本發(fā)明涉及一種基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)定位的煤炭盜采監(jiān)測(cè)方法，該方法涉及傳感器、數(shù)據(jù)處理和通信等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
煤炭是我國(guó)主要能源，約占一次能源70％。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)。另外，事故調(diào)查表明，煤炭生產(chǎn)中超層越界盜采引發(fā)的死亡事故，在煤礦事故中占有較大的比例。煤炭盜采具有隱蔽性強(qiáng)、發(fā)現(xiàn)難、監(jiān)管難等特點(diǎn)。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管，一些地方管理部門向私營(yíng)小煤礦派駐礦人員、進(jìn)行監(jiān)督檢查。但由于礦主收買、駐礦監(jiān)督檢查人員業(yè)務(wù)能力和責(zé)任心差等原因，沒有能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和遏制盜采、進(jìn)而釀成一起起死亡事故。因此，急需研究防止煤炭盜采的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，避免人工監(jiān)管的各種人為因素，進(jìn)一步強(qiáng)化盜采監(jiān)管，遏制盜采事件發(fā)生，保護(hù)國(guó)家煤礦資源，防止由盜采引起的傷亡事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出了一種基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)定位的煤炭盜采監(jiān)測(cè)方法，具體方法包括：1.在煤炭資源地區(qū)附近放置振動(dòng)傳感器，通過振動(dòng)傳感器采集地下振動(dòng)波信號(hào)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到地下發(fā)生超過設(shè)定閾值的振動(dòng)波信號(hào)，則根據(jù)振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳感器位置對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行定位，當(dāng)定位得到振動(dòng)源位置在煤礦資源范圍內(nèi)但不屬于井田范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出煤炭盜采報(bào)警信號(hào)。2.振動(dòng)傳感器具有計(jì)時(shí)功能，并具有衛(wèi)星自動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)功能，定時(shí)對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，保證所有振動(dòng)傳感器時(shí)鐘同步。3.振動(dòng)傳感器頻率檢測(cè)范圍應(yīng)不小于0至600Hz，振動(dòng)傳感器采集信號(hào)包括炮采振動(dòng)信號(hào)、炮掘振動(dòng)信號(hào)、落煤振動(dòng)信號(hào)、頂板冒落振動(dòng)信號(hào)。4.當(dāng)使用單個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)三個(gè)方向的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)各方向在設(shè)定的閾值時(shí)間T內(nèi)，連續(xù)檢測(cè)到兩次振動(dòng)波信號(hào)，則將第一個(gè)波作為P波，第二個(gè)波作為S波，根據(jù)P波與S波的不同傳播速度及間隔時(shí)間判定振動(dòng)源與三向振動(dòng)加速度傳感器在三個(gè)坐標(biāo)方向上的距離，根據(jù)傳感器位置得到振動(dòng)源位置。5.當(dāng)振動(dòng)傳感器采用多個(gè)三向振動(dòng)加速度傳感器定位時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)所有傳感器三個(gè)方向的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，當(dāng)各方向在設(shè)定的閾值時(shí)間T內(nèi)，多個(gè)振動(dòng)傳感器都檢測(cè)到振動(dòng)波信號(hào)，則根據(jù)三個(gè)方向的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)確定初動(dòng)方向，根據(jù)各振動(dòng)傳感器位置和檢測(cè)得到的初動(dòng)方向確定振動(dòng)源位置。6.使用三維地理信息系統(tǒng)對(duì)煤礦資源進(jìn)行劃定，并記錄各煤礦的井田范圍，當(dāng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)波時(shí)，利用三維地理信息系統(tǒng)將振動(dòng)源位置井田范圍和煤礦資源范圍進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)源位置在煤礦資源范圍內(nèi)，但不屬于井田范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出煤炭盜采報(bào)警信號(hào)。附圖說明圖1系統(tǒng)實(shí)施示意圖。圖2振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3盜采監(jiān)測(cè)工作流程示意圖。圖4振動(dòng)源定位流程示意圖圖5振動(dòng)三方向數(shù)據(jù)波形示例圖具體實(shí)施方式在本示例中所述基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)定位的煤炭盜采監(jiān)測(cè)方法通過以下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括：1.振動(dòng)傳感器(101)，負(fù)責(zé)采集地平面和垂直于地平面三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)字化，再將數(shù)字化得到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)服務(wù)器。2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(102)，移動(dòng)電話服務(wù)商所提供的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可選GPRS、CDMA或3G等網(wǎng)絡(luò)，為終端設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)通信服務(wù)。