一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法.pdf

一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，通过键控便携式发信机(或经过专门训练的人)控制铁锤按编码规则敲击地下设施已有的(或专用的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质以产生声脉冲信号；根据声脉冲的个数和声脉冲之间的时间间隔所表示的不同的敲击方式表示数码“0”、“1”，不同位数的“0”“1”组合，表示大量不同的通信信息；敲击所产生的声脉冲信号以地下设施的刚性介质为信道进行传输；收信端通过带封闭罩的高灵敏度拾音器获取声脉冲信号，采用信号处理技术实现对声脉冲信号的记录、自动检测、识别和译码，完成地下与地面的双向通信任务，为地下灾难(或事故)的营救通信提供一种新的技术方法。

1.  一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：发信端通过键控便携式发信机(或经过专门训练的人)控制铁锤按编码规则敲击地下设施已有的(或专用的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质以产生声脉冲信号；根据声脉冲的个数和声脉冲之间的时间间隔所表示的不同的敲击方式表示数字信息“0”、“1”，不同位数的“0”“1”组合，表示大量不同的编码信息；敲击所产生的声脉冲信号以地下设施已有(或专用)的刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质为信道传输，收信端通过带封闭罩的高灵敏度拾音器获取声脉冲信号，并对该模拟信号进行采样，中央处理单元对采样得到的数字信号采用信号处理技术实现对声脉冲信号的记录、自动检测、识别和译码，完成地下与地面的双向通信任务。

2.  根据权利要求1所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其便携式发信机主要由嵌入式微型计算机、步进电机和数控键盘和信息输入装置构成，实现键控敲击以产生特定声脉冲信号的功能，其它部件包括可调固定卡、伸缩杆、方位调节器、敲击铁锤、电源盒，其特征是：便携式设计，方便固定、方位可调节以及能进行发信操作，自带可循环充电的锂离子电池组或蓄电池组作为电源，适合地下出现灾难和事故时使用。

3.  根据权利要求1所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其收信端包括拾音器、采集卡、中央处理单元和电池组，其特征是：拾音器灵敏度高；采集卡，用于实现模数转换，记录并存储数据；中央处理单元，用于软件实现声脉冲信号记录、检测、识别和译码的功能；电池组可与便携式发信机电源共用，选用循环充电的锂离子电池组或蓄电池组为拾音器、采集卡和中央处理单元提供电源，适合地下出现灾难和事故时使用。

4.  根据权利要求1、2和3所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：信道即传声设施选择传声效果好且不易损坏的已有的(或专用的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质；便携式发信机与刚性介质通过可调固定卡固定连接；拾音器置于封闭罩内通过可伸缩的固定环与刚性介质无缝接触。

5.  根据权利要求1、2和3所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：发信端发信方式可选择机械发报方式或由经过专门训练的人采用人工发报方式；收信端译码信息可选择界面显示或语音播报。

6.  根据权利要求1、2和3所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：橡胶材质的封闭罩设计为半球型，拾音器置于罩内合适位置，使之尽可能接触刚性介质，隔离环境噪声，增加采集到的声脉冲信号的信噪比。

