专利名称：矿山地下开采活动实时监测系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种矿山地下开采活动实时监测系统及其方法。
背景技术：
通过对矿山地下开采所产生的行为分析发现，大部分开采活动都为厚厚的岩、土层所覆盖，能准确探测地下200-800米的开采活动的现成技术极为缺少，主要有边界振动电磁感应、建立在井下人员定位基础上的开采定位两种技术。边界振动电磁感应技术，通俗的讲就是埋线圈，该技术较为简单，不用复杂的计算模型，只是通过地下爆破时产生的振动，对电磁感应线圈(一种类型的传感器装置)产生影响，产生电磁感应微电流，通过微处理芯片转化为数字信号，然后通过并联导线依一定的通讯协议传送给终端服务器产生预预警信号。该技术只对震对信息进行感应性采集，无法计算震源的位置，需要铺设较长距离的回路电缆并实时供电，并且由于需要在矿区边界深挖填埋，施工成本非常高。同时回路任何一个点遭到破坏，很难查找，需要全部更换。井下人员定位基础上的开采定位技术是井下人员定位技术的延伸，井下人员定位是通过下井人员携带的射频卡(多装于安全帽)与射频采集卡的作用关系来进行的定位。 建立在这种技术上的开采定位也能实时的对采矿动态进行监测，但因为设备必须携带入井下，同时因下井人员的主观原因(如故意超层越界时可以不带此设备)，不能保证越界活动被监控，并且对建设巷道必须同时进行射频采集器的布点，给越界开采带来一定的不确定因素。
发明内容
为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种便于施工，稳定性高，监测精度高的矿山地下开采活动实时监测系统及其方法。本发明是通过以下措施实现的本发明的一种矿山地下开采活动实时监测系统，包括信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器和检测板，振动传感器采集振动信号，检测板将振动信号进行滤波处理和数字化；空间定位单元，包括连接检测板的主机，将检测板处理后的信号进行计算，得出爆破点的立体地理坐标数据；定位发布单元，包括远程监测服务器和显示器，远程监测服务器接收立体地理坐标数据，并标注在显示器显示的矿区电子地图上。为了能够较全面地采集到三维空间内的振动信号，上述振动传感器为布置在不同平面上的4 5个三轴振动传感器。上述主机连接有GPS授时�？椋糜诟骰凳笔谑保跎倭耸奔浠即吹牟�
量误差，使定位精度更高。为了方便信号传输，上述主机与远程监测服务器之间无线通信。
一种矿山地下开采活动实时监测系统的监测方法，包括以下步骤a.振动传感器采集矿区振动信号发送给检测板，检测板通过基于DSP的小波的快速算法对振动信号进行滤波去噪，并将信号数字化，识别出爆破地震波；b.主机对爆破地震波进行频谱分析，建立爆破监测定位数学模型，采用共轭向量基算法求解病态线性方程组，解出爆破点的立体地理坐标数据和时间；c.远程监测服务器接收到主机发送的爆破点立体地理坐标数据，并采用迭代的方法对数据进行坐标转换，标注在显示器显示的矿区电子地图上。优选的，在步骤a中，采用地表布点法，将振动传感器固定在两米左右钢管上，插入地表；或者采用深埋法，采用钻井设备钻10-60米的井洞，将振动传感器放入井洞，振动传感器采集来自三维空间内的振动信号。时间基准是计算结果准确性的关键，整个系统通过GPS进行授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。优选的，上述主机与远程监测服务器之间通过无线或\和有线通信。本发明的有益效果是1.相对于基于井下人员定位技术，有效排除人为因素的干预；与射频卡定位方式相比，系统自动完成对爆破地震波的采集与处理，不需要人工参与，减少了人为干预。与此同时，整个系统采用一点定位、多点监控相结合的监控措施(即一个点就能完成定位，但为了保障定位精度与抗故障特性，实行多点定位)，并且对监控状态又进行了故障报警设计， 加上对设备维护的考核性措施，可保证设备时刻在线，时刻监控，基本上排除人为干预。2.先进的波形提取技术与定位算法；波形提取技术与核心的数学模型是系统的灵魂，对波形的选取是建立在多次实验的基础之上的，最终选用了波形特征明显，提取效果最好的小波变换提取地震波信号，小波算法计算量大，存储量大，运算时间长，在底层硬件中实现小波算法有很大的难度，尤其为了保证系统的实时性，系统中采用了快速小波变换及其反变换。为了进一步减小程序的运行时间和存储量，对快速小波变换的编程进行了优化，实测进行一次256字长度的小波去噪算法时，系统仅用0. 2ms的时间，达到了实时性的要求。保证了爆破信号采集的准确性。同时，对于核心计算模型，经过了反复选取、模拟验证、实际验证，最终确实了最先进的共轭向量基算法计算模模型，攻克了快速高精度的定位技术难题。