CN115410341A - 一种塌方砸倒智能监测报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对山岭隧道、矿井、地下管廊等场景中的施工人员安全，提出了一种塌方砸倒智能监测报警方法。该方法的核心思想是，将能监测载体运动状态的智能装置安装在安全帽上，开启智能装置的工作模式并采集传感器的特征量信息，通过引入不同物理含义的门限阈值，判定载体是否连续经历了“第一冲击中断”状态、“半失重”状态、“第二冲击中断”状态，以及在“第二冲击中断”状态之后，是否满足砸倒时间差条件，或同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件。若上述状态及条件全部满足，则判定载体发生了塌方砸倒情况，智能装置能自动向网络侧发送塌方砸倒报警信息。本发明可广泛应用于山岭隧道、矿井、地下管廊等施工场景中。

Description

一种塌方砸倒智能监测报警方法

技术领域

本发明涉及隧道、矿井、管廊等地下空间施工场景，属于传感物联网与通信技术领域。

背景技术

现阶段，国内众多隧道施工工程的管理仍然处于粗放式的状态，尽管部分隧道已经引入了所谓的数字化、智能化应急管理系统，但并未实现真正意义上的数字化和智能化，“聋、瞎、哑、险”等问题并未得到根本性解决。因此，隧道施工具有较大的风险性，在以矿山法为主的隧道中，会经常使用爆破手段进行开山，如果隧道发生意外塌方情况或者人员被砸倒的事故，那么对于施工人员无疑是最大的安全威胁。如何在复杂危险的施工环境中，能对塌方或者人员被砸倒的情况进行及时报警，以争取突发险情后的营救时间，是隧道施工中亟待解决的重难点问题。

本发明针对隧道、矿井、管廊等地下空间施工场景，提出了一种塌方砸倒智能监测报警方法。通过引入不同物理含义的门限阈值，判定载体是否连续经历了“第一冲击中断”状态、“半失重”状态、“第二冲击中断”状态，以及在“第二冲击中断”状态之后，是否满足砸倒时间差条件，或同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件，来最终确定载体是否发生塌方砸倒情况，为隧道内的人员施工安全提供一种有效、可行的解决方案。

发明内容

本发明公开了一种塌方砸倒智能监测报警方法，其方法内容如下。

步骤1：将能监测载体运动状态的智能装置安装在安全帽上。

步骤2：开启智能装置的工作模式，所述智能装置至少包含加速度传感器、以及通信模块，在工作模式下采集所述加速度传感器的特征量信息。

步骤3：将所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第一冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第一冲击中断”状态。

步骤4：若所述智能装置进入“第一冲击中断”状态，则开启一段时间窗，根据时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值同所述智能装置预设的半失重门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“半失重”状态。

步骤5：若所述智能装置进入“半失重”状态，则继续监测所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第二冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第二冲击中断”状态。

步骤6：若所述智能装置进入“第二冲击中断”状态，则需进一步判定所述智能装置是否满足砸倒时间差条件，或同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件。

步骤7：若上述状态条件全部满足，则判定与所述智能装置保持刚性连接的载体发生被砸倒的情形，所述智能装置自动通过通信模块向网络侧发出塌方砸倒报警信号。

所述“第一冲击中断”状态，物理意义是当隧道等场景发生坍塌事故时，从头顶上方坠落的重物砸在安全帽上，由于所述智能装置与安全帽属于所述刚性连接，因此会对所述智能装置产生强大的冲击力。

所述“第一冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第一冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第一冲击中断”状态。

所述“半失重”状态，物理意义是所述载体受到所述第一次冲击之后，迅速发生跌落，且在倒地之前的运动状态；在隧道等施工场景中，载体通常情况下是保持与地面接触的，会对所述智能装置产生一定的支撑力，这种支撑力会让所述载体处于“半失重”状态，而并非“失重”状态。

所述“半失重”状态的判定条件是，开启一段时间窗，计算时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值，若所述加速度传感器特征量的平均值小于等于所述智能装置预设的半失重门限阈值，则判定所述智能装置进入“半失重”状态。

所述“第二冲击中断”状态，物理意义是所述载体发生倒地，并在倒地瞬间，对所述智能装置产生强大的冲击力。

所述“第二冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第二冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第二冲击中断”状态。

所述砸倒时间差条件，是指所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差，与所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值之间的关系；若所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差小于等于所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值，则表明所述智能装置满足砸倒时间差条件。

