專利名稱：一種井下人員定位救援系統(tǒng)及井下人員定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種救援系統(tǒng)，尤其是涉及一種井下人員定位救援系統(tǒng)及井下人員定位方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的井下人員定位系統(tǒng)主要是地面人員與井下人員通信系統(tǒng)。19世紀(jì)20年代，人們進(jìn)行了井下接受長(zhǎng)波的試驗(yàn)，從而認(rèn)識(shí)到與井下受困礦工進(jìn)行無(wú)線通信的潛力。然而，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平不可能設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)際的無(wú)線通信系統(tǒng)。此后，在井下使用電磁波的進(jìn)一步研究主要轉(zhuǎn)向了地球物理探測(cè)。19世紀(jì)40年代，T.L.Wadley第一次進(jìn)行了電磁波穿透巖層(Trough The Earth，縮寫(xiě)為TTE)的基礎(chǔ)研究，并由此掀起了南非和美國(guó)研究井下電磁波傳播的熱潮。19世紀(jì)60年代，受困礦工定位系統(tǒng)被研發(fā)出來(lái)并在捷克斯洛伐克和波蘭進(jìn)行了測(cè)試。直到現(xiàn)在，一些公司還在研發(fā)并銷售TTE系統(tǒng)。
TTE系統(tǒng)可能是與井下礦工通信的最理想方式，因?yàn)樗茏畲笙薅鹊夭皇芩?、起火和爆炸的影響。然而，這種系統(tǒng)中的大多數(shù)只限于地面到井下的單向通信，例如，加拿大生產(chǎn)的Flexalert系統(tǒng)可以由低頻電磁場(chǎng)向井下單向發(fā)送信息，其地面無(wú)線發(fā)射器包括一根直徑10到120米的環(huán)狀天線；澳大利亞研發(fā)的PED通信系統(tǒng)也是單向的TTE發(fā)送系統(tǒng)，它能向井下礦工無(wú)線傳輸特定的文本信息而不依賴于電纜或井下布線，但井下礦工不能向地面發(fā)送信息，除非通過(guò)另外的泄漏電纜(Leaky Feeder)通信。美國(guó)的TeleMag是唯一能實(shí)現(xiàn)雙向通信的TTE系統(tǒng)，它工作在4KHz頻段，井下和地面環(huán)狀天線直徑都為60英尺。正在研發(fā)的TTE系統(tǒng)還有TramGuard等。
19世紀(jì)70年代和80年代后，人們對(duì)TTE系統(tǒng)的研究興趣開(kāi)始下降，其原因一是礦井安全記錄的顯著改善，另一是當(dāng)時(shí)的泄漏電纜和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。泄漏電纜是一種特殊設(shè)計(jì)的電纜，它能較強(qiáng)地接受和輻射電磁波，從而實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線通信。這種電纜的缺點(diǎn)是對(duì)外部損傷非常敏感，既不能外包也不能掩埋，否則無(wú)法正常工作。一種與泄漏電纜類似的井下通信技術(shù)是所謂的中頻(Medium Frequencies，300KHz～3MHz)。這種頻率有獨(dú)一無(wú)二的寄生傳播(parasitic propagation)現(xiàn)象，從而可以模擬泄漏電纜的屬性卻不需要特殊設(shè)計(jì)的電纜，但其范圍變化依賴于許多因素。Conspec公司是唯一利用中頻特性開(kāi)發(fā)井下通信系統(tǒng)的，而且其天線非常笨重。澳大利亞的CSIRO開(kāi)發(fā)了一種用于緊急情況下監(jiān)測(cè)井下礦工位置和健康狀況的通信系統(tǒng)LAMPAS，該系統(tǒng)需要在整個(gè)井下布置一系列的無(wú)線信標(biāo)(beacon)。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(Wireless Mesh Networks)被認(rèn)為是未來(lái)最有前途的井下無(wú)線通信技術(shù)，它基于WiFi(注WiFi是wireless fidelity的縮寫(xiě)，也是符合IEEE 802.11b，g協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)的一個(gè)術(shù)語(yǔ))和特殊的TCP/IP協(xié)議。這種多跳(multi-hop)類型的網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)成冗余且自動(dòng)配置的，還有學(xué)習(xí)和自愈合(self-healing)能力。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有事先定義的路徑，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效或斷開(kāi)任何一條信號(hào)路徑(由于電源消耗或起火、塌方等事件)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)幾乎沒(méi)有影響(當(dāng)然，如果所有可能的射頻信號(hào)路徑被斷開(kāi)或太多節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)通信也將停止)。網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用能夠大大提高煤礦井下無(wú)線通信的可靠性。
另一方面，澳大利亞設(shè)計(jì)的PED系統(tǒng)具有很強(qiáng)的巖層和土層穿透能力(達(dá)200米厚)，能實(shí)現(xiàn)地面到井下的直接通信，但其地面與井下環(huán)狀天線尺寸都非常大(最小直徑10m，最大達(dá)120m)，而且不能實(shí)現(xiàn)由井下到地面的直接通信。
綜合上述的各種設(shè)備，其存在著以下共同的缺陷1)天線尺寸過(guò)大，通信設(shè)備笨重；2)只能實(shí)現(xiàn)地面到井下的單向通信；3)需要特殊的通信電纜或大量的已知信標(biāo)；4)要求已知井下地理信息；5)不能比較準(zhǔn)確地確定礦工的具體位置；6)并未考慮救援人員自身的安全問(wèn)題，沒(méi)有將地面人員、救援人員和井下礦工通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有效聯(lián)系起來(lái)。