7.  根据权利要求1、2和3所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：数据采集部分选择便携式数据采集卡采集声脉冲信号，便携式数据采集卡与中央处理单元通过USB接口连接，操作简单。

8.  根据权利要求1、2和3所述的一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，其特征是：对采集到的声脉冲信号采用端点检测和模糊聚类的方法实现声脉冲信号的检测和识别。

一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法
技术领域
本发明涉及一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，能实现矿井、地下军事设施、人防隧道等地下设施在常用通信方式无法使用的条件下，通过信息发送装置的机械方式或人工方式敲击地下已有的(或专门预置的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质，产生声脉冲信号，声脉冲信号通过刚性介质传输到地面，地面使用专用的信息接收装置检测分析声脉冲信号并还原出发送方发送的信息，以建立地下到地面的通信。地下也有地面的信息接收装置，地面也有地下的信息发送装置，将地下和地面的通信方式互换，能够实现地上与地下之间的双向通信。本发明可以为地下设施发生灾难实施营救时的通信保障提供一种新的方法。
背景技术
地下设施中地下与地面之间的最低限度通信是一个值得研究的重要问题。目前，矿井、地下军事设施、人防隧道等地下设施的地下深度能够达到几百米，例如我国大型煤矿、朝鲜和伊朗的核设施都在地下400多米。以矿井为例，国家发改委对国内煤矿开采深度的统计显示，大中型煤矿平均开采深度456米。矿井下地质条件非常复杂，工作环境恶劣，环境中存在着大量的有爆炸危险的一氧化碳、瓦斯及煤尘等空气混合体，事故隐患极大，严重威胁井下人员的生命安全。一旦发生瓦斯爆炸、塌方等矿难极有可能导致有线通信线路和动力线缆断路、井下有线和无线通信完全中断，无法建立幸存者和地面营救人员之间的通信联络。
现有的地下设施中地下和地面之间的通信中有线通信和无线通信并存，以有线通信居多。无线通信由于电波的穿透性差，难以覆盖地下设施的全部区域，而有线通信由于设置固定位置的通信终端(语音为主)，难以保障地下营救时的通信。这些通信方式平时都能很好的工作，可以保障通信任务的完成。但在遭遇矿井瓦斯爆炸、人防隧道塌方、地下军事设施遭到爆破性武器持续攻击时，由于地下设施中固定的有线通信终端和无线通信基站数目有限且都容易损坏，完全可能致使通信链路中断。发生地下事故和灾难时，地面营救人员迫切希望了解地下设施中是否还有幸存者、幸存者所在具体位置、幸存者周围的地形状况等关键营救信息，而这些信息可能用已有的通信系统无法由地下幸存者从地下给出。
地下设施受到爆破性武器攻击或发生地下灾难等事故后，可能产生较为复杂的地质情况和地质构造。例如，发生塌方后，某个人幸存下来后，即便离他十米处有一个有线通信终端还可供使用，但由于地形阻隔，无法使用。
根据现有的技术水平，地下和地面之间的通信应该是多种通信方式并存，这样不同的通信方式可以发挥各自的优点，互为补充。
为此本发明构想利用不易损坏的刚性管道作为信道，建立地下和地面之间声通信的链路。这些已有的(或专门预置的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质可以连通地下设施各个工作面和地面，发生地下灾难后，可能导致这些刚性介质弯曲变形但不易完全折断，因此传声的物理基础仍然可能存在。故可以通过敲击这些刚性介质发送声脉冲信号的形式实现发送和接收信息，接收端设备按通信协议完成信息恢复，建立双向通信，使之作为多种地下和地面通信方式中的一种，不同方式之间可以互为补充和完善。
