煤矿井下人员伤害预警系统技术领域
本发明涉及一种煤矿井下人员伤害预警系统，该系统涉及无线电通信、井下安全
监控和定位技术等领域。
背景技术
煤矿井下人员定位系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一，在煤矿井下定员管
理和应急救援工作中发挥着重要的作用,有效保障了煤矿安全生产。煤炭行业是高危行业，
除瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故外，煤矿生产过程中各类机械伤害也是造成井下人员
伤亡的重要因素，特别是采掘工作面机械和输送机械等。除必要的煤矿安全规程等制度和
人为管理措施外，目前的煤矿安全监控系统无法自动对此类机械伤害进行预警，所以需要
一种可实时自动监测以上机械工作区域安全的预警系统,防止此类伤害事故的发生，减少
煤炭生产过程中的人员伤亡。
发明内容
本发明提供了一种煤矿井下人员伤害预警系统，所述系统监测矿井下的至少一个
目标的位置；所述被监测的目标携带至少一种用于监测目标位置的定位装置；所述被监测
的目标包括井下工作人员；系统监测至少一个井下设备，监测内容包括井下设备的位置、工
作区域、井下设备的运行状态，系统具有对所述井下设备的控制功能；所述系统包括通信网
络，通信网络连接所述井下设备的控制装置，用于采集所述井下设备的工作状态，并传输控
制信息；当所述系统监测到目标位置在设定的所述井下设备的警戒工作区域内时，发出报
警信息并停止运行所述井下设备并闭锁设备运行控制，直至目标位置不在所述井下设备的
警戒工作区域内时，才能解锁所述井下设备的运行控制；所述设备包括带式输送机、刮板输
送机、采煤机、掘进机、绞车。
1.所述预警系统进一步包括：所述定位装置包括监测绝对位置的装置和监测相对
位置的装置。
2.所述预警系统进一步包括：所述定位装置包括三维定位装置、二维定位装置、一
维定位装置。
3.所述预警系统进一步包括：所述定位装置包括井下定位系统的终端设备。
4.所述预警系统进一步包括：所述定位装置包括超声波测距定位设备、激光测距
定位设备、红外测距定位设备、电子雷达定位设备、图像识别定位设备。
5.所述预警系统进一步包括：系统所监测井下设备包括可移动的设备；所述可移
动的设备安装至少一种用于监测设备位置的定位装置。
6.所述预警系统进一步包括：所述的预警系统报警方法包括：使用图像监测设备
进行目标警戒报警；当系统监测到目标位置在设定的所述井下设备的警戒工作区域内时，
并收到图像监测设备的目标警戒报警信号时，发出报警信息并停止运行所述井下设备并闭
锁设备运行控制，直至目标位置不在所述井下设备的警戒工作区域内且图像监测设备无目
标警戒报警信号时，才能解锁所述井下设备的运行控制。
7.所述预警系统进一步包括：所述系统还包括存储服务器、监控服务器、监控终
端；存储服务器用于存储各井下设备信息及其警戒区域相关数据、目标身份信息、目标位
置；监控服务器用于监测目标位置，将目标位置数据与井下设备警戒区域进行比对处理，当
处理结果满足报警条件时向监控终端发出报警信号；监控终端用于目标位置和设备状态显
示，具有声光报警功能。
8.所述预警系统进一步包括：在井下设备运行前，监控服务器从存储服务器调取
设备的警戒区域数据，当监测到与设备运行非相关的目标位置在警戒工作区域内时，则报
警并闭锁设备控制，直至警戒工作区域内无与设备运行非相关的目标时，解锁设备运行控
制；在井下设备运行时，当系统监测到与设备运行非相关的目标位置在警戒工作区域内时，
则报警、关闭设备并闭锁设备控制，直至警戒工作区域内无与设备运行非相关的目标时，解
锁设备运行控制。
9.所述预警系统进一步包括：预警系统采用的判定目标位置与设定的警戒区域是
否重合的方法包括以下判定方法：将目标位置设定为一个坐标点(xP,yP)，警戒区域由至少
一个多边形组成，当警戒区域边界为曲线时，将警戒区域拟合为多边形进行处理；设警戒区
域多边形顶点坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，……，(xn,yn)，其中最大X坐标值记为xmax，最小X
坐标值记为xmin，最大Y坐标值记为ymax，最小Y坐标值记为ymin；
第一步，首先判定(xP,yP)是否满足xmin＜xP＜xmax和ymin＜yP＜ymax，如不满足以上
两个条件，则判定点(xP,yP)在警戒区域外。
第二步，如满足第一步的两个条件式，则找出所有两顶点X坐标值xi、xi+1满足xi≤
xP≤xi+1的多边形边线段，将其顶点坐标带入下式