所述砸倒角度变化量条件，是指所述智能装置角度信息从“第一冲击状态”到“第二冲击状态”的变化量，与所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值之间的关系；若所述智能装置角度信息从“第一冲击状态”到“第二冲击状态”的变化量大于等于所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值，则表明所述智能装置满足砸倒角度变化量条件。

所述智能装置角度信息可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算获得，具体的，假设所述智能装置角度信息为α，所述加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_X，加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_Z，则α＝arctan(Acc_X,Acc_Z)。

若所述智能装置包含陀螺仪传感器，所述智能装置角度信息可由所述陀螺仪传感器的特征量信息进行计算获得，具体的，所述陀螺仪传感器的特征量信息为角加速度信息ω，通过时间维度的积分计算即可得到所述智能装置角度信息α，即

或，所述智能装置角度信息α可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算所得的角度信息α1，与所述陀螺仪传感器的特征量信息进行计算所得的角度信息α2，通过线性加权计算，即α＝k1*α1+k2*α2，k1+k2＝1，且k1≥0，k2≥0。

所述加速度传感器的特征量信息是指三轴合加速度，假设X轴、Y轴、Z轴加速度值分别为Acc_X、Acc_Y、Acc_Z，三轴合加速度ξ可表示为

所述智能装置能监测载体运动状态，且优选安装在安全帽上，且所述智能装置可安装在所述安全帽前、后、左、右的任意一个侧面。

本发明提出了一种塌方砸倒智能监测报警方法，通过多个门限阈值所判定的载体运动状态，能相对准确地判定出施工人员发生塌方砸倒事故，并自动向网络侧发送报警信号，准确率高于90％，虚警率低于10％，将在隧道、矿井、管廊等地下空间施工场景具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明塌方砸倒智能监测报警算法的总体流程示意图。

具体实施例

实施例1：

步骤1：将能监测载体运动状态的智能装置安装在安全帽上，所述智能装置包含加速度传感器、以及通信模块，且所述智能装置安装在所述安全帽前侧。

步骤2：开启所述智能装置的工作模式，采集所述加速度传感器的特征量信息。

步骤3：将所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第一冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第一冲击中断”状态。

所述“第一冲击中断”状态，物理意义是当隧道等场景发生坍塌事故时，从头顶上方坠落的重物砸在安全帽上，由于所述智能装置与安全帽属于所述刚性连接，因此会对所述智能装置产生强大的冲击力。

所述“第一冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第一冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第一冲击中断”状态。

所述加速度传感器的特征量信息是指三轴合加速度，假设X轴、Y轴、Z轴加速度值分别为Acc_X、Acc_Y、Acc_Z，三轴合加速度ξ可表示为

假设智能装置预设的第一冲击门限阈值为TH_{F_1}，则进入“第一冲击中断”状态的判定条件需满足：ξ≥TH_{F_1}。

在本实施例具体实施过程中，第一冲击门限阈值优选取TH_{F_1}＝4g。

步骤4：若所述智能装置进入“第一冲击中断”状态，则开启一段时间窗，根据时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值同所述智能装置预设的半失重门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“半失重”状态。

所述“半失重”状态，物理意义是所述载体受到所述第一次冲击之后，迅速发生跌落，且在倒地之前的运动状态；在隧道等施工场景中，载体通常情况下是保持与地面接触的，会对所述智能装置产生一定的支撑力，这种支撑力会让所述载体处于“半失重”状态，而并非“失重”状态。

所述“半失重”状态的判定条件是，开启一段时间窗，计算时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值，若所述加速度传感器特征量的平均值小于等于所述智能装置预设的半失重门限阈值，则判定所述智能装置进入“半失重”状态。

假设智能装置预设的半失重门限阈值为TH_g，则进入“半失重”状态的判定条件需满足：ξ≤TH_g。

在本实施例具体实施过程中，半失重门限阈值优选取TH_g＝0.6g。

步骤5：若所述智能装置进入“半失重”状态，则继续监测所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第二冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第二冲击中断”状态。

所述“第二冲击中断”状态，物理意义是所述载体发生倒地，并在倒地瞬间，对所述智能装置产生强大的冲击力。

所述“第二冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第二冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第二冲击中断”状态。