这是有理论依据的，例如：一个标准大气压下声音在钢铁中传播的速度是5200m/s，声波能量损耗以纵波传播方式最小，只要敲击能量源足够大，完全可以传送几百米甚至上千米的距离。在接收敲击声脉冲信号时，可以利用先进的声信号处理技术，实现地下设施中地下与地面之间关键信息的发送和接收。
本发明阐述的用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法也同样适用于隧道、人防设施和地下军事指挥所以及其它地下设施在发生灾难和事故等条件下的通信，各种地下设施在建设或维护时可预置专用传声性能好的刚性管道与地面多处连通(或利用已有刚性管道)，可以为保障地下幸存者和地面营救人员在上述条件下的通信提供一种新的技术方法。
国内在已发生的矿难(或地下设施发生事故)营救中，营救人员几乎完全不知道井下的情况。所制定的营救计划缺乏准确的井下幸存者的信息支撑，因此并非最佳方案。这一问题在国内外均存在，是一个有共性的问题。为解决这一世界性难题，本发明阐述了利用地下设施中不易损坏的已有的(或专门预置的)刚性管道、通风管道或运输铁轨等刚性介质作为信道传送信息，建立通信的方法。
本发明主要利用专用预置金属管道和运输铁轨作为两个具体实施例来表明本发明所阐述的用于地下营救时地下与地面进行声通信方法的可靠性和有效性，具体内容在具体实施方式部分详细描述。
发明内容
地下设施发生灾难和事故后，由于地下设施的地下结构可能面积庞大，地形和地质结构复杂，地面营救人员迫切需要了解地下设施中是否还有幸存者、有多少幸存者、幸存者所在具体位置、幸存者周围的地形状况等关键营救信息，而这些信息可能用已有的通信系统无法由地下幸存者从地下给出。而如果缺乏准确的地下幸存者的信息支撑，就难以制定有效的和最佳的营救计划，为此本发明公开了一种用于地下营救时地下与地面进行声通信的方法，该方法可以与其它多种通信方式并存，互为补充，为地下营救时地下与地面的通信保障提供一种新的技术方法。通过键控便携式发信机(或经过专门训练的人)控制铁锤按编码规则敲击地下设施已有的(或专用的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质以产生声脉冲信号，根据声脉冲的个数和声脉冲之间的时间间隔所表示的不同的敲击方式可以表示数字信息“0”、“1”。根据地下营救的特点，通过不同位数的“0”“1”组合，可表示大量不同的通信编码信息。敲击所产生的声脉冲信号通过地下设施已有(或专用)的刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质传输到地面，地面收信设备通过带封闭罩的高灵敏度拾音器获取传输的声脉冲信号，并对该模拟信号进行采样，中央处理单元对采样得到的数字信号采用信号处理技术实现对声脉冲信号的记录、自动检测、识别和译码，完成地下到地面的通信任务。在地下和地面都配备信息发送和收信装置以完成地下和地面的双向通信。
采用本发明设计的信息表示方法，可以根据以往地下灾难营救中所需的关键信息编码制定信息表，即为码本，一组不同位数的“0”“1”组合指向营救所需的一条关键信息，比如是否缺氧、幸存者的工作面位置、有多少人幸存等等，不同的码组的组合可表示大量的不同编码信息，能极大地提高了传输信息的效率。
采用本发明的方法设计的通信终端，是可以移动的，避免了有线通信终端受电缆长度和设置地点固定的限制，只要有刚性管道存在，就可以根据地下地形条件，就近使用，开展地下和地面的通信。地面设备在营救期间，可以长期不间断无人值守，一旦收到地下被困人员发出的信息，将会自动检测识别给出接收信息的内容，同时给予语音提示，这将极大减轻地面营救人员的工作强度。在发信地点布置上也可以非常灵活，完全可以和地下有线终端摆放位置错开，彼此形成互为补充的通信方式。采用本发明的方法设计的通信终端，由于采用电池组供电，自带电源，不受地下事故发生后断电的困扰。
