CN111325775A - 一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法及*** - Google Patents

一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法及*** Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法及***，该方法包括：基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据；对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包；提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据进行处理，并与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象；其中，检测数据包括执法监察人员的运动轨迹、位置和速度数据。本申请的***成本低，检测设备携带方便和操作简单，该检测方法解决了无法快捷、准确地检测煤矿超层越界开采现象的问题。

Description

一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法及***
技术领域
本申请涉及煤矿井下人员定位和超层越界检测技术领域，尤其涉及一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法及***。
背景技术
超层越界采矿是指在采矿许可证的水平标高、拐点以外开采矿产资源。目前，我国煤矿超层越界开采现象比较普遍，由此引发的资源纠纷剧增，资源破坏现象严重，安全隐患突出，事故频发，给人民生命财产造成重大损失。
目前，超层越界开采检测主要有三种手段：
第一，通过对比新旧采掘工程平面图来监测巷道和工作面的采掘位置。此方法存在的不足之处为：监测效率低下，要求监管部门要有较强的专业技术人员，而且，越层开采在采掘工程平面图上难以发现。
第二，监测矿井储量。推行矿山储量监督管理可防止私挖滥采现象，但是除国有矿山外，几乎所有乡镇集体矿山和个体采矿户均没有对矿产资源储量的动用状况进行统计管理，因此，很难监测超层越界开采现象。
第三，借助全站仪测量巷道。使用全站仪可对井下巷道进行较为精准的测量，但是其存在不足之处为:全站仪操作繁琐，使用时间长，检测效率极低。
以上三种方法都无法快捷、准确地检测煤矿超层越界开采现象。因此，设计一套操作简单，携带方便，快速准确的煤矿超层越界检测执法***有很广阔的应用环境和前景。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于双重滤波的矿井超层越界检测***及方法，该***成本低，检测设备携带方便和操作简单，该检测方法解决了上述背景技术中提出的无法快捷、准确地检测煤矿超层越界开采现象的问题。
为达到上述目的，本申请提供一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，该方法包括：基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据；对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和行走轨迹的数据包；提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象；
其中，检测数据包括执法监察人员的运动轨迹、位置和速度数据。
如上的，其中，在执法监察人员行走至矿井巷道特征点或巷道导线点处时，基于已知的坐标点，对定位导航数据中的定位误差进行修正，修正后，对定位导航数据进行粗处理。
如上的，其中，基于步行导航算法对检测人员进行定位。
如上的，其中，将已知的矿图中的巷道壁信息融入到粒子滤波中，通过判断推算过程剔除无效的粒子，对执法监察人员的行走轨迹进行优化，修正执法监察人员的行走方向和角度漂移。
如上的，其中，将包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包发送至服务器，以使服务器对数据包进行存储。
本申请还提供一种基于双重滤波的矿井超层越界检测***，包括数据采集终端、手持设备、服务器和地面监控终端，所述数据采集终端与所述手持设备通信连接，所述服务器分别与所述手持设备和所述地面监控终端通信连接；所述数据采集终端，用于基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据，并将定位导航数据发送给手持设备；所述手持设备，用于接收所述数据采集终端的定位导航数据，对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包，并将所述数据包发送给服务器；所述服务器，用于接收所述手持设备的数据包，并对所述数据包进行存储；所述地面监控终端，用于从所述服务器的数据包中提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据进行处理，并与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象。