得到一组数，将这组数组成序列，并对序列根据值大小进行排序，得到序列yB1、
yB2、……、yBj，设yBj-1≤yP≤yBj，如序号j为偶数，则判定(xP,yP)在警戒区域内，否则在警戒
区域外。第二步可用以下步骤替代，则找出所有两顶点Y坐标值yi、yi+1满足yi≤yP≤yi+1的多
边形边线段，将其顶点坐标带入下式
得到一组数，将这组数组成序列，并对序列根据值大小进行排序，得到序列xB1、
xB2、……、xBj，设xBj-1≤xP≤xBj，如序号j为偶数，则判定(xP,yP)在警戒区域内，否则在警戒
区域外。
当目标位置和警戒区域为三维坐标数据时，选其中的任意二维坐标采用以上所述
的二维判定方法进行判定。
下文更详细地描述本发明的实施示例。
附图说明
图1煤矿井下人员伤害预警系统实施示例1的系统组成示意图。
图2煤矿井下人员伤害预警系统实施示例1的报警流程示意图。
图3煤矿井下人员伤害预警系统实施示例2的系统组成示意图。
图4煤矿井下人员伤害预警系统实施示例2的报警流程示意图。
图5煤矿井下人员伤害预警系统监测目标位置与警戒区域重合判定示例。
图6煤矿井下人员伤害预警系统监测目标位置与设备警戒区域判定方法流程图。
具体实施方式
本发明所述预警系统的定位装置可采用TOA、TDOA、RSSI、AOA等定位技术进行定
位，并可采用包括超声波测距定位设备、激光测距定位设备、红外测距定位设备、电子雷达
定位设备、图像识别定位设备等设备。
图1所示为所述煤矿井下人员伤害预警系统实施示例1，图中带斜线的区域为井下
设备警戒工作区域，系统主要组成包括：
1.监控终端(101)，负责定位终端位置及报警信息显示，具有声光报警和人机交互
功能，生产管理人员可通过监控终端访问存储服务器实现对定位终端、井下设备、警戒工作
区域的相关信息的添加、删除、输入、修改等操作。监控终端具有地图显示功能，地理信息平
台可使用MapX地图化组件,矿井地图为巷道矢量地图,地图文件为MapInfo格式。
2.存储服务器(102)，存储服务器用于存储各井下设备警戒区域相关数据、定位终
端身份信息、定位终端位置，并为监控服务器(103)和监控终端(101)提供数据服务。
3.监控服务器(103)，负责为监控终端(101)提供定位终端位置数据和监控预警信
息，实时监测定位终端位置数据，将定位终端位置数据与井下设备警戒区域进行比对处理，
当处理结果满足报警条件时向监控终端发出报警信号；监控服务器还负责井下设备的状态
监测与自动控制。
4.交换机(104)，通信网络的交换设备，负责所有接入通信网络的设备的数据交
换，可采用以太网络交换机设备。
5.分站(105)，负责对定位终端及其它通信设备提供无线和有线方式的通信网络
接入服务，并作为定位终端的参考定位节点为定位终端提供定位服务，通过通信线缆连接
交换机。
6.定位终端(106)，系统用于监测目标位置的定位装置，通过分站实现定位和无线
通信，将自身位置数据发送给存储服务器(102)和监控服务器(103)。
7.刮板输送机(107)，刮板输送机的控制器通过通信线缆连接分站接入通信网络，
与监控服务器(103)通信，由监控服务器实现对其工作状态的监测与自动控制。在刮板输送
机也安装至少一个定位终端(106)，用于确定刮板输送机当前位置。
8.带式输送机(108)，带式输送机的控制器通过通信线缆连接分站(105)接入通信
网络，与监控服务器(103)通信，由监控服务器实现对其运行状态的监测与自动控制。在带
式输送机起始端安装至少一个定位终端(106)，用于确定带式输送机起始端位置。
煤矿井下人员伤害预警系统实施示例1的报警流程如图2所示：
1.(201)监控服务器(103)通过通信网络访问井下设备的控制器(一般为可编程控
制器)，采集井下设备的运行状态。
2.(202)定位终端(106)以分站为参考点进行定位，获得自身位置数据。
3.(203)定位终端向存储服务器(102)和监控服务器发送包括自身编号和自身坐
标值的位置数据。
4.(204)存储服务器接收位置数据进行存储，监控服务器接收到位置数据后，则根
据接收到的定位终端编号从存储服务器调取携带该定位终端的目标或设备的相关信息，携
带该定位终端的设备的位置改变超过设定阈值，则根据从存储服务器调取的重新初始化设
备警戒工作区域。
5.(205)将由井下人员携带的定位终端的位置数据与设备警戒工作区域进行比
对，如位置在警戒工作区域内则执行(208)，否则执行(206)。
6.(206)监控服务器向监控终端(101)发送包括定位终端位置和定位终端携带者
的相关信息的报警信息，监控终端根据报警信息在显示屏上显示报警位置，并发出声光报
警。