采用本发明设计的通信方式，能够实现地下被困人员向地面营救人员传递出地下幸存者所在的位置、幸存人员的数目、幸存人员所处位置的大致地质情况等营救所需的关键信息，这对地面救援人员快速制定科学的营救策略、争取营救时间是非常重要的。同时，由于地下也有地面的信息接收装置，地面也有地下的信息发送装置，将地下到地面的通信方式互换，完全能够实现地上到地下的通信。地面信息也可以有效传递到地下发出信息的幸存人员处，这也有利于建立地下幸存人员坚持的信心，增大获得营救的概率。因此，本发明具有明显的社会效益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
根据所需信息量的大小，对敲击声脉冲信号进行多位数字“0”“1”编码。“0”码和“1”码用不同的敲击次数和间隔加以区分，为提高容错性能，连续敲击n次代表“0”码，连续敲击n₁次代表“1”码，连续敲击n₂次代表“报头”。设置同码组内每两次敲击的间隔时间为T，“0”码和“1”码间隔3T，“0”、“1”两种信息码组和“报头”之间间隔为5T。为提高通信的时效性，适应于地下设施发生灾难和事故的使用条件，方案规定“报头”和各码组以及它们之间间隔的组合为一条报文，同时指向制定的通信码本中的一条关键信息。
发信端由经过专门训练的人员采用铁锤敲击进行人工发报或键控便携式发信机控制铁锤进行机械发报，人工发报方式操作简单，发报人员只要有铁锤等刚性物件即可发报，但一般人员难以控制敲击能量和码时间隔，对接收端的信号检测识别算法要求高，除非该人员经过专门训练。机械发报方式能严格控制敲击能量和码时间隔，降低误判率。便携式发信机的数控键盘和信息输入装置上的单个或其组合按键对应码本中的每条关键信息，设置“清除”和“发送”两功能按键，发报时键入码本关键信息的序号，同时信息在嵌入式微型计算机显示屏上显示，键入错误时按“清除”键清除键入数字，无错误时按“发送”键，步进电机接收嵌入式微型计算机的指令带动敲击铁锤完成多次敲击动作以产生声脉冲信号，完成信息发送。
此外，还可以人工输入发信内容，由嵌入式微型计算机根据事先定义的编码规则自动翻译成“0”、“1”序列，并控制步进电机带动敲击铁锤完成多次敲击动作以产生声脉冲信号，完成信息发送。
信道主要选择地下已有的(或专门预置的)刚性管道、通风管道、运输铁轨等刚性介质。首选专用的预置刚性管道，各地下设施在设置时尽量垂直于地面设置，减少管道长度从而减小声音传播时的声能损耗，具体布设时以实际地形为准。
为减小采集时环境噪声的影响，在接收端将高灵敏度拾音器置于橡胶材质的封闭罩内，该封闭罩尽可能与管道无缝接触，尽量隔绝采集端所在位置上环境噪声的影响，拾取地下传来的敲击声脉冲信号。利用数据采集卡和中央处理单元将采集的信号记录、存储为文件后进行处理，亦可直接进行处理。处理中对信号进行能量检测以提取特征参数，最后对各敲击脉冲和码间间隔按编码规则进行模糊聚类加以识别，再通过中央处理单元的专用软件参照通信码本进行译码，结果可在中央处理单元的界面上显示或语言播报，达到获取关键信息的目的。
本发明的有益效果是：可以在矿井、地下军事设施、人防隧道等地下设施发生灾难和事故时接收和发送关键信息，实现此条件下的通信。本发明特别能在和平时期矿难营救中为营救工作顺利展开提供一种新的通信保障方法。战时可为人防和地下军事设施提供另外一种具有“顽存性”的地下应急备用的通信方法。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的发信原理框图。
图2是本发明便携式发信机的纵剖面构造图
图3是本发明封闭罩纵剖面构造图
图4是本发明第一个实施例的连接示意图
图5是本发明第二个实施例的连接示意图
图1中发信端提供两种发报方式：经过训练的人工方式101和机械方式102。信道103即为传输声脉冲信号的刚性管道。拾音器104要求灵敏度高。采集卡105选择便携式低功耗卡。中央处理单元106完成采集信号的所有数据处理，包括储存、检测、识别、译码等。电池组107为拾音器104、采集卡105和中央处理单元106供电，设置为循环充电的锂离子电池组或蓄电池组，以方便携行。
