基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法.pdf

本发明公开了一种基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法，该方法涉及振动传感器、数据处理、地理信息和通信等领域，本监测方法通过振动传感器采集煤炭资源范围内的炮采、炮掘等振动信号，并对振动源进行定位，当定位得到振动源位置在煤矿资源范围内但不属于井田范围内时，则自动发出煤炭盗采报警信号。本监测方法充分考虑了煤炭盗采的生产特点，可较为准确地判定较大范围内的煤炭盗采现象，实施简单，可避免人工监管的各种人为因素，遏制盗采事件发生，保护国家煤矿资源。

1.  一种基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法，其特征在于：在煤炭资源地区附近放置振动传感器，通过振动传感器采集地下振动波信号，当监测到地下发生超过设定阈值的振动波信号，则根据振动传感器数据和振动传感器位置对振动源进行定位，当定位得到振动源位置在煤矿资源范围内但不属于井田范围内时，发出煤炭盗采报警信号。

2.  如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：振动传感器具有计时功能，并具有卫星自动时间校准功能，定时对内部时钟进行校准，保证所有振动传感器时钟同步。

3.  如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：振动传感器频率检测范围应不小于0至600Hz，振动传感器采集信号包括炮采振动信号、炮掘振动信号、落煤振动信号、顶板冒落振动信号。

4.  如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当使用单个三向振动加速度传感器时，实时检测三个方向的振动加速度数据，当各方向在设定的阈值时间T内，连续检测到两次振动波信号，则将第一个波作为P波，第二个波作为S波，根据P波与S波的不同传播速度及间隔时间判定振动源与三向振动加速度传感器在三个坐标方向上的距离，根据传感器位置得到振动源位置。

5.  如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当振动传感器采用多个三向振动加速度传感器定位时，实时检测所有传感器三个方向的振动加速度数据，当各方向在设定的阈值时间T内，多个振动传感器都检测到振动波信号，则根据三个方向的振动加速度数据确定初动方向，根据各振动传感器位置和检测得到的初动方向确定振动源位置。

6.  如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：使用三维地理信息系统对煤矿资源进行划定，并记录各煤矿的井田范围，当监测发现的振动波时，利用三维地理信息系统将振动源位置井田范围和煤矿资源范围进行比对，当比对发现振动源位置在煤矿资源范围内，但不属于井田范围内时，发出煤炭盗采报警信号。