采用迭代的方法实现精确求解，提供了高精度的坐标变换技术。3.本系统选择的数学模型，完全满足了一点定位，即在只有一个检测点时，也可以进行爆破点的定位，但一点在精确度，故障破坏性上均可能存在问题，基于这种考虑，我们采用了多点定位，多个算法，同时采用CAN总线(或GPRS)进行数据互连，可增加检测点数提高定位精度，具有极强的可扩展性。这种综合设计不但有效提高了预警精度，同时又保证了对抗故障的能力。4.时间基准的科学性、准确性；时间基准是计算结果准确性的关键，系统采用了 GPS模块进行精确授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。5.极强适应能力与可靠的通信保障；该系统具有有线、无线两种工作方式，现场可以提供有线的条件时，采用有线方式，可以很快的进行爆破点的准确定位，在现场无法进行有线操作时，可以用GPRS进行数据传送，适合大矿区范围作业。通信采用严格协议规程， 独有的双向通讯协议指令，确保恶劣环境下，指令与数据的可靠传输，彻底杜绝由于数据传输出错而导致的漏报、误报。
图1为本发明的结构示意图。图中1振动传感器I，2检测板I，3振动传感器II，4检测板II，5振动传感器III， 6检测板III，7振动传感器IV，8检测板IV，9振动传感器V，10检测板V，11主机，12远程监测服务器，13显示器，14用户终端，15移动终端。
具体实施例方式如图1所示，本发明的一种矿山地下开采活动实时监测系统，包括信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器和检测板，每个振动传感器连接一个检测板，振动传感器为4 5个三轴振动传感器，布置在不同平面上，能够较全面地采集到三维空间内的振动信号。如图中的振动传感器I 1、检测板I 2、振动传感器113、检测板114、振动传感器1115、检测板1116、振动传感器IV7、检测板IV8、振动传感器V9和检测板V10，检测板将振动信号进行滤波处理和数字化。空间定位单元，包括连接检测板的主机11，将检测板处理后的信号进行计算，得出爆破点的立体地理坐标数据；主机11连接有GPS授时�？椋糜诟骰�11实时授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。定位发布单元，包括远程监测服务器12和显示器13，远程监测服务器12接收立体地理坐标数据，并标注在显示器13显示的矿区电子地图上。用户终端14也可以访问远程监测服务器12，查询相关信息。为了方便信号传输，上述主机11与远程监测服务器12之间、检测板和主机11之间通过移动通信基站无线通信，移动终端15也可以接收无线信号。其监测方法，包括以下步骤a.振动传感器采集矿区振动信号发送给检测板，检测板通过基于DSP的小波的快速算法对振动信号进行滤波去噪，并将信号数字化，识别出爆破地震波；b.主机11对爆破地震波进行频谱分析，建立爆破监测定位数学模型，采用共轭向量基算法求解病态线性方程组，解出爆破点的立体地理坐标数据和时间；c.远程监测服务器12接收到主机11发送的爆破点立体地理坐标数据，并采用迭代的方法对数据进行坐标转换，标注在显示器13显示的矿区电子地图上。在步骤a中，采用地表布点法，将振动传感器固定在两米左右钢管上，插入地表； 或者采用深埋法，采用钻井设备钻10-60米的井洞，将振动传感器放入井洞，振动传感器采集来自三维空间内的振动信号。时间基准是计算结果准确性的关键，整个系统通过GPS进行授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。主机11与远程监测服务器12之间通过无线或\和有线通信。具体的操作步骤为(1)布点;根据矿区整体结构，在矿区范围内选择合适的信息采集点(多选用具备供电优势与监管优势的工区)。对环境纯净的矿区采用地表布点法，将传感器固定在两米左右钢管上，插入地表。对于干扰较大矿区，采用深埋法，采用钻井设备钻10-60米的井洞(根据实际情况以越过潜水层为最佳)，将爆破振动传感器放置于洞底，传感器信号通过引线引升到地面。传感器在安装的过程中进行传感器及引线电缆的防水、防土壤腐蚀、防鼠害、防地质灾害拉伸破坏等工作。(2)震波采集、爆破地震波识别和传输；在矿井下爆破发生时，产生的振动波作用于所布点的振动传感器，由振动传感器采集后通过导线电缆传出地面，经过软件智能识别，判断为爆破地震波后，进行存储，并将爆破发生时刻及地点信息发给主机11。由于振动传感器检测的信号含有很多的干扰，这些干扰信号不仅可能淹没了正常的爆破地震波信号，还可能造成对爆破地震波到达时刻的误判，从而导致不能正确检测地震波或引起定位的误差。