如上的，其中，服务器为采用LoRa无线通信技术的LoRa服务器。
如上的，其中，所述数据采集终端包括惯性导航单元、第一蓝牙通信单元、第一控制单元、蜂鸣器和第一供电单元；所述惯性导航单元，用于基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据；所述数据采集终端通过第一蓝牙通信单元与所述手持设备通信连接；所述第一控制单元与所述惯性导航单元、第一蓝牙通信单元和蜂鸣器通信连接；所述第一供电单元与所述惯性导航单元、第一蓝牙通信单元和第一控制单元电连接。
如上的，其中，所述手持设备包括LoRa通信天线、第二蓝牙通信单元和数据粗处理单元；所述手持设备通过所述第二蓝牙通信单元接收所述数据采集终端采集的定位导航数据；所述数据粗处理单元对所述手持设备接收的定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包；所述手持设备通过LoRa通信天线将所述数据包发送给所述LoRa服务器。
如上的，其中，所述手持设备还包括显示屏，所述显示屏用于显示执法监察人员的位置和轨迹。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请检测***成本低、检测设备携带方便，操作简单，能够快捷、准确地检测煤矿超层越界开采现象，提高煤矿超层越界开采检测的效率。
(2)本申请采用了双重滤波算法获得执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据，剔除了无效的数据，提高了定位导航数据的准确性，进而提高了煤矿超层越界开采检测的准确度。
(3)本申请根据已知的坐标点对采集的定位导航数据的定位误差进行修正，提高了采集的定位导航数据的准确性，从而提高煤矿超层越界开采检测的准确度。
(4)本申请采用了LoRa无线通信技术，将执法监察人员在巷道内采集的数据传输到地面的服务器，实现超长距离、低功耗、大容量和安全的数据传输。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法的流程图。
图2为本申请实施例的一种基于双重滤波的矿井超层越界检测***的结构图。
图3为本申请实施例的数据采集终端的结构示意图。
图4为本申请实施例的手持设备的结构示意图。
附图标记：1-数据采集终端；2-手持设备；3-服务器；4-地面监控终端；11-第一蓝牙通信单元；12-第一控制单元；13-惯性导航单元；14-蜂鸣器；15-第一供电单元；21-第二蓝牙通信单元；22-第二控制单元；23-LoRa无线通信单元；24-数据粗处理单元；25-显示屏；26-第二供电单元。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1所示，本申请提供了一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤S1，在执法监察人员执法行进的过程中，基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据。
步骤S1包括如下子步骤：
步骤S110，基于卡尔曼滤波的步行导航算法对检测人员进行定位。
具体的，卡尔曼滤波过程为：
步骤S111，状态预测，预测公式为：
Figure BDA0002376952770000051
其中，
Figure BDA0002376952770000052
表示前一时刻的状态估计矩阵；
Figure BDA0002376952770000053
表示由前一时刻的状态量估计出来的预估计矩阵；Φ(t|t-1)表示由t时刻到t-1时刻的状态转移矩阵。
步骤S112,由前一时刻的均方差阵来预估当前时刻的均方差矩阵，公式如下：
P(t|t-1)＝Φ(t|t-1)P(t-1)ΦT(t|t-1)+W(t-1)Q(t-1)WT(t-1)；
其中，P(t|t-1)表示当前时刻的均方差矩阵；P(t-1)表示前一时刻的均方差矩阵；ΦT(t|t-1)表示Φ(t|t-1)的转置；W(t-1)表示前一时刻***噪声矩阵；Q(t-1)表示W(t-1)矩阵的方差矩阵。
步骤S113，计算滤波增益，公式如下：
K(t)＝P(t|t-1)HT(t)(H(t)P(t|t-1)HT(t)+P(t))-1；