基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法，该方法涉及传感器、数据处理和通信等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。另外，事故调查表明，煤炭生产中超层越界盗采引发的死亡事故，在煤矿事故中占有较大的比例。
煤炭盗采具有隐蔽性强、发现难、监管难等特点。为及时发现和监管，一些地方管理部门向私营小煤矿派驻矿人员、进行监督检查。但由于矿主收买、驻矿监督检查人员业务能力和责任心差等原因，没有能及时发现和遏制盗采、进而酿成一起起死亡事故。因此，急需研究防止煤炭盗采的自动检测技术，避免人工监管的各种人为因素，进一步强化盗采监管，遏制盗采事件发生，保护国家煤矿资源，防止由盗采引起的伤亡事故。
发明内容
本发明提出了一种基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法，具体方法包括：
1.在煤炭资源地区附近放置振动传感器，通过振动传感器采集地下振动波信号，当监测到地下发生超过设定阈值的振动波信号，则根据振动传感器数据和振动传感器位置对振动源进行定位，当定位得到振动源位置在煤矿资源范围内但不属于井田范围内时，发出煤炭盗采报警信号。
2.振动传感器具有计时功能，并具有卫星自动时间校准功能，定时对内部时钟进行校准，保证所有振动传感器时钟同步。
3.振动传感器频率检测范围应不小于0至600Hz，振动传感器采集信号包括炮采振动信号、炮掘振动信号、落煤振动信号、顶板冒落振动信号。
4.当使用单个三向振动加速度传感器时，实时检测三个方向的振动加速度数据，当各方向在设定的阈值时间T内，连续检测到两次振动波信号，则将第一个波作为P波，第二个波作为S波，根据P波与S波的不同传播速度及间隔时间判定振动源与三向振动加速度传感器在三个坐标方向上的距离，根据传感器位置得到振动源位置。
5.当振动传感器采用多个三向振动加速度传感器定位时，实时检测所有传感器三个方向的振动加速度数据，当各方向在设定的阈值时间T内，多个振动传感器都检测到振动波信号，则根据三个方向的振动加速度数据确定初动方向，根据各振动传感器位置和检测得到的初动方向确定振动源位置。
6.使用三维地理信息系统对煤矿资源进行划定，并记录各煤矿的井田范围，当监测发现的振动波时，利用三维地理信息系统将振动源位置井田范围和煤矿资源范围进行比对，当比对发现振动源位置在煤矿资源范围内，但不属于井田范围内时，发出煤炭盗采报警信号。
附图说明
图1系统实施示意图。
图2振动传感器结构示意图。
图3盗采监测工作流程示意图。
图4振动源定位流程示意图
图5振动三方向数据波形示例图
具体实施方式
在本示例中所述基于振动监测定位的煤炭盗采监测方法通过以下监测系统实现，系统组成如图1所示，主要包括：
1.振动传感器(101)，负责采集地平面和垂直于地平面三个方向的振动信号，并将信号数字化，再将数字化得到的数据远程传输至监测服务器。
2.移动网络(102)，移动电话服务商所提供的无线通信网络，可选GPRS、CDMA或3G等网络，为终端设备提供网络接入和数据通信服务。由于振动传感器部署距离较远，无论使用有线网络通信还是专用无线通信网络都不易实施，建设和维护成本较高，所以使用现有的移动网络连接有线远程。
3.远程网络(103)，使用互联网或煤炭专网，监测服务器和监控主机通过网络通信。
4.网络交换机(104)；负责接入网络的设备的管理和数据交换。
5.定位服务器(105)；负责对各振动传感器数据进行采集、存储，并存储有振动传感器位置信息；根据振动传感器检测到的振动数据对振动源位置进行定位，并将位置数据传输给GIS服务器。
6.监测服务器(106)；存储有监测区域内煤炭资源和煤矿井田等地理信息，接收定位服务器发来的地下振动的振源位置信息，将振源位置与煤炭资源及煤矿井田位置进行监测比对，当振动源位置在煤矿资源范围内但不属于井田范围内时，向监控主机(107)发出煤炭盗采报警信号，并为监控主机用户提供查询调取服务。
7.监控主机(107)；具有声光报警功能，生产监督服务管理人员通过监控主机查看辖 区各煤矿生产情况，查看监测服务器(203)提供报警信息，并可从监测服务器调取历史数据。
振动传感器结构如图2所示：
1.处理器(201)；负责振动模拟信号处理、时钟记录和通信控制；选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32kFlash，1kRAM；并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优点。MSP430支持1.8～3.6V电压，本示例系统采用3.3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A/D转换器。1位非线性微分误差，1位非线性积分误差，4种模数转换模式。三向加速度振动传感器(202)的三个输出信号接入具有模数转换功能的端口；定位模块(203)和移动通信模块(204)分别接MSP430F147的两个双向UART端口。
2.三向加速度振动传感器(202)；采用，可选择模拟信号输出的传感器，也可选择数字信号输出的传感器.本示例选择模拟信号输出的MMA7260Q，MMA7260Q最高灵敏为1.5g，电压2.2V～3.6V，本示例采用3.3V电压。安装时应注意传感器上的方向标识，保证Z轴垂直于地平面，X轴和Y轴方向应与定位服务器设定和记录的方向一致，以保证正确的定位运算。
