道中相邻定位分站为A和B，A和B局部坐标的水平平面坐标为(x_A,y_A)、(x_B,y_B)，本示例局部坐标定位运算主要由定位装置执行，在A和B之间的巷道区域中，定位装置记录存储内容包括当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角，所述夹角由地理信息服务器提供。过程包括：

1.(701)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的直线距离d_A和d_B。

2.(702)系统依据以上步骤获得的d_A和d_B，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(x_A,y_A)、(x_B,y_B)，计算获得坐标(x_m,y_m)，具体算法为

3.(703)判定是否满足min(x_A,x_B)≤x_m＜max(x_A,x_B)且min(y_A,y_B)≤y_m＜max(y_A,y_B)，如满足则执行步骤(704)，如不满足条件或无解，则判定测距无线电波信号被遮挡或干扰，返回执行步骤(701)。

4.(704)定位装置通过测距传感器测量采集与巷道顶板或巷道底板的距离d_H，及与巷道壁的距离d_L。

5.(705)定位装置通过磁力传感器、陀螺仪传感器数据获取定位装置的地理坐标系方向。

6.(706)根据定位装置的地理坐标系方向，以及当前巷道坐标系与地理坐标系夹角，判定d_L为定位装置与哪一侧巷道壁的距离。

7.(707)根据d_L对坐标(x_m,y_m)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(x_M,y_M)；当满足

或d_A+d_B＜|x₂-x₁|-Q₂时，y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定；上式中L_M为巷道宽度，Q₁、Q₂为设定阈值。

8.(708)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标z_T或z_R，以z_T-d_H或z_R+d_H作为定位装置垂直坐标z_M，获得定位装置的巷道坐标系的三维坐标(x_M,y_M,z_M)。

9.(709)系统通过三维数字地图将步骤(608)获得的三维坐标(x_M,y_M,z_M)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据，并由三维数字地图为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位装置的位置数据服务。

10.(710)定位服务器为监控终端提供数据服务。

11.(711)监控终端为用户提供监控人机交互服务。

基于精确定位的灾害预警系统定位的实施示例2的俯视剖面图如图10所示，在本实施示例中相邻定位分站安装在同侧巷道壁，且移动目标的运动高度不变。定位系统设定y_M值根据定位装置方向、巷道壁L纵坐标和d_L确定，设图中左侧的定位装置与巷道壁L的距离为d_L1，巷道壁L纵坐标为d_HL，则Y_M＝d_HL+d_L1；设图中右侧的定位装置与巷道壁R的距离为d_L2，巷道壁R纵坐标为d_HR，，则Y_M＝d_HR-d_L2；z_M值根据定位装置在移动目标上的安装高度d_R1确定，z_M＝d_R1。

Claims (12)

1.基于精确定位的灾害预警系统，其特征在于：所述系统包括地理信息服务器、定位服务器、灾害预警服务器、监控终端、通信网络、定位分站、定位装置；所述系统在使用前需进行地理信息服务器初始化，得到矿区的三维数字地图；所述定位服务器负责对定位装置进行定位服务和定位数据管理；所述灾害预警服务器负责参考地理信息服务器提供的灾害预警区域数据，对定位装置的定位数据进行判定，当监测到携带定位装置的人员、车辆或采掘设备的定位数据满足设定条件，则向监控终端、定位终端发出灾害预警信息；所述定位装置包括至少一个无线定位模块、至少一个测距传感器、至少一个磁力传感器、至少一个陀螺仪传感器、至少一个三轴加速度传感器；所述无线定位模块通过与定位分站进行无线电波通信进行测距；所述测距传感器通过发射和接收测距信号测量定位装置与巷道壁、巷道顶板或巷道底板的距离；所述磁力传感器用于测量定位装置的方向；所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器用于测量定位装置的方向、移动速度和姿态数据；所述系统通过无线定位模块的测距数据获得定位装置沿巷道轴向的一维位置数据，或水平平面的轴向和径向二维位置数据，通过磁力传感器或陀螺仪传感器获得定位装置的方向数据，再参考测距传感器测距数据获得定位装置的三维位置数据；系统通过无线定位模块与定位分站进行无线通信，定位分站通过通信网络与定位服务器、灾害预警服务器和地理信息服务器进行通信；

所述地理信息服务器初始化过程为：

(1)采集矿区地理信息数据和地质勘测数据，在地理信息服务器内建立矿区的三维数字地图；

(2)根据矿区地理信息数据和地质勘测数据对矿区的三维数字地图进行地理信息属性标注，标注内容包括矿井巷道区域、工作面区域、井下固定设备设施、危险区域、保安煤柱区域；所述区域均为三维区域；