K(t)表示t时刻的滤波增益；H(t)表示t时刻未考虑噪声的***量测矩阵；HT(t)表示H(t)的转置；P(t)表示t时刻的均方差矩阵。
步骤S114，更新状态，公式如下：
Figure BDA0002376952770000054
其中，
Figure BDA0002376952770000055
表示t时刻状态估计矩阵；X(t|t-1)表示前一时刻的状态矩阵；K(t)表示t时刻的滤波增益；Z(t)表示t时刻考虑噪声的***量测矩阵；H(t)表示t时刻未考虑噪声的***量测矩阵。
步骤S115，更新均方误差，公式如下：
P(t)＝(I-K(t)H(t))P(t|t-1)；
其中，P(t)表示当前时刻均方差矩阵；I为单位矩阵；K(t)表示t时刻的滤波增益；H(t)表示t时刻未考虑噪声的量测矩阵。
步骤S120，将已知的矿图中的巷道壁信息融入到粒子滤波中，通过判断推算过程剔除无效的粒子，对执法监察人员的行走轨迹进行优化，修正执法监察人员的行走方向和角度漂移。
具体的，基于已知的矿图中的巷道壁信息融入到粒子滤波中，由于工作人员在行走的过程中不可能穿越巷道壁，这为位置推算的正确性提供了客观的依据，以位置推算中的一步来量测步长和行走方向角增量为粒子滤波的状态量，建立相应的位置推算运动模型，通过判断推算过程中粒子是否符合客观事实可剔除无效的粒子，利用巷道壁信息限制粒子权重，进而对行走轨迹进行优化。
执法监察人员根据优化后的行走轨迹向前行走，具体的，执法监察人员根据修正后的行走方向和角度偏移方向调整其行走方向。
步骤S2，在执法监察人员行走至矿井巷道特征点和巷道导线点时，基于已知的坐标点，对定位导航数据中的定位误差进行修正。
具体的，在执法监察人员行走至矿井巷道特征点(岔路口或拐点等)和巷道导线点处时，通过执法监察人员的配合进行主动标定操作，进一步修正数据采集终端的定位误差。
其中，巷道导线点指的是地面和隧道或巷道顶端埋设的一种固定点，这些点的坐标是已知的，预先测定好的已知坐标点。导线点作为工程位置的基准。
根据本发明的一个具体实施例，通过数据采集终端进行自主定位导航，并采集定位导航数据，将采集的定位导航数据发送给手持设备。
步骤S3，对修正后的定位导航数据进行粗处理，以得到需要的数据(例如执法监察人员的运动轨迹、位置和速度信息)，形成包含有执法监察人员的简单位置和行走轨迹的数据包。
根据本发明的一个具体实施例，手持设备接收到数据采集终端发送的定位导航数据后，对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的简单位置和轨迹的数据包。
根据本发明的一个具体实施例，手持设备将包含有简单位置和轨迹的数据包通过LoRa无线通信单元发送至地面服务器，地面服务器为LoRa服务器。LoRa服务器保存接收到的包含有简单位置和轨迹的数据包。
步骤S4，将包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包发送至地面的服务器，以使服务器对数据包进行存储。
步骤S5，提取服务器的数据包中的运动轨迹、位置和速度检测数据，对提取的检测数据进行处理，并与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象。
具体的，矿图中预先设定有超层越界开采的界限，如果提取的运动轨迹和位置数据超出该界限，则判定为有超层越界采矿现象，否则，没有超层越界采矿现象。
根据本发明的一个具体实施例，地面监控终端从LoRa服务器的数据包中提取运动轨迹、位置和速度等检测数据。
根据本发明的一个具体实施例，向地面监控终端导入已知的符合采矿要求的矿图，地面监控终端对提取的检测数据与导入的矿图进行对比分析，对是否超层越界进行判断。
实施例二
如图2所示，本申请提供了一种基于双重滤波的矿井超层越界检测***，包括：数据采集终端1、手持设备2、服务器3和地面监控终端4；数据采集终端1与手持设备2通信连接，手持设备2与服务器3通信连接，服务器3与地面监控终端4通讯连接。数据采集终端1，用于基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据；手持设备2，用于对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包；地面监控终端4，用于提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据进行处理，并与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象。服务器3，用于接收所述手持设备2的数据包，并对所述数据包进行存储；所述地面监控终端4从所述服务器3的数据包中提取检测数据。
优选的，服务器3为LoRa服务器。