目前，有一些井下通信系統(tǒng)混和使用了泄漏電纜、以太網(wǎng)(局域網(wǎng))和WiFi技術(shù)。也有少數(shù)供應(yīng)商推出了結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩電話通信協(xié)議(如GSM)和WiFi的移動(dòng)電話，但需要在礦井辦公室的PC機(jī)上安裝合適的軟件，且在井下布置WiFi網(wǎng)絡(luò)。
RFID(Radio Frequency Identification)是當(dāng)前另一種流行的井下定位技術(shù)，如山東濟(jì)寧高科公司研發(fā)的“KJ81井下人員定位系統(tǒng)”、北京凌天世紀(jì)自動(dòng)化技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的“KJ155礦井人員定位考勤系統(tǒng)”等?，F(xiàn)有的基于RFID識(shí)別技術(shù)的井下定位系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是需要在井下單獨(dú)鋪設(shè)有線通信電纜以便與地面通信，井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置事先已知，而且只能大致確定礦工與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置。當(dāng)前比較先進(jìn)的井下定位系統(tǒng)，如山東濟(jì)寧高科公司研發(fā)的“KJ81井下人員定位系統(tǒng)”，其工作原理一般是這樣的沿礦道布置一條有線通訊電纜，在該電纜上每隔一定距離連接一個(gè)有大功率RFID閱讀器的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為每個(gè)礦工配發(fā)一個(gè)RFID被動(dòng)式應(yīng)答器(一般設(shè)計(jì)在礦工帽里)。此后，當(dāng)?shù)V工在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)附近區(qū)域出現(xiàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)即可感知礦工的存在，并認(rèn)為感知節(jié)點(diǎn)的位置(事先已人工量測(cè))即為礦工的位置。
這些基于RFID的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中至少存在以下問(wèn)題1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在礦井正常作業(yè)時(shí)通過(guò)有線傳輸是完全可行的，但在礦難時(shí)由于塌方等原因很可能造成電纜斷裂或燒毀，從而無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)。2)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在礦井正常作業(yè)時(shí)通過(guò)井下電源供電是可行的，但在礦難時(shí)井下電源很可能斷電，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法正常工作。3)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍一般為幾十米甚至幾百米，因而用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置代替礦工所處的位置會(huì)造成很大的誤差(一般超過(guò)20米)。該誤差在礦井正常作業(yè)時(shí)也許無(wú)足輕重，但在礦難時(shí)卻是致命的，因?yàn)榫仍藛T難以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)找到受困礦工。4)要求監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置事先已知。這不外乎兩條途徑一是精確的儀器測(cè)量，二是連接時(shí)進(jìn)行大致的估計(jì)。前者耗時(shí)耗力，而后者會(huì)造成很大的誤差。5)如果礦道每向前推進(jìn)一個(gè)較小的距離(如50米)就增加布置有線電纜并連接相應(yīng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)顯然是很繁瑣的，但是如果礦道向前推進(jìn)較遠(yuǎn)距離后再增加有線電纜和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)又會(huì)造成礦工在某些位置時(shí)不能被感知到的現(xiàn)象。
此外，設(shè)計(jì)在礦工的礦工帽里的被動(dòng)式RFID識(shí)別卡在實(shí)際應(yīng)用中至少存在以下缺陷1)礦難發(fā)生時(shí)，礦工帽很可能由于各種原因(如砸下的石頭、礦工奔跑逃生等)脫離礦工，從而導(dǎo)致救援人員即使找到RFID識(shí)別卡，也找不到受困礦工，白費(fèi)功夫。2)被動(dòng)式RFID識(shí)別卡不能主動(dòng)發(fā)射很強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)。這樣，如果礦難時(shí)伴隨著塌方等現(xiàn)象，即使救援人員發(fā)出很強(qiáng)的搜救信號(hào)且RFID識(shí)別卡接受到該信號(hào)也無(wú)法穿透巖層或土層給出強(qiáng)的應(yīng)答信號(hào)，致使救援人員無(wú)法確定被困礦工的具體位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，使用可靠的井下人員定位救援系統(tǒng)及井下人員定位方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種井下人員定位救援系統(tǒng)，它包括由多個(gè)沿礦道布置的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組構(gòu)成的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和礦工隨身佩帶的無(wú)線跟蹤器，所述的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組由分別設(shè)置在礦道的兩側(cè)和頂部的三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。