7.(207)监控服务器向井下设备发送解锁控制相关指令，返回(201)
8.(208)监控服务器查询根据自身存储的报警记录、设备控制记录和(201)采集的
井下设备的运行状态数据，对井下设备当前状态进行判别，如设备处于闭锁状态则执行
(209)，否则直接返回(201)。
9.(209)监控服务器向井下设备发送停机及闭锁控制相关指令，返回(201)。
图3为煤矿井下人员伤害预警系统实施示例2系统组成示意图，与实施示例1的主
要区别在于增加了图像监测设备进行目标警戒报警，具体设备包括：
1.摄像机(109)，是图像监测的图像采集设备，用于警戒工作区域的视频图像采
集，采用具有网络视频压缩编码功能的数字网络摄像机，通过通信线缆连接分站接入通信
网络，向视频监控服务器(110)发送视频数据。
2.视频报警服务器(110)，是图像监测的识别报警设备，用于的视频监控自动识
别，可对警戒工作区域内的闯入目标进行目标警戒报警。
煤矿井下人员伤害预警系统实施示例2报警流程如图3所示：
1.(401)监控服务器(103)通过通信网络访问井下设备的控制器(一般为可编程控
制器)，采集井下设备的运行状态。
2.(402)定位终端(106)以分站为参考点进行定位，获得自身位置数据。
3.(403)定位终端向存储服务器(102)和监控服务器发送包括自身编号和自身坐
标值的位置数据。
4.(404)存储服务器接收位置数据进行存储，监控服务器接收到位置数据后，则根
据接收到的定位终端编号从存储服务器调取携带该定位终端的目标或设备的相关信息，如
携带该定位终端的主体为井下设备，并且设备的位置改变超过设定阈值，则重新初始化设
备警戒工作区域。
5.(405)将由井下人员携带的定位终端的位置数据与设备警戒工作区域进行比
对，如定位终端在设备警戒工作区域内则执行(408)，否则执行(406)。
6.(406)监控服务器查询根据自身存储的报警记录、设备控制记录和(401)采集的
井下设备的运行状态数据，对井下设备当前状态进行判别，如设备处于闭锁状态则执行
(407)，否则直接返回(401)。
7.(407)监控服务器向井下设备发送解锁控制相关指令，返回(401)
8.(408)摄像机(109)采集警戒工作区域的视频图像。
9.(409)摄像机将采集的视频进行压缩编码，通过通信网络发送到视频报警服务
器(110)。
10.(410)视频报警服务器(110)对接收到的视频进行自动识别。
11.(411)视频报警服务器对设备警戒工作区域内是否有闯入目标进行判别，并将
判定结果发送至监控服务器，如警戒工作区域内有闯入目标则执行(412)，否则返回(401)。
12.(412)监控服务器向监控终端(101)发送包括定位终端位置和定位终端携带者
的相关信息的报警信息，监控终端根据报警信息在显示屏上显示报警位置，并发出声光报
警。
13.(413)监控服务器向井下设备发送停机及闭锁控制相关指令，返回(401)。
图5为煤矿井下人员伤害预警系统监测目标位置与设备警戒工作区域判定方法示
意图。设井下设备警戒工作区域为多边形,顶点分别为A、B、C、D、E、F，各顶点坐标中其中最
大X坐标值记为xmax，最小X坐标值记为xmin，最大Y坐标值记为ymax，最小Y坐标值记为ymin；P1、
P2、P3为监测目标，坐标点分别为(xP1,yP1)、(xP2,yP2)、(xP3,yP3)；判定流程见图6：
1.(601)将目标点X坐标与xmin和xmax进行比较，如不在xmin和xmax之间则判定目标点
在警戒区域内。由于xP1＞xmax，所以判定P1点在警戒区域之外。
2.(602)将目标点Y坐标与ymin和ymax进行比较，如不在ymin和ymax之间则判定目标点
在警戒区域内。由于yP2＞ymax，所以判定P2点在警戒区域之外。
3.(603)对P3点进行判断，找出所有两顶点X坐标值xi、xi+1满足xi≤xP3≤xi+1的多边
形边线段，分别为CD、DE、EF、FA。
4.(604)将CD、DE、EF、FA的顶点坐标带入下式
得到经过P3点平行于Y轴的直线与各边线段的各交点的Y坐标，将这组数组成序
列。
5.(605)对序列根据值大小进行排序，得到序列(yB1,yB2,yB3,yB4)。
6.(606)查找yP3在序列中的哪两个数之间，由于yB1≤yP3≤yB2，yB2的序号为2，是偶
数，则判定P3点在警戒区域内；如序号为奇数则在警戒区域外。以P4点为例，由于P4点与P3点
X坐标相同，所以从(601)至(605)判定过程完全相同，只是yB2≤yP4≤yB3，yB3的序号为3，是奇
数，则判定P4点在警戒区域外。