图2中便携式发信机主要由嵌入式微型计算机208和步进电机205构成，实现键控敲击以产生特定声脉冲信号的功能。图中201为可调固定卡，202为伸缩杆，203为方位调节器，204为敲击铁锤，205为步进电机，206为电源盒，207为数控键盘和信息输入装置。其中敲击铁锤204为发报必备装置。为做到便携式的要求，整机由12V直流电控制，电源盒206在步进电机205旁边，电源盒206中装有可循环充电的锂离子电池组或蓄电池组。应用中电源盒206可以和电池组107共用。嵌入式微型计算机208与步进电机205、数控键盘和信息输入装置207相连接实现键控功能。
图3所示的封闭罩301选择橡胶材质，拾音器104设置在封闭罩内合适的位置，使之能更好地接触刚性介质，设置可伸缩的固定环302使之与刚性介质无缝接触，隔离采集时的环境噪声，提高待处理信号的信噪比。
图4的实施例中，采用图2阐述的便携式发信机402进行机械方式发报，信道选择32层的高楼消防供水管道401，管道内随时充满了水，水能吸收声波能量，用于模拟实际声脉冲传播环境中声脉冲信号发生损耗的情况。为增加实施难度，封闭罩403暂不采用图3所示的橡胶材质的封闭罩301，而采用厚纸盒捆绑固定，只能少部分隔离采集时的环境噪声，以此检验系统的可靠性能。采集卡105、拾音器104、中央处理器106由电池组107供电，采集卡105与中央处理单元106通过便捷的USB接口连接。
图5的实施例中，由经过专门训练的人采用人持铁锤502进行人工方式发报，信道选择长度为100米的铁轨501，地处市区环境噪声很强，以此检验收信机部分检测和识别信号的能力。采用橡胶材质的封闭罩301隔离市区嘈杂的环境噪声，采集卡105、拾音器104、中央处理器106由电池组107供电，采集卡105与中央处理单元106通过便捷的USB接口连接。
具体实施方式
下面参照附图，详细描述本发明具体实施方式。
图1示出了本发明的发信原理框图，其各部分组成包括：
发信端：依据发信操作简单、方便携行、稳定可靠的原则，按照本发明阐述的技术方案，设计了人工发报和机械发报两种发信方式，可供实际应用中选择。
信道部分：利用已有的刚性管道(或在新建地下设施和维护时预置多条专用的传声效果好的刚性管道)，管道尽可能的与地面垂直，以缩短距离，减小声能传播损耗，管道可连通地下设施的各个工作点，但具体布设时应根据实际地形而定。
收信端：拾音器104的频率响应在20Hz～20KHz。主要硬件为数据采集卡105，实施时选用一种型号为9215A的数据采集卡。该数据采集模块具有低功耗、集成式信号调理功能，通过USB接口可以实现即插即用，与中央处理单元106方便连接，使设置和测量更加快捷。
主要软件为虚拟仪器软件LabVIEW和数学计算编程软件Matlab。LabVIEW(LaboratoryVirtual Instrument Engineering Work-bench，实验室虚拟仪器工程平台)，它是基于图形化编程语言G的开发环境，利用它能很方便的采集记录数据，在LabVIEW的MathScript节点内填写检测识别核心算法，译码输出结果能形象直观的显示在虚拟仪器面板上或语音播报。
在图2所示的便携式发信机结构中，针对地下设施发生灾难和事故时的具体实际情况，所有设计应力求操作简单、便捷。被困人员在危急状况下不可能进行复杂的发报工作，为此可调固定卡201可方便的固定发信机，以至于保证每次敲击的能量和时间间隔均匀，这样便于地面接收时的进行能量检测和间隔识别等信号处理。伸缩杆202和方位调节器203可以方便的调节发信机和刚性管道的距离和方位。在嵌入式微型计算机208的控制下，步进电机205驱动敲击铁锤204。
数控键盘和信息输入装置207上的按键对应码本中的每条关键信息，设置“清除”和“发送”两功能按键，发报时键入码本关键信息的序号，键入错误时按“清除”键清除键入数字，无错误时按“发送”键，数控键盘和信息输入装置207所有的操作指令送入嵌入式微型计算机208处理，在嵌入式微型计算机208的控制下，步进电机205带动敲击铁锤204完成规定的多次敲击动以产生声脉冲信号，完成信息的发送。电源盒206可和电池组107共用，为嵌入式微型计算机208、步进电机205提供电源。
图3所示的封闭罩装置301，主要用于隔离采集时的环境噪声。设计为橡胶材质、半球型，拾音器104设置在封闭罩内合适的位置，使之能更好地接触刚性介质，在边缘加可伸缩的固定环302使之能和传声的刚性介质方便的无缝地连接，尽可能隔绝声信号采集卡所在位置的环境噪声的干扰。