所述的無(wú)線跟蹤器為腰帶式無(wú)線跟蹤器，所述的無(wú)線跟蹤器包括跟蹤器電路和第一天線，所述的跟蹤器電路設(shè)置在腰帶頭上，所述的第一天線為設(shè)置在腰帶中的單圈環(huán)狀天線。
所述的跟蹤器電路設(shè)置有兩頻點(diǎn)智能自動(dòng)跳頻電路。
所述的跟蹤器電路包括一個(gè)型號(hào)為Atmega128的單片機(jī)，所述的兩頻點(diǎn)智能自動(dòng)跳頻電路包括型號(hào)為AD9858的集成電路芯片，所述的集成電路芯片一端與所述的單片機(jī)連接，所述的集成電路芯片另一端通過(guò)型號(hào)為rfHCS362的第一解碼器和型號(hào)為L(zhǎng)M385的第一放大器與所述的第一天線連接。
相鄰的各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的間隔距離可以為20米~30米，也可以根據(jù)需要來(lái)設(shè)置。
該井下人員定位救援系統(tǒng)還可以包括救援人員攜帶的無(wú)線救援器，所述的無(wú)線救援器可以設(shè)置有易燃易爆和有害氣體檢測(cè)器。
所述的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有信號(hào)發(fā)送自愈合功能。
該井下人員定位救援系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送自愈合的具體方法為下一組節(jié)點(diǎn)向上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)正常接收到信號(hào)時(shí)，反饋正常接收的信號(hào)給下一組節(jié)點(diǎn)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)正常發(fā)送信號(hào)；當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不能接收下一組節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，下一組節(jié)點(diǎn)未接收到正常接收的反饋信號(hào)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)加大發(fā)射功率，跳過(guò)上一組節(jié)點(diǎn)向再上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，并向監(jiān)控中心發(fā)送上一組節(jié)點(diǎn)失效的信號(hào)。
上述井下人員定位救援系統(tǒng)的井下人員定位方法，包括以下步驟①首先在礦道的兩側(cè)和頂部設(shè)置由三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的第一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并確定該三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進(jìn)，每隔一段距離按相同的方式設(shè)置下一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并依此類推；③測(cè)出第一無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的下一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式得到該節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并依此類推得到各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的三維位置；④通過(guò)相近的一個(gè)或兩個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，測(cè)出所述的無(wú)線跟蹤器發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式得到所述的無(wú)線跟蹤器的三維坐標(biāo)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1、無(wú)需事先已知井下地理信息(電子地圖)、利用井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建礦工、無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)三維定位系統(tǒng)，打破了常規(guī)的井下人員定位技術(shù)，無(wú)需增加有線電纜，就能隨時(shí)監(jiān)測(cè)礦工的具體位置，并在礦難發(fā)生時(shí)，通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)迅速準(zhǔn)確地計(jì)算出受困礦工的位置，更好的保障了礦工的人身安全。上述定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在1)礦工、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)三維定位且精度很高，為礦難時(shí)救援人員迅速、準(zhǔn)確地接近受困礦工提供了有力依據(jù)；2)井下礦道三維地圖自動(dòng)構(gòu)建，從而不要求井下地理信息事先已知，免除了人工測(cè)量的麻煩，為礦井規(guī)劃開(kāi)采與人員跟蹤、救援等提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；在礦山正常運(yùn)營(yíng)時(shí)可以幫助經(jīng)營(yíng)者制定開(kāi)采計(jì)劃、提高開(kāi)采效率與效益，可以幫助管理者對(duì)井下礦工進(jìn)行比較準(zhǔn)確的三維定位和活動(dòng)軌跡跟蹤，而發(fā)生礦難時(shí)，有利于地面人員對(duì)救援人員以及救援人員之間進(jìn)行定位跟蹤、指揮，以提高救援效果，減少救援人員自身的損失；3)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置方便且對(duì)礦難有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