由于振動(dòng)傳感器部署距離較遠(yuǎn)，無論使用有線網(wǎng)絡(luò)通信還是專用無線通信網(wǎng)絡(luò)都不易實(shí)施，建設(shè)和維護(hù)成本較高，所以使用現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接有線遠(yuǎn)程。3.遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)(103)，使用互聯(lián)網(wǎng)或煤炭專網(wǎng)，監(jiān)測(cè)服務(wù)器和監(jiān)控主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通信。4.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(104)；負(fù)責(zé)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。5.定位服務(wù)器(105)；負(fù)責(zé)對(duì)各振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并存儲(chǔ)有振動(dòng)傳感器位置信息；根據(jù)振動(dòng)傳感器檢測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)振動(dòng)源位置進(jìn)行定位，并將位置數(shù)據(jù)傳輸給GIS服務(wù)器。6.監(jiān)測(cè)服務(wù)器(106)；存儲(chǔ)有監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤炭資源和煤礦井田等地理信息，接收定位服務(wù)器發(fā)來的地下振動(dòng)的振源位置信息，將振源位置與煤炭資源及煤礦井田位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)比對(duì)，當(dāng)振動(dòng)源位置在煤礦資源范圍內(nèi)但不屬于井田范圍內(nèi)時(shí)，向監(jiān)控主機(jī)(107)發(fā)出煤炭盜采報(bào)警信號(hào)，并為監(jiān)控主機(jī)用戶提供查詢調(diào)取服務(wù)。7.監(jiān)控主機(jī)(107)；具有聲光報(bào)警功能，生產(chǎn)監(jiān)督服務(wù)管理人員通過監(jiān)控主機(jī)查看轄區(qū)各煤礦生產(chǎn)情況，查看監(jiān)測(cè)服務(wù)器(203)提供報(bào)警信息，并可從監(jiān)測(cè)服務(wù)器調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示：1.處理器(201)；負(fù)責(zé)振動(dòng)模擬信號(hào)處理、時(shí)鐘記錄和通信控制；選擇TI公司的MSP430F147單片機(jī)。該型號(hào)為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有32kFlash，1kRAM；并有5種低功耗模式，豐富的片內(nèi)外圍模塊，靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。MSP430支持1.8～3.6V電壓，本示例系統(tǒng)采用3.3V工作電壓。MSP430F147內(nèi)置精度為12位200kps的A/D轉(zhuǎn)換器。1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差，4種模數(shù)轉(zhuǎn)換模式。三向加速度振動(dòng)傳感器(202)的三個(gè)輸出信號(hào)接入具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的端口；定位模塊(203)和移動(dòng)通信模塊(204)分別接MSP430F147的兩個(gè)雙向UART端口。2.三向加速度振動(dòng)傳感器(202)；采用，可選擇模擬信號(hào)輸出的傳感器，也可選擇數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器.本示例選擇模擬信號(hào)輸出的MMA7260Q，MMA7260Q最高靈敏為1.5g，電壓2.2V～3.6V，本示例采用3.3V電壓。安裝時(shí)應(yīng)注意傳感器上的方向標(biāo)識(shí)，保證Z軸垂直于地平面，X軸和Y軸方向應(yīng)與定位服務(wù)器設(shè)定和記錄的方向一致，以保證正確的定位運(yùn)算。3.存儲(chǔ)芯片(203)采用1片24C512，只使用了一個(gè)存儲(chǔ)芯片，不需設(shè)置片選地址，所以24C512的片點(diǎn)選管腳全部接地。24C512使用I2C總線通信，，使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O接口加上拉電阻連接SCL和SDA管腳，實(shí)現(xiàn)處理器與存儲(chǔ)芯片通信控制。存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)移動(dòng)通信模塊由于網(wǎng)絡(luò)連接故障等原因未能將采集的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸出去時(shí)，將處理器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后再將數(shù)據(jù)傳送給定位服務(wù)器。4.定位模塊(203)；負(fù)責(zé)接收定位衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)授時(shí)?？刹捎肎PS、GLONASS或北斗定位模塊，通過UART端口與處理器連接通信。5.移動(dòng)通信模塊(204)；負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程無線通信，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將采集處理得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，由遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送至定位服務(wù)器。移動(dòng)通信模塊可選GPRS、CDMA或3G等模塊，由于本系統(tǒng)所傳送數(shù)據(jù)量不大，GPRS模塊即可滿足要求。本示例選擇華為的MG323模塊；通過UART端口與處理器連接。6.