下面阐述本发明的第一个实施例。
在图4所示的实施例中，选择高楼的消防供水管道401作为传声信道，选用图2中的便携式发信机发送信息。
采集时采用单通道采集声脉冲信号，采样率为44.1KHz，拾音器104选择TRADIOTM系列的TR25498型拾音器。检测时对采集到的声脉冲信号按帧长512点进行分帧，设置帧移为128点，对信号加矩形窗处理，所加矩形窗窗长128点，对信号进行端点检测，设置端点检测的门限以去除噪声的影响。继而按编码规则进行模糊聚类以识别敲击所产生的声脉冲和各码时间隔。
整个装置的工作过程如下：
图2阐述的便携式发信机402与高楼消防水管401相连接，用可调固定卡201保持固定，并通过伸缩杆202和方位调节器203调节距离和方位，发信者在数控键盘和信息输入装置207键入代表信息的数字，键盘上的数字按键对应码本中的每条关键信息，设置“清除”和“发送”两功能按键，键入错误时按“清除”键清除键入数字，无错误时按“发送”键。所有指令送入嵌入式微型计算机208，经过处理后，嵌入式微型计算机208控制步进电机205，步进电机205带动敲击铁锤204完成多次敲击产生声脉冲信号，完成信息发送。
接收端为隔离采集时的环境噪声和检验中央处理单元检测、识别信号的能力，高灵敏度拾音器104置于厚纸盒制成的封闭罩403中，尽可能与高楼消防供水管401无缝接触，利用便携式数据采集卡105，结合虚拟仪器软件LabVIEW实现信号的采集与记录，编程实现信号的检测、识别和译码。
信道103选择如上所述的消防供水管道401，以此模拟地下通信设施的专用的预置刚性管道。消防供水管401穿通各个楼层，并且管内充满了水，水能吸收声波的能量。在100米消防供水管实验中采集到的敲击声脉冲信号信噪比较高，端点检测设置门限为0.3，检测识别效果明显，验证了中央处理单元具有较好的信号检测、识别能力。
下面阐述本发明的第二个实施例。
在图5所示的实施例中，选择铁轨501作为传声信道，以人工方式发报，实施中实验人员经过专门训练，敲击力度和时间间隔比较均匀。
采集时采用单通道采集声脉冲信号，采样率为44.1KHz，拾音器104选择TRADIOTM系列的TR25498型拾音器。检测时对采集到的信号按帧长512点进行分帧，设置帧移为128点，对信号加矩形窗处理，所加矩形窗窗长128点，对信号进行端点检测，设置端点检测的门限以去除噪声的影响。继而按编码规则进行模糊聚类以识别敲击所产生的声脉冲和各码时间隔。
整个装置的工作过程如下：
在本实施例中，选择人工发报方式，通过经专门训练的实验人员手持铁锤502按编码规则敲击铁轨501发报，以检验本发明的可实现性。对实验人员的要求是能够熟练将发送内容转换成不同的敲击次数和控制时间间隔。
人工发报区别于第一个实施例中的机械发报主要在于敲击能量和码时间隔，人工发报每次敲击能量和码时间隔都不均匀，这对接收端信号的检测和识别提出了更高的要求。本着便捷的宗旨，人工发报方式“0”码和“1”码同样用不同的敲击次数加以区分，此方式下连续敲击3次代表“0”码，连续敲击6次代表“1”码，连续敲击9次代表“报头”。假设同组内每两次敲击间隔为T，那么设置“0”码和“1”码间隔3T，“0”、“1”和“报头”之间间隔为5T。“报头”和各码组以及它们之间间隔的组合为一条报文并指向一条关键信息。
接收端同样利用第一个实施例的收信机部分，将高灵敏度拾音器104置于橡胶材质的封闭罩301内，尽可能与铁轨501内侧接触以隔离环境噪声，利用数据采集卡105，结合虚拟仪器软件LabVIEW和中央处理单元106实现信号的检测、识别和译码。
信道选择与第一个实施例相同长度的铁轨501传输声脉冲信号，由于声波能量在固体中比在液体和气体衰减快，采集到的信号能量降低，信噪比有所下降，所以在对信号进行端点检测时门限设置为0.5，即可识别敲击所产生的声脉冲信号和码时间隔信息，完成信息的接收。
由于本领域的一般技术人员根据本方明方案很容易进行多种的改进和变化，所以希望所有的适当的改进和等效都包含在本发明的范围内。