2、利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳原理設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的路由機(jī)制，使得數(shù)據(jù)鏈路失效時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自愈合功能，避免了在井下特殊的環(huán)境中，由于各種原因引起的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)失效，數(shù)據(jù)傳輸鏈路隨時(shí)中斷的缺點(diǎn)；而在平時(shí)則可以節(jié)省節(jié)點(diǎn)的耗電。
3、腰帶式無(wú)線跟蹤器便于礦工佩帶，而且即使發(fā)生礦難也很難脫離礦工；具有主動(dòng)發(fā)射功能的無(wú)線跟蹤器使礦工能主動(dòng)把井內(nèi)的情況反饋到外部，并利用該儀器的兩頻點(diǎn)智能跳頻功能，在平常使用433MHz的信道，而在礦難發(fā)生時(shí)將頻段轉(zhuǎn)跳到2.95MHz，2.95MHz頻段的無(wú)線信號(hào)較別的頻段的無(wú)線信號(hào)具有更強(qiáng)的巖層和土層穿透能力，至少可以穿透20m至40m厚的巖層或土層與井下救援人員直接通信，這樣可以幫助救援者盡快找到受困礦工，大大提高了救援效率；而設(shè)置在礦工腰帶里的單圈環(huán)狀天線比多圈天線有更強(qiáng)的噪聲抵制能力。
4、由救援人員下井時(shí)攜帶的無(wú)線救援器，用于與地面人員通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，便于地面人員對(duì)救援人員進(jìn)行跟蹤指揮，保證救援人員自身的安全；它所裝備的易燃易爆和有害氣體檢測(cè)器能自動(dòng)檢測(cè)礦難后礦井中有毒氣體或易燃易爆氣體的含量，以便采取相應(yīng)的行動(dòng)(原地不動(dòng)、返回或繼續(xù)前移等)；當(dāng)救援人員接近受困礦工時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線救援器確定受困礦工的具體位置，以便有針對(duì)性地及時(shí)營(yíng)救。
無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線跟蹤器、無(wú)線救援器都比較小巧，無(wú)需大尺寸天線，使用方便，操作簡(jiǎn)單，它們能相互無(wú)線聯(lián)通，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，因此不需要特殊的通信電纜就可以實(shí)現(xiàn)地面與井下的雙向數(shù)據(jù)傳輸。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明無(wú)線跟蹤器的外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明無(wú)線跟蹤器的電路原理圖；圖4為本發(fā)明無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖所示，一種井下人員定位救援系統(tǒng)，它包括由多個(gè)沿礦道布置的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組1構(gòu)成的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和礦工隨身佩帶的無(wú)線跟蹤器2，相鄰的各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的間隔距離為25米，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組1由三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，第一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)A、B、C分別設(shè)置在礦道入口處的礦道的兩側(cè)和頂部，無(wú)線跟蹤器2為腰帶式無(wú)線跟蹤器，包括跟蹤器電路21和第一天線22，跟蹤器電路21設(shè)置在腰帶頭3上，第一天線22為設(shè)置在腰帶4中的單圈環(huán)狀天線，跟蹤器電路21包括一個(gè)型號(hào)為Atmega128的第一單片機(jī)23和由型號(hào)為AD9858的集成電路芯片24構(gòu)成兩頻點(diǎn)智能自動(dòng)跳頻電路，可以在433MHz和2.95MHz之間自動(dòng)切換，集成電路芯片24一端與第一單片機(jī)23連接，另一端通過(guò)型號(hào)為rfHCS362的第一解碼器25和型號(hào)為L(zhǎng)M385的第一放大器26與第一天線22連接，第一天線22還通過(guò)由型號(hào)為DS90LV804的緩沖器31、型號(hào)為S3C4F10的解碼器32、型號(hào)為L(zhǎng)M385的第二放大器33和型號(hào)為SN74AHCT132DBR的施密特觸發(fā)器34構(gòu)成的信號(hào)接收電路與第一單片機(jī)23連接，第一單片機(jī)23上還連接設(shè)置有發(fā)光二極管35和蜂鳴器36，該系統(tǒng)還包括救援人員攜帶的無(wú)線救援器(未顯示)它的電路結(jié)構(gòu)與無(wú)線跟蹤器2的電路結(jié)構(gòu)相同，在無(wú)線救援器上設(shè)置有易燃易爆和有害氣體檢測(cè)器(未顯示)。