如图3所示，数据采集终端1包括惯性导航单元13、第一控制单元12、第一蓝牙通信单元11、第一供电单元15、指示灯和蜂鸣器14等。第一控制单元12为控制中心，第一控制单元12分别与第一蓝牙通信单元11、惯性导航单元13、指示灯、蜂鸣器14连接。第一供电单元15与第一蓝牙通信单元11、第一控制单元12、惯性导航单元13、指示灯和蜂鸣器14电连接，第一供电单元15用于给第一蓝牙通信单元11、第一控制单元12、惯性导航单元13、指示灯和蜂鸣器14供电。具体的，第一供电单元15为电池。
根据本发明的具体实施方式，数据采集终端1镶嵌在执法监察人员的脚底垫的凹槽内，执法监察人员穿着带有数据采集终端1的鞋在巷道内行走。数据采集终端1用于采集执法监察人员在巷道内的位置、速度和行走轨迹等数据。数据采集终端1具有体积较小，重量轻、移动方便、耗能低、响应时间快和方便携带的优点。
具体的，数据采集终端1通过惯性导航单元13基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据。
具体的，惯性导航单元13包括陀螺仪、加速度计和处理器。执法监察人员的运动信息由陀螺仪、加速度计采集，处理器用于对采集的运动信息进行处理分析，获得定位导航数据。
根据本发明的具体实施例，数据采集终端1通过第一蓝牙通信单元11与手持设备2通信连接，数据采集终端1将其采集的执法监察人员的运动数据发送给手持设备2。
数据采集终端1的蜂鸣器14用于在监测到超层越界采矿时发出报警提示。
如图4所示，手持设备2包括LoRa无线通信单元23、第二控制单元22、第二蓝牙通信单元21、数据粗处理单元24、显示屏25和第二供电单元26，手持设备2的外壳上还设有电源按钮、开始结束按钮、数据收发按钮和位置校准按钮。
其中，第二控制单元22与LoRa无线通信单元23、第二蓝牙通信单元21、数据粗处理单元24和显示屏25通信连接。第二供电单元26与第二蓝牙通信单元21、第二控制单元22和LoRa无线通信单元23电连接。第二供电单元26用于给第二蓝牙通信单元21、第二控制单元22和LoRa无线通信单元23供电。具体的，第二供电单元22为电池。
优选的，手持设备2还包括佩戴线口，执法监察人员通过佩戴线口佩戴手持设备2在巷道走动。手持设备2通过第二蓝牙通信单元21与数据采集终端1通信连接，手持设备2通过所述第二蓝牙通信单元21接收所述数据采集终端1采集的定位导航数据。
手持设备2接收数据采集终端1采集的数据后，通过数据粗处理单元24对数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包，并在显示屏25上显示执法监察人员的行走轨迹和位置坐标。
手持设备2通过LoRa无线通信单元23与LoRa服务器通信连接，手持设备2将粗处理后的数据包发送给LoRa服务器。其中，LoRa服务器设置在地面上。
手持设备2还包括充电口，充电口用于给手持设备2充电。
根据本发明的一个具体实施例，LoRa服务器由一台或多台计算机组成。
LoRa服务器用于与支持LoRa通信的手持设备2进行通信和与地面监控终端4进行通信，并存储其从手持设备2接收到的数据包。LoRa服务器采用了LoRa无线通信技术，实现超长距离、低功耗、大容量和安全的数据传输。
具体的，LoRa服务器具有数据存储模块，数据存储模块用于存储数据包。
根据本发明的一个具体实施例，地面监控终端4包含至少一台计算机或服务器及其组合而成的计算机网络。
地面监控终端4用于从LoRa服务器提取与检测人员行走轨迹相关的数据，并将提取的数据与导入的矿图进行对比分析处理，得到最终检测结果，从而实现对超层越界检测的判断。
根据本发明的手持设备2的具体使用过程中，当按下手持设备2的数据收发按钮，手持设备2接收数据采集终端1采集的数据或者将粗处理后的数据发送给LoRa服务器。按下位置校准按钮，可对手持设备2的显示屏25上显示的执法监察人员的行走轨迹和位置坐标进行自主修正校准。开始结束按钮用于控制手持设备2的开启。
根据本发明的具体实施方式，执法监察人员携带数据采集终端1和手持设备2进入巷道进行数据采集，数据采集终端1采集到的数据发送给LoRa服务器，由地面监控终端4从LoRa服务器提取采集到的数据包，同时导入符合采矿要求的矿图对提取的数据进行分析处理，从而实现对超层越界检测的判断。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请检测***成本低、检测设备携带方便，操作简单，能够快捷、准确地检测煤矿超层越界开采现象，提高煤矿超层越界开采检测的效率。
(2)本申请采用了双重滤波算法获得执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据，剔除了无效的数据，提高了定位导航数据的准确性，进而提高了煤矿超层越界开采检测的准确度。