3.存储芯片(203)采用1片24C512，只使用了一个存储芯片，不需设置片选地址，所以24C512的片点选管脚全部接地。24C512使用I2C总线通信，，使用两个标准I/O接口加上拉电阻连接SCL和SDA管脚，实现处理器与存储芯片通信控制。存储芯片存储数据，当移动通信模块由于网络连接故障等原因未能将采集的振动信号数据及时传输出去时，将处理器将数据存储在存储芯片中，当网络连接恢复后再将数据传送给定位服务器。
4.定位模块(203)；负责接收定位卫星发送的信号，实现系统授时。可采用GPS、GLONASS或北斗定位模块，通过UART端口与处理器连接通信。
5.移动通信模块(204)；负责远程无线通信，通过移动通信网络将采集处理得到的振动数据传送至远程网络，由远程网络将数据送至定位服务器。移动通信模块可选GPRS、CDMA或3G等模块，由于本系统所传送数据量不大，GPRS模块即可满足要求。本示例选择华为的MG323模块；通过UART端口与处理器连接。
6.电源(205)包括DC/AC、电源管理，电池、电池充电管理部分，DC/AC负责将220V交流电转换为5V直流电源为传感器系统供电，可采用开关电源模块；电源管理部分负责将5V电源转换为3.3V为系统供电；同时检测DC/AC供电情况，当交流电源 停电，则自动切换至备用电池供电，以保证系统正常工作一段时间；备用电池使用锂离子蓄电池，锂电池(组)应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换采用MAX1724系列电源转换稳压芯片，转换得到3.3V稳定的工作电压，为处理器、传感器供电、定位模块和移动通信模块供电。电池充电管理电路采用TI的LM3658芯片，2.5～6V输入电压，输出电流可达1A，电流的实际大小可以通过外置电阻加以调节，内置的功率FET可根据环境温度自动调整充电电流，维持电池寿命。
盗采监测工作流程如图3所示：
1.(301)三向加速度振动传感器(202)采集地下振动信号，由振动传感器系统的处理器(201)将模拟信号A/D转换。
2.(302)监测转换得到的振动数据，当监测到数据变化较大时，则判定发生振动。
3.(303)将变化之前3秒至振动结束后5秒时间段内的所有振动数据及数据采集时间发送至定位服务器。
4.(304)定位服务器(105)处理振动传感器上传的各方向的振动数据，如各方向在设定的阈值时间T内连续检测到两次振动波信号，将第一个波作为P波，第二个波作为S波。
5.(305)根据P波与S波的不同传播速度及间隔时间判定振动源与三向振动加速度传感器在三个坐标方向上的距离，根据传感器位置得到振动源位置。
6.(306)将得到的振动源位置信息发送至监测服务器，由GIS系统将振动源位置信息与所存储的煤炭资源及煤矿井田的位置地理信息进行比对，当定位得到振动源位置在煤矿资源范围内但不属于井田范围内时，向监控主机(107)发送煤炭盗采报警信息。
7.(307)由监控主机发出煤炭盗采声光报警信号。
振动源定位流程如图4所示：
1.(401)对振动数据组进行低通数字滤波，将对于有效波的太高频率成分滤除。
2.(402)定时对采集数据进行求方差运算，以方差最大的轴作为参考轴，当监测到数值与传感器稳态方差连续超过阈值A时，则判定监测到振动波信号，查找首个与传感器稳态平均值的差的绝对值超过阈值B的数据，将此数据的采集时间作为此次振动波的起始时间T₁，其中A＞B；各方向的A、B值根据检测设定不同值，分别记为A_X、A_Y、A_Z和B_X、 B_Y、B_Z。
3.(403)在监测到振动信号的起始时间后，继续监测传感器输出值，使用(401)相同的检测方法测定第二个振动波的起始时间T₂。当各方向在设定的阈值时间T内连续检测到两次振动波信号，则将第一个波作为P波，第二个波作为S波，波的起始时间分别为T_P＝T₁、T_S＝T₂。
4.(404)求振动源到振动传感器距离；设P波和S波的传播速度为V_S和V_P，检测到的P波和S波时间为T_S和T_P，振动源到振动传感器距离为R，则
5.(405)求各方向分量计算值，用于确定初动方向；分析各轴向P波数据，以方差最大的轴作为参考轴，以与平均值差的最大绝对值时刻为波峰时间，取各轴在此时间的值与平均值差的绝对值，分别为M_X、M_Y、M_Z。
6.(406)求振动源坐标值；设振动传感器检测到的设振动传感器位置为(x₀，y₀，z₀)，则通过以下公式得到振动源位置坐标(x_d，y_d，z_d)
xd=RVPVScos12(π2+arctanMZ2MX2+MY2)cos(arctanMYMX)+x0yd=RVPVScos12(π2+arctanMZ2MX2+MY2)sin(arctanMYMX)+y0zd=Rsin(arctanMYMX)+z0]]>
当使用多个振动传感器进行定位时，使用以下方程组求解得到振动源坐标2(x_i-x_i-1)x+2(y_i-y_i-1)y+2(z_i-z_i-1)z＝x_i²-x_i-1²+y_i²-y_i-1²+z_i²-z_i-1²-V_P²(T_i²-T_i-1²)i＝(1，2，…，m)；其中(x_i，y_i，z_i)是第i个传感器的测量坐标；T_i是监测到的振动起始时间；m是检测到到振动信号的传感器的个数。
振动三方向数据波形示例如图5所示：
在本示例中铅垂方向Z轴振幅最大，所以在判断振动起始时间和峰值时间都基于Z轴数据进行判断。