無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由型號(hào)為Atmega128的第二單片機(jī)11和型號(hào)為CC1000的射頻芯片12及第二天線13組成，它具有信號(hào)發(fā)送自愈合功能，具體方法為下一組節(jié)點(diǎn)向上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)正常接收到信號(hào)時(shí)，反饋正常接收的信號(hào)給下一組節(jié)點(diǎn)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)正常發(fā)送信號(hào)；當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不能接收下一組節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，下一組節(jié)點(diǎn)未接收到正常接收的反饋信號(hào)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)加大發(fā)射功率，跳過(guò)上一組節(jié)點(diǎn)向再上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，并向監(jiān)控中心發(fā)送上一組節(jié)點(diǎn)失效的信號(hào)。
上述的井下人員定位救援系統(tǒng)的井下人員定位方法，它包括以下步驟①首先在礦道入口處的兩側(cè)和頂部設(shè)置由三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)A、B、C構(gòu)成的第一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并確定該三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)A、B、C各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進(jìn)，每隔25米按相同的方式設(shè)置下一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并依此類推；③測(cè)出第一無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的下一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式 得到該節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并依此類推得到各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的三維位置；例如，設(shè)圖1中的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)A、B、C的三維位置為(1，0，0)m、(0，1，0)m、(0，0，1)m，信號(hào)衰減模型公式為 (其中，c為光速3×108m/s、f是信號(hào)頻率、d是發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接受節(jié)點(diǎn)之間的距離)，并設(shè)節(jié)點(diǎn)D的的發(fā)射功率是1w，而節(jié)點(diǎn)A、B、C接受的功率(即強(qiáng)度信號(hào))PA、PB、PC都是0.25w，則可以得出節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)A、B和C之間的距離dA、dB、dC分別為0.11m，從而可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)D的三維坐標(biāo)為(1.33，1.33.1.33)m；④通過(guò)相近的一個(gè)或兩個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，只要測(cè)出無(wú)線跟蹤器2發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式就可以得到無(wú)線跟蹤器的三維坐標(biāo)。
為了使該三維位置估計(jì)算法具有較強(qiáng)的魯棒性(抗干擾能力)，在步驟③中可以分以下兩種情形進(jìn)行處理如果PA、PB、PC都大于某個(gè)設(shè)定的閾值(如0dBm)，那么節(jié)點(diǎn)A和B會(huì)將計(jì)算的PA、PB以及它們的三維位置發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)C，由節(jié)點(diǎn)D的發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)A、B和C相應(yīng)的信號(hào)接收強(qiáng)度以及礦道的信號(hào)衰減模型，主節(jié)點(diǎn)C可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)D與A、B、C之間的空間距離dA、dB、dC，從而可以根據(jù)三角形原理精確計(jì)算出節(jié)點(diǎn)D的三維坐標(biāo)，如果PA、PB、PC中的一個(gè)或幾個(gè)小于設(shè)定的閾值，則節(jié)點(diǎn)A、B、C認(rèn)為自己接受到的是干擾信號(hào)，會(huì)要求節(jié)點(diǎn)D重發(fā)信息，直到PA、PB、PC都大于設(shè)定的閾值，以保證節(jié)點(diǎn)D的位置估計(jì)精度。用類似的方法可以估計(jì)出下一節(jié)點(diǎn)組中的三個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維位置，對(duì)后續(xù)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)下一節(jié)點(diǎn)組的三維位置已知，因而可以根據(jù)上述算法自動(dòng)確定其三維位置，依此類推，從而實(shí)現(xiàn)井下地理信息的自動(dòng)構(gòu)建和礦工(礦工相當(dāng)于移動(dòng)的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn))三維位置的精確估計(jì)，其定位誤差小于1m。