(3)本申请根据已知的坐标点对采集的定位导航数据的定位误差进行修正，提高了采集的定位导航数据的准确性，从而提高煤矿超层越界开采检测的准确度。
(4)本申请采用了LoRa无线通信技术，将执法监察人员在巷道内采集的数据传输到地面的服务器，实现超长距离、低功耗、大容量和安全的数据传输。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，其特征在于，该方法包括：
基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据；
对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和行走轨迹的数据包；
提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象；
其中，检测数据包括执法监察人员的运动轨迹、位置和速度数据。
2.根据权利要求1所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，其特征在于，在执法监察人员行走至矿井巷道特征点或巷道导线点处时，基于已知的坐标点，对定位导航数据中的定位误差进行修正，修正后，对定位导航数据进行粗处理。
3.根据权利要求1所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，其特征在于，基于步行导航算法对检测人员进行定位。
4.根据权利要求1所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，其特征在于，将已知的矿图中的巷道壁信息融入到粒子滤波中，通过判断推算过程剔除无效的粒子，对执法监察人员的行走轨迹进行优化，修正执法监察人员的行走方向和角度漂移。
5.根据权利要求1所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测方法，其特征在于，将包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包发送至服务器，以使服务器对数据包进行存储。
6.一种基于双重滤波的矿井超层越界检测***，其特征在于，包括数据采集终端、手持设备、服务器和地面监控终端，所述数据采集终端与所述手持设备通信连接，所述服务器分别与所述手持设备和所述地面监控终端通信连接；
所述数据采集终端，用于基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，以形成定位导航数据，并将定位导航数据发送给手持设备；
所述手持设备，用于接收所述数据采集终端的定位导航数据，对定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包，并将所述数据包发送给服务器；
所述服务器，用于接收所述手持设备的数据包，并对所述数据包进行存储；
所述地面监控终端，用于从所述服务器的数据包中提取数据包中的检测数据，对提取的检测数据进行处理，并与导入的符合采矿要求的矿图进行对比分析，判断是否有超层越界采矿现象。
7.根据权利要求6所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测***，其特征在于，服务器为采用LoRa无线通信技术的LoRa服务器。
8.根据权利要求6所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测***，其特征在于，所述数据采集终端包括惯性导航单元、第一蓝牙通信单元、第一控制单元、蜂鸣器和第一供电单元；
所述惯性导航单元，用于基于惯导技术对执法监察人员进行实时导航和定位，并实时采集执法监察人员的运动信息，形成定位导航数据；
所述数据采集终端通过第一蓝牙通信单元与所述手持设备通信连接；
所述第一控制单元与所述惯性导航单元、第一蓝牙通信单元和蜂鸣器通信连接；
所述第一供电单元与所述惯性导航单元、第一蓝牙通信单元和第一控制单元电连接。
9.根据权利要求6所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测***，其特征在于，所述手持设备包括LoRa通信天线、第二蓝牙通信单元和数据粗处理单元；
所述手持设备通过所述第二蓝牙通信单元接收所述数据采集终端采集的定位导航数据；
所述数据粗处理单元对所述手持设备接收的定位导航数据进行粗处理，形成包含有执法监察人员的位置和轨迹的数据包；
所述手持设备通过LoRa通信天线将所述数据包发送给所述LoRa服务器。
10.根据权利要求9所述的基于双重滤波的矿井超层越界检测***，其特征在于，所述手持设备还包括显示屏，所述显示屏用于显示执法监察人员的位置和轨迹。
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