为了对爆破点进行精确定位，首先应该排除其他信号的干扰。主要包括天然地震，脉动，矿车、火车或其它汽车的振动，大风或雷电的干扰，矿震等。小波变换是近年来受到十分重视的新技术，面向特征检测以及纹理分析的许多新方法，如多分辨率分析、时频域分析、金字塔算法等，都最终归于小波变换(wavelet transforms)的范畴中。线性系统理论中的傅立叶变换是以在两个方向上都无限伸展的正弦曲线波作为正交基函数的。对于瞬态信号或高度局部化的信号(例如边缘)，由于这些成分并不类似于任何一个傅立叶基函数，它们的变换系数(频谱)不是紧凑的，频谱上呈现出一幅相当混乱的构成。这种情况下，傅立叶变换是通过复杂的安排，以抵消一些正弦波的方式构造出在大部分区间都为零的函数而实现的。为了克服上述缺陷，使用有限宽度基函数的变换方法逐步发展起来了。这些基函数不仅在频率上而且在位置上是变化的，它们是有限宽度的波并被称为小波(wavelet)。基于它们的变换就是小波变换。检测板采用基于DSP的小波的快速算法。对于高斯白噪声这样的非平稳信号，小波去噪法无疑是较好的滤波算法，然而小波算法计算量大，存储量大，运算时间长，在底层硬件中实现小波算法有很大的难度，尤其为了保证系统的实时性，系统中采用了快速小波变换及其反变换。为了进一步减小程序的运行时间和存储量，对快速小波变换的编程进行了优化，实测进行一次256字长度的小波去噪算法时，系统仅用0. 2ms的时间，达到了实时性的要求。为此，使用快速小波变换(DWT)，对信号进行重构时，使用快速小波反变换(FWT)。 计算步骤为(1)将 f(x)投影到 IVJ 上Y4Cn^(InX-U)(2)小波分解算法使用多分辨分析的金字塔算法时，
权利要求
1.一种矿山地下开采活动实时监测系统，其特征在于，包括信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器和检测板，振动传感器采集振动信号，检测板将振动信号进行滤波处理和数字化；空间定位单元，包括连接检测板的主机，将检测板处理后的信号进行计算，得出爆破点的立体地理坐标数据；定位发布单元，包括远程监测服务器和显示器，远程监测服务器接收立体地理坐标数据，并标注在显示器显示的矿区电子地图上。
2.根据权利要求1所述矿山地下开采活动实时监测系统，其特征在于所述振动传感器为布置在不同平面上的4 5个三轴振动传感器。
3.根据权利要求1所述矿山地下开采活动实时监测系统，其特征在于所述主机连接有GPS授时模块，用于给主机实时授时。
4.根据权利要求1所述矿山地下开采活动实时监测系统，其特征在于所述主机与远程监测服务器之间无线通信。
5.一种利用权利要求1所述的矿山地下开采活动实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤a.振动传感器采集矿区振动信号发送给检测板，检测板通过基于DSP的小波的快速算法对振动信号进行滤波去噪，并将信号数字化，识别出爆破地震波；b.主机对爆破地震波进行频谱分析，建立爆破监测定位数学模型，采用共轭向量基算法求解病态线性方程组，解出爆破点的立体地理坐标数据和时间；c.远程监测服务器接收到主机发送的爆破点立体地理坐标数据，并采用迭代的方法对数据进行坐标转换，标注在显示器显示的矿区电子地图上。
6.根据权利要求5所述矿山地下开采活动实时监测系统的监测方法，其特征在于在步骤a中，采用地表布点法，将振动传感器固定在两米左右钢管上，插入地表；或者采用深埋法，采用钻井设备钻10-60米的井洞，将振动传感器放入井洞，振动传感器采集来自三维空间内的振动信号。
7.根据权利要求5所述矿山地下开采活动实时监测系统的监测方法，其特征在于整个系统通过GPS进行授时。
8.根据权利要求5所述矿山地下开采活动实时监测系统的监测方法，其特征在于所述主机与远程监测服务器之间通过无线或\和有线通信。
全文摘要
本发明公开了一种矿山地下开采活动实时监测系统，包括信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器、检测板、空间定位单元和定位发布单元，检测板通过基于DSP的小波的快速算法对振动信号进行滤波去噪，并将信号数字化，识别出爆破地震波；解出爆破点的立体地理坐标数据和时间；标注在显示器显示的矿区电子地图上。本发明的有益效果是便于施工，稳定性高，监测精度高。
文档编号G01V1/00GK102279410SQ20111016668
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者张增奇, 徐孟军, 王宗省, 蔡广银 申请人:北京蓝尊科技有限公司
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