如圖1所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)A、B和C已布置好，其中，C為A和B的子節(jié)點(diǎn)，即下級(jí)節(jié)點(diǎn)，A和B為C的父節(jié)點(diǎn)，即上級(jí)節(jié)點(diǎn)，而且，它們的三維位置事先已知。布置好后續(xù)節(jié)點(diǎn)D后，根據(jù)上述井下地理信息自動(dòng)構(gòu)建算法無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)估計(jì)出節(jié)點(diǎn)D的三維位置，此時(shí)節(jié)點(diǎn)C就將節(jié)點(diǎn)D加為自己的子節(jié)點(diǎn)(為適應(yīng)節(jié)點(diǎn)容易失效的井下特殊環(huán)境，不對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，而是根據(jù)由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)計(jì)算出的三維位置表示各個(gè)節(jié)點(diǎn))。同時(shí)，一方面向節(jié)點(diǎn)A和B廣播這一消息，使得節(jié)點(diǎn)A和B將D加為自己的孫子節(jié)點(diǎn)，另一方面向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送消息，表明節(jié)點(diǎn)C是其父節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)A和B都是其祖父節(jié)點(diǎn)，從而建立起節(jié)點(diǎn)A、B、C和D之間的數(shù)據(jù)鏈路。顯然，根據(jù)這種方法可以類似地建立起節(jié)點(diǎn)A、B、C和另外的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)鏈路，如此繼續(xù)下去，即自動(dòng)完成了整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路的建立過(guò)程。
為保證上述路由機(jī)制的高效、可靠性以及節(jié)省節(jié)點(diǎn)電源消耗(為防止礦難時(shí)節(jié)點(diǎn)斷電，節(jié)點(diǎn)不采用井下電源，而是以高能電池供電)，正常情況下，節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍只有25m左右，因而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能由子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)礁腹?jié)點(diǎn)，而不能傳輸?shù)狡渥娓腹?jié)點(diǎn)。另一方面，數(shù)據(jù)傳輸鏈路建立后，如果鏈路上某個(gè)節(jié)點(diǎn)由于某種原因失效則該數(shù)據(jù)鏈路就被斷開(kāi)，如節(jié)點(diǎn)D的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本來(lái)通過(guò)其父節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行傳輸，由于某種原因節(jié)點(diǎn)C不能正常工作，造成數(shù)據(jù)傳輸鏈路中斷，節(jié)點(diǎn)D的數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)節(jié)點(diǎn)C傳輸。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)D會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)加大發(fā)射功率到信號(hào)覆蓋范圍為50m左右，使得其祖父節(jié)點(diǎn)A和B也能接受到它的信號(hào)。節(jié)點(diǎn)A和B接受到來(lái)自節(jié)點(diǎn)D的信號(hào)后，首先判斷該信號(hào)的接收強(qiáng)度是否超過(guò)設(shè)定的閾值(如0dbm)，如果沒(méi)有超過(guò)即認(rèn)為是干擾信號(hào)，不予理睬，否則判斷該信號(hào)的來(lái)源位置是否其孫子節(jié)點(diǎn)，如果不是則不予理睬，否則認(rèn)為是有效信號(hào)，并自動(dòng)將其子節(jié)點(diǎn)修改為節(jié)點(diǎn)D，同時(shí)向地面發(fā)送節(jié)點(diǎn)C失效的消息，并最終建立起新的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，完成數(shù)據(jù)鏈路的自愈合。
上述實(shí)施例中的信號(hào)衰減模型公式也可以使用其它已知的公式來(lái)替代。
權(quán)利要求
1.一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于它包括由多個(gè)沿礦道布置的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組構(gòu)成的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和礦工隨身佩帶的無(wú)線跟蹤器，所述的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組由分別設(shè)置在礦道的兩側(cè)和頂部三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于所述的無(wú)線跟蹤器為腰帶式無(wú)線跟蹤器，所述的無(wú)線跟蹤器包括跟蹤器電路和第一天線，所述的跟蹤器電路設(shè)置在腰帶頭上，所述的第一天線為設(shè)置在腰帶中的單圈環(huán)狀天線。
3.如權(quán)利要求2所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于所述的跟蹤器電路設(shè)置有兩頻點(diǎn)智能自動(dòng)跳頻電路。