電源(205)包括DC/AC、電源管理，電池、電池充電管理部分，DC/AC負(fù)責(zé)將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電源為傳感器系統(tǒng)供電，可采用開關(guān)電源模塊；電源管理部分負(fù)責(zé)將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V為系統(tǒng)供電；同時(shí)檢測(cè)DC/AC供電情況，當(dāng)交流電源停電，則自動(dòng)切換至備用電池供電，以保證系統(tǒng)正常工作一段時(shí)間；備用電池使用鋰離子蓄電池，鋰電池(組)應(yīng)具有防反接功能，具有內(nèi)部保護(hù)電路外，具有外保護(hù)電路，具備防過充、防過放、過流、短路等功能，還有均衡充電、均衡放電功能。電壓轉(zhuǎn)換采用MAX1724系列電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓芯片，轉(zhuǎn)換得到3.3V穩(wěn)定的工作電壓，為處理器、傳感器供電、定位模塊和移動(dòng)通信模塊供電。電池充電管理電路采用TI的LM3658芯片，2.5～6V輸入電壓，輸出電流可達(dá)1A，電流的實(shí)際大小可以通過外置電阻加以調(diào)節(jié)，內(nèi)置的功率FET可根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)整充電電流，維持電池壽命。盜采監(jiān)測(cè)工作流程如圖3所示：1.(301)三向加速度振動(dòng)傳感器(202)采集地下振動(dòng)信號(hào)，由振動(dòng)傳感器系統(tǒng)的處理器(201)將模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換。2.(302)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)變化較大時(shí)，則判定發(fā)生振動(dòng)。3.(303)將變化之前3秒至振動(dòng)結(jié)束后5秒時(shí)間段內(nèi)的所有振動(dòng)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)采集時(shí)間發(fā)送至定位服務(wù)器。4.(304)定位服務(wù)器(105)處理振動(dòng)傳感器上傳的各方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如各方向在設(shè)定的閾值時(shí)間T內(nèi)連續(xù)檢測(cè)到兩次振動(dòng)波信號(hào)，將第一個(gè)波作為P波，第二個(gè)波作為S波。5.(305)根據(jù)P波與S波的不同傳播速度及間隔時(shí)間判定振動(dòng)源與三向振動(dòng)加速度傳感器在三個(gè)坐標(biāo)方向上的距離，根據(jù)傳感器位置得到振動(dòng)源位置。6.(306)將得到的振動(dòng)源位置信息發(fā)送至監(jiān)測(cè)服務(wù)器，由GIS系統(tǒng)將振動(dòng)源位置信息與所存儲(chǔ)的煤炭資源及煤礦井田的位置地理信息進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)定位得到振動(dòng)源位置在煤礦資源范圍內(nèi)但不屬于井田范圍內(nèi)時(shí)，向監(jiān)控主機(jī)(107)發(fā)送煤炭盜采報(bào)警信息。7.(307)由監(jiān)控主機(jī)發(fā)出煤炭盜采聲光報(bào)警信號(hào)。振動(dòng)源定位流程如圖4所示：1.(401)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)組進(jìn)行低通數(shù)字濾波，將對(duì)于有效波的太高頻率成分濾除。2.(402)定時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行求方差運(yùn)算，以方差最大的軸作為參考軸，當(dāng)監(jiān)測(cè)到數(shù)值與傳感器穩(wěn)態(tài)方差連續(xù)超過閾值A(chǔ)時(shí)，則判定監(jiān)測(cè)到振動(dòng)波信號(hào)，查找首個(gè)與傳感器穩(wěn)態(tài)平均值的差的絕對(duì)值超過閾值B的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)的采集時(shí)間作為此次振動(dòng)波的起始時(shí)間T1，其中A＞B；各方向的A、B值根據(jù)檢測(cè)設(shè)定不同值，分別記為AX、AY、AZ和BX、BY、BZ。3.(403)在監(jiān)測(cè)到振動(dòng)信號(hào)的起始時(shí)間后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)傳感器輸出值，使用(401)相同的檢測(cè)方法測(cè)定第二個(gè)振動(dòng)波的起始時(shí)間T2。當(dāng)各方向在設(shè)定的閾值時(shí)間T內(nèi)連續(xù)檢測(cè)到兩次振動(dòng)波信號(hào)，則將第一個(gè)波作為P波，第二個(gè)波作為S波，波的起始時(shí)間分別為TP＝T1、TS＝T2。4.(404)求振動(dòng)源到振動(dòng)傳感器距離；設(shè)P波和S波的傳播速度為VS和VP，檢測(cè)到的P波和S波時(shí)間為TS和TP，振動(dòng)源到振動(dòng)傳感器距離為R，則5.(405)求各方向分量計(jì)算值，用于確定初動(dòng)方向；分析各軸向P波數(shù)據(jù)，以方差最大的軸作為參考軸，以與平均值差的最大絕對(duì)值時(shí)刻為波峰時(shí)間，取各軸在此時(shí)間的值與平均值差的絕對(duì)值，分別為MX、MY、MZ。6.(406)求振動(dòng)源坐標(biāo)值；設(shè)振動(dòng)傳感器檢測(cè)到的設(shè)振動(dòng)傳感器位置為(x0，y0，z0)，則通過以下公式得到振動(dòng)源位置坐標(biāo)(xd，yd，zd)當(dāng)使用多個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行定位時(shí)，使用以下方程組求解得到振動(dòng)源坐標(biāo)2(xi-xi-1)x+2(yi-yi-1)y+2(zi-zi-1)z＝xi2-xi-12+yi2-yi-12+zi2-zi-12-VP2(Ti2-Ti-12)i＝(1，2，…，m)；其中(xi，yi，zi)是第i個(gè)傳感器的測(cè)量坐標(biāo)；Ti是監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)起始時(shí)間；m是檢測(cè)到到振動(dòng)信號(hào)的傳感器的個(gè)數(shù)。振動(dòng)三方向數(shù)據(jù)波形示例如圖5所示：在本示例中鉛垂方向Z軸振幅最大，所以在判斷振動(dòng)起始時(shí)間和峰值時(shí)間都基于Z軸數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。