坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術，該技術包括：對被困人員的聲音信號進行采樣及處理→將聲音信號轉化為數(shù)字信號并進行低碼率壓縮→將壓縮后的數(shù)字信號轉化為有規(guī)律的振動信號并通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播→將接收到的振動信號處理后轉化為數(shù)字信號→將提取到的數(shù)字信號進行解碼并還原為原始聲音信號播出。本發(fā)明在坑道發(fā)生坍塌事故時，能快速實現(xiàn)救援人員與被困人員的通信聯(lián)絡。
【專利說明】坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應急通信技術，具體是一種利用鋼軌傳輸?shù)目焖僬Z音通信技術，應用于坑道災害救援中被困人員與救援人員的通信。
【背景技術】:
[0002]坑道是開發(fā)礦產(chǎn)資源的基本建設工程，也是生產(chǎn)礦山進行采礦準備和生產(chǎn)探礦的主要工程。在施工過程中會出現(xiàn)因地質作用和人為工程活動而造成地質災害，如突水突泥、巖爆、巖土體變形位移滑塌等，危及作業(yè)人員生命財產(chǎn)安全。
[0003]當坑道災難發(fā)生后，原有井下通信設備基本無法使用，經(jīng)常是完全癱瘓。正常生產(chǎn)時所使用的有線電纜的通訊方式，會因為電纜易受擠壓而發(fā)生形變、斷裂、短路、以及中繼設備受到損壞而造成通信中斷。而室外使用的無線電磁的通訊方式，由于電波穿透能力有限，發(fā)生災難事故時，因巷道堵塞、設備損壞等因素而導致電波不能傳播，很難真正實現(xiàn)救援人員與被困人員的通信。
[0004]目前坑道災害救援通信方式主要關注的是基站和救援人員以及救援人員之間的通信聯(lián)絡，缺乏對救災人員和被困人員之間的通信技術研究?，F(xiàn)有的坑道災害救援設備通信方式有無線和有線兩種。
[0005]坑道有線救災通信系統(tǒng)將通信電纜兼做探險繩，主要由礦山救護隊配備，在使用時需臨時敷設線路，甚至需一邊挖掘一邊前進，主要用于傳輸語音、圖像、以及監(jiān)測環(huán)境中的ch4、co、o2濃度、救護隊員的體溫、心跳、姿態(tài)等，目前的井下有線救災通信系統(tǒng)僅用于救護隊員與井下救援基地和地面救援指揮中心的通信聯(lián)絡，無法在第一時間聯(lián)絡坍塌體后的被困人員。
[0006]坑道無線救災通信系統(tǒng)多采用MESH技術，采用MESH技術可以根據(jù)正常工作的節(jié)點自組織網(wǎng)絡，因此一般情況下能夠實現(xiàn)應急通信的要求。但當節(jié)點被瓦斯爆炸等事故連片摧毀時也不能保障被困人員通信，而且由于井下環(huán)境復雜，當事故發(fā)生時，可能因巷道堵塞等導致電波不能傳播而不能快速的實現(xiàn)實時通信，從而不能準確定位合理施救的方案。
[0007]綜上可知，原有救援通信技術存在局限與不足，而采用鋼軌快速應急通信方法能夠在救援人員到達災害現(xiàn)場后第一時間與被困人員建立起通信鏈路，實現(xiàn)救援人員與被困人員的及時交流。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術，該技術通過坑道內鋪設的鋼軌能快速實現(xiàn)救援人員與被困人員的通信聯(lián)絡。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術包括如下驟:
[0010](I)在信號的采集端，對被困人員的聲音信號進行采樣，將采集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理；[0011](2)將處理后的模擬聲音信號轉化為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號進行低碼率的壓縮；
[0012](3)將壓縮后的信號通過振動發(fā)生裝置轉化為有規(guī)律的振動信號，通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播；
[0013](4)在信號的接收端，采用高靈敏度的振動傳感器接收振動信號，對接收到的微弱振動信號進行包括濾波、去噪、放大的處理后，將模擬信號轉化為數(shù)字信號；
[0014](5)對數(shù)字信號進行傅里葉變換，提取其中所包含的信息，將提取到的數(shù)字信號進行解碼，使其還原為原始采樣后的二進制數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號轉化為聲音模擬信號播出。
[0015]本發(fā)明由于采用鋼軌進行信號的傳輸，對傳輸時的碼率要求越低越好，同時由于救援通信的特點，不需要還原后的聲音信號保留高保真度和高清晰度，僅需要實現(xiàn)簡單通信即可，因此可采用參數(shù)編碼對語音信號進行壓縮處理，通過聲碼器可實現(xiàn)對語音信號進行低碼率的頻帶壓縮。將語音信號進行壓縮后，可減少語音信號在傳輸時所需的碼率，降低傳輸信號所需的頻帶寬度，增加傳輸線路使用的效率。將壓縮后的語音信號通過振動發(fā)生裝置以不同的頻率傳播，可以提高信號的傳輸速率。
[0016]本發(fā)明中振動信號在鋼軌中以固體聲的方式進行傳播，由于鋼軌在作業(yè)坑道中相互連通，因此振動信號沿鋼軌傳播是可行的，同時由于振動信號沿鋼軌傳播時衰減很小，因此可以實現(xiàn)信號的遠距離傳播。
[0017]下面以一個具體的實驗來說明振動信號在鋼軌中的傳播過程:實驗場地如圖1所示，實驗人員用榔頭輕輕敲擊鐵路的某點，在鐵路的其它多個點接收振動信號，對傳輸?shù)奈⑷跽駝有盘栠M行檢測，測得接收到的振動信號的波形，對波形進行檢測分析發(fā)現(xiàn)振動聲波在鋼軌橫截面上形成特定形式的駐波或簡正波，鋼軌的截止頻率為50KHz左右，榔頭敲擊鋼軌的頻率小于300Hz (振動發(fā)生裝置敲擊鋼軌的頻率可達300Hz左右)，遠小于鋼軌截止頻率，因而鋼軌中的高次波沿鋼軌方向逐步衰減，最后只傳播均勻平面波，對接收到的信號進行放大，濾波去噪之后可以使信號得到有效還原。通過實驗還發(fā)現(xiàn)，軌道縫隙和岔道對振動聲波具有一定的衰減作用，在不存在岔道的情況下，榔頭敲擊聲可以在鋼軌中有效傳輸超過200m的距離。圖2、圖3為鐵軌常見的兩類縫隙，振動聲波經(jīng)過這兩類縫