(3)地理信息服务器根据标定的危险区域、保安煤柱区域生成三维的灾害预警区域；

(4)将三维灾害预警区域的坐标数据发送至灾害预警服务器，并确认灾害预警服务器接收成功；

所述系统定位过程为：

(1)定位装置与相邻的两个定位分站A和B进行测距通信，获得定位装置与A和B的直线距离d_A和d_B；

(2)系统依据以上步骤获得的d_A和d_B，和所述定位分站A、B的水平平面坐标(x_A,y_A)、(x_B,y_B)，计算获得坐标(x_m,y_m)，具体算法为

(3)定位装置通过测距传感器测量与巷道顶板或巷道底板的距离d_H，及与巷道壁的距离d_L；

(4)获取定位装置方向；

(5)根据定位装置方向，判定d_L为定位装置与哪一侧巷道壁的距离；

(6)根据d_L对坐标(x_m,y_m)值进行校验，确定定位装置的水平二维坐标(x_M,y_M)；

(7)参考所在巷道顶板或巷道底板的垂直坐标z_T或z_R，以z_T-d_H或z_R+d_H作为定位装置垂直坐标z_M，获得定位装置的三维坐标(x_M,y_M,z_M)；以上步骤的坐标系为巷道局部坐标系，以定位分站所在巷道的轴向为坐标X轴，以巷道径向水平坐标为坐标Y轴，以巷道垂直坐标为坐标Z轴；

(8)系统通过三维数字地图将步骤(7)获得的三维坐标(x_M,y_M,z_M)转换为矿井全局坐标数据或标准经纬度数据，并由地理信息服务器为定位服务器和监控终端提供地理信息和定位装置的位置数据服务；

(9)定位服务器为灾害预警服务器、监控终端提供数据服务；

(10)监控终端为用户提供监控人机交互服务；

当以上所述定位过程步骤(1)中定位装置只能获得与定位分站A的直线距离d_A，则不执行步骤(2)，且步骤(6)中x_M＝x_A+d_A或x_M＝x_A-d_A，y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定；

所述灾害预警服务器的灾害预警过程为：

(1)接收定位服务器发来的定位装置的位置数据；

(2)将定位装置的位置数据与存储的三维灾害预警区域进行比对判定，如位置数据包括在三维灾害预警区域内，则向监控终端和进入该区域的定位终端发出灾害预警信息；

(3)等待监控终端、定位终端的接收确认回复信息，如在设定时间内未收到回复信息，则重复发送灾害预警信息直至收到回复信息。

2.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：所述定位装置包括姿态校正模块，姿态校正模块用于调整测距传感器的三维角度，保证用于测量定位装置与顶板或底板距离的测距传感器测距探头垂直于顶板或底板，保证用于测量定位装置与巷道壁距离的测距传感器测距探头与巷道壁垂直。

3.如权利要求2所述的灾害预警系统，其特征在于：所述定位装置根据磁力传感器、陀螺仪传感器、三轴加速度传感器数据获得定位装置坐标系与地理坐标系的夹角，通过数字孪生地图获得当前巷道坐标系与地理坐标系的夹角，计算定位装置坐标系与巷道局部坐标系的夹角，姿态校正模块根据夹角调整传感器的三维角度。

4.如权利要求2所述的灾害预警系统，其特征在于：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向顶板或底板的测距传感器数据的差。

5.如权利要求2所述的灾害预警系统，其特征在于：所述姿态校正模块调整三维角度的参考数据包括，两个平行安装的垂直朝向巷道壁的测距传感器数据的差。

6.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：当所述定位装置用于监测默认运动高度不变的移动目标定位时，可不安装或不使用测量顶板和底板距离的测距传感器，所述定位过程步骤(7)中的定位装置垂直坐标z_M＝d_R1，d_R1为定位装置在移动目标上的安装高度。

7.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：在巷道间隔设定距离安装定位分站，当相邻定位分站分别安装在不同侧的巷道壁上；当相邻定位分站安装在同侧或平行于巷道安装时，所述定位过程步骤(6)中y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定。

8.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：所述定位过程步骤(6)的方法包括，当满足

或d_A+d_B＜|x₂-x₁|-Q₂时，y_M值根据定位装置方向、巷道壁纵坐标和d_L确定；上式中L_M为巷道宽度，Q₁、Q₂为设定阈值。

9.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：系统通过定位装置历史位置移动记录获得定位装置方向，并定时通过磁力传感器或陀螺仪传感器对定位装置的方向数据进行校准。

10.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：所述陀螺仪传感器和三轴加速度传感器所测量的方向、移动速度还用于定位装置的惯性导航定位；所述定位装置具有数据存储元件，当定位装置无法与定位分站通信时，使用陀螺仪传感器和三轴加速度传感器进行惯性导航定位，并定时将位置数据存储到存储元件，当定位装置与定位分站恢复通行后，将所存储的位置数据上传到定位服务器。

11.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：所述测距传感器包括激光测距传感器、毫米波测距传感器、超声波测距传感器中的一种或多种传感器。

12.如权利要求1所述的灾害预警系统，其特征在于：所述灾害预警区域为危险区域和保安煤柱区域，所述危险区域包括老窑水区域、地下水区域、煤与瓦斯突出危险区域、冲击地压危险区域、顶板事故危险区域；所述保安煤柱区域为围绕在危险区域周边的设定三维区域；所述保安煤柱区域根据危险区域类型和该区域的地质参数，自动生成或手动设定。

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