假设智能装置预设的第二冲击门限阈值为TH_{F_2}，则进入“第二冲击中断”状态的判定条件需满足：ξ≥TH_{F_2}。

在本实施例具体实施过程中，半失重门限阈值优选取TH_{F_2}＝6g。

步骤6：若所述智能装置进入“第二冲击中断”状态，则需进一步判定所述智能装置是否满足砸倒时间差条件。

所述砸倒时间差条件，是指所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差，与所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值之间的关系；若所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差小于等于所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值，则表明所述智能装置满足砸倒时间差条件。

假设满足“第一冲击状态”的时间时刻为t1，满足“第二冲击状态”的时间时刻为t2，所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值为TH_t，则符合砸倒时间差条件需满足

t2-t1≤TH_t。

在本实施例具体实施过程中，冲击状态时间转换阈值优选取TH_t＝606ms。

步骤7：若上述状态条件全部满足，则判定与所述智能装置保持刚性连接的载体发生被砸倒的情形，所述智能装置自动通过通信模块向网络侧发出塌方砸倒报警信号。

综上，在实施例1中，所述智能装置可安装在所述安全帽前部，且步骤6中，采用判定砸倒时间差条件。整个方法中的关键门限阈值取值为：TH_{F_1}＝4g，TH_g＝0.6g，TH_{F_2}＝6g，TH_t＝606ms。

实施例2：

实施例2的步骤1-5，同实施例1完全相同，前5个步骤已经涉及的关键门限阈值分别为：TH_{F_1}＝4g，TH_g＝0.6g，TH_{F_2}＝6g。

步骤6：若所述智能装置进入“第二冲击中断”状态，则需进一步判定所述智能装置是否同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件。

所述智能装置角度信息可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算获得，具体的，假设所述智能装置角度信息为α，所述加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_X，加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_Z，则α＝arctan(Acc_X,Acc_Z)。

假设满足“第一冲击状态”的初始载体角度为α₀，满足“第二冲击状态”的载体角度为α_e，所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值TH_α，则符合砸倒角度变化量需满足

|α_e-α₀|≥TH_α。

在本实施例具体实施过程中，冲击状态时间转换阈值优选取TH_α＝45°。

综上，在实施例2中，所述智能装置可安装在所述安全帽后部，且步骤6中，采用同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件，且所述智能装置仅含有加速度传感器。整个方法中的关键门限阈值取值为：TH_{F_1}＝4g，TH_g＝0.6g，TH_{F_2}＝6g，TH_t＝606ms，TH_α＝45°。

实施例3：

实施例3的步骤1-5，同实施例1完全相同，前5个步骤已经涉及的关键门限阈值分别为：TH_{F_1}＝4g，TH_g＝0.6g，TH_{F_2}＝6g。

步骤6：若所述智能装置进入“第二冲击中断”状态，则需进一步判定所述智能装置是否同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件。

本实施例中，所述智能装置包含陀螺仪传感器，所述智能装置角度信息由所述加速度传感器和所述陀螺仪传感器的特征量信息进行加权获得。具体的，

所述智能装置角度信息可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算获得，具体的，假设所述智能装置角度信息为α1，所述加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_X，加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_Z，则α1＝arctan(Acc_X,Acc_Z)。

所述陀螺仪传感器的特征量信息为角加速度信息ω，通过时间维度的积分计算即可得到所述智能装置角度信息α2，即

通过线性加权计算角度值α，即

α＝k1*α1+k2*α2，k1+k2＝1，且k1≥0，k2≥0。

在本实施例具体实施过程中，线性参数加权值选取k1＝0.7，k2＝0.3。

假设满足“第一冲击状态”的初始载体角度为α₀，满足“第二冲击状态”的载体角度为α_e，所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值TH_α，则符合砸倒角度变化量需满足

|α_e-α₀|≥TH_α。

在本实施例具体实施过程中，冲击状态时间转换阈值优选取TH_α＝45°。

综上，在实施例3中，所述智能装置可安装在所述安全帽后部，且步骤6中，采用同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件，且所述智能装置含有加速度传感器，以及陀螺仪传感器，在判定砸倒角度变化量条件时，采用了线性加权计算方式。整个方法中的关键门限阈值取值为：

TH_{F_1}＝4g，TH_g＝0.6g，TH_{F_2}＝6g，TH_t＝606ms，TH_α＝45°，k1＝0.7，k2＝0.3。

不论上述不同门限阈值的取值如何，只要按照本方法依次采用步骤1-7来进行塌方砸倒的判定，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