4.如權(quán)利要求3所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于所述的跟蹤器電路包括一個(gè)型號(hào)為Atmega128的單片機(jī)，所述的兩頻點(diǎn)智能自動(dòng)跳頻電路包括型號(hào)為AD9858的集成電路芯片，所述的集成電路芯片一端與所述的單片機(jī)連接，所述的集成電路芯片另一端通過(guò)型號(hào)為rfHCS362的第一解碼器和型號(hào)為L(zhǎng)M385的第一放大器與所述的第一天線連接。
5.如權(quán)利要求1所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于相鄰的各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的間隔距離為20米~30米。
6.如權(quán)利要求1所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于它還包括救援人員攜帶的無(wú)線救援器，所述的無(wú)線救援器設(shè)置有易燃易爆和有害氣體檢測(cè)器。
7.如權(quán)利要求1所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)，其特征在于所述的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有信號(hào)發(fā)送自愈合功能。
8.如權(quán)利要求7所述的一種井下人員定位救援系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送自愈合方法，其特征在于具體方法為下一組節(jié)點(diǎn)向上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)正常接收到信號(hào)時(shí)，反饋正常接收的信號(hào)給下一組節(jié)點(diǎn)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)正常發(fā)送信號(hào)；當(dāng)上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，不能接收下一組節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，下一組節(jié)點(diǎn)未接收到正常接收的反饋信號(hào)，此時(shí)下一組節(jié)點(diǎn)加大發(fā)射功率，跳過(guò)上一組節(jié)點(diǎn)向再上一組節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)，并向監(jiān)控中心發(fā)送上一組節(jié)點(diǎn)失效的信號(hào)。
9.如權(quán)利要求1的井下人員定位救援系統(tǒng)的井下人員定位方法，其特征在于它包括以下步驟①首先在礦道的兩側(cè)和頂部設(shè)置由三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的第一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并確定該三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)各自的三維位置；②隨著礦道的向前推進(jìn)，每隔一段距離按相同的方式設(shè)置下一組無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，并依此類推；③測(cè)出第一無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的下一個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式得到該節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并依此類推得到各個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組的三維位置；④通過(guò)相近的一個(gè)或兩個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組，測(cè)出所述的無(wú)線跟蹤器發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，并利用信號(hào)衰減模型公式得到所述的無(wú)線跟蹤器發(fā)射的三維坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種井下人員定位救援系統(tǒng)及定位方法，特點(diǎn)是它包括由多個(gè)沿礦道布置的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組構(gòu)成的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和礦工隨身佩帶的無(wú)線跟蹤器，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組由分別設(shè)置在礦道的兩側(cè)和頂部三個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需事先已知井下地理信息，利用井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建礦工、無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)三維定位系統(tǒng)，無(wú)需增加有線電纜，就能隨時(shí)監(jiān)測(cè)礦工的具體位置，并在礦難發(fā)生時(shí)，通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)迅速準(zhǔn)確地計(jì)算出受困礦工的位置，更好的保障了礦工的人身安全。
文檔編號(hào)E21F11/00GK1858406SQ200610051840
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月7日
發(fā)明者鐘志光 申請(qǐng)人:寧波市科技園區(qū)艾因斯科技有限公司