开启智能装置的工作模式，所述智能装置至少包含加速度传感器、以及通信模块，在工作模式下采集所述加速度传感器的特征量信息；

将所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第一冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第一冲击中断”状态；

若所述智能装置进入“第一冲击中断”状态，则开启一段时间窗，根据时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值同所述智能装置预设的半失重门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“半失重”状态；

若所述智能装置进入“半失重”状态，则继续监测所述加速度传感器的特征量信息同所述智能装置预设的第二冲击门限阈值进行比较，判定所述智能装置是否进入“第二冲击中断”状态；

若所述智能装置进入“第二冲击中断”状态，则需进一步判定所述智能装置是否满足砸倒时间差条件，或同时满足砸倒时间差条件与砸倒角度变化量条件；

若上述状态条件全部满足，则判定与所述智能装置保持刚性连接的载体发生被砸倒的情形，所述智能装置自动通过通信模块向网络侧发出塌方砸倒报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述“第一冲击中断”状态，物理意义是当隧道等场景发生坍塌事故时，从头顶上方坠落的重物砸在安全帽上，由于所述智能装置与安全帽属于所述刚性连接，因此会对所述智能装置产生强大的冲击力；

所述“第一冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第一冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第一冲击中断”状态。

3.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述“半失重”状态，物理意义是所述载体受到所述第一次冲击之后，迅速发生跌落，且在倒地之前的运动状态；在隧道等施工场景中，载体通常情况下是保持与地面接触的，会对所述智能装置产生一定的支撑力，这种支撑力会让所述载体处于“半失重”状态，而并非“失重”状态；

所述“半失重”状态的判定条件是，开启一段时间窗，计算时间窗内所采集的所述加速度传感器特征量的平均值，若所述加速度传感器特征量的平均值小于等于所述智能装置预设的半失重门限阈值，则判定所述智能装置进入“半失重”状态。

4.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述“第二冲击中断”状态，物理意义是所述载体发生倒地，并在倒地瞬间，对所述智能装置产生强大的冲击力；

所述“第二冲击中断”状态的判定条件是，所述加速度传感器的特征量信息满足大于等于所述智能装置预设的第二冲击门限阈值，则判定所述智能装置进入“第二冲击中断”状态。

5.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述砸倒时间差条件，是指所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差，与所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值之间的关系；若所述“第一冲击状态”与“第二冲击状态”之间的时间差小于等于所述智能装置预设的冲击状态时间转换阈值，则表明所述智能装置满足砸倒时间差条件。

6.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述砸倒角度变化量条件，是指所述智能装置角度信息从“第一冲击状态”到“第二冲击状态”的变化量，与所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值之间的关系；若所述智能装置角度信息从“第一冲击状态”到“第二冲击状态”的变化量大于等于所述智能装置预设的冲击状态角度变化阈值，则表明所述智能装置满足砸倒角度变化量条件。

7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述智能装置角度信息可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算获得，具体的，假设所述智能装置角度信息为α，所述加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_X，加速度传感器在X轴方向上采集的加速度值为Acc_Z，则α＝arctan(Acc_X,Acc_Z)。

8.根据权利要求1和权利要求6所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

若所述智能装置包含陀螺仪传感器，

所述智能装置角度信息可由所述陀螺仪传感器的特征量信息进行计算获得，具体的，所述陀螺仪传感器的特征量信息为角加速度信息ω，通过时间维度的积分计算即可得到所述智能装置角度信息α，即

或，所述智能装置角度信息α可由所述加速度传感器在三轴上的采集信息计算所得的角度信息α1，与所述陀螺仪传感器的特征量信息进行计算所得的角度信息α2，通过线性加权计算，即

α＝k1*α1+k2*α2，k1+k2＝1，且k1≥0，k2≥0。

9.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述加速度传感器的特征量信息是指三轴合加速度，假设X轴、Y轴、Z轴加速度值分别为Acc_X、Acc_Y、Acc_Z，三轴合加速度ξ可表示为

10.根据权利要求1所述的一种塌方砸倒智能监测报警方法，其特征在于：

所述智能装置能监测载体运动状态，且优选安装在安全帽上，且所述智能装置可安装在所述安全帽前、后、左、右的任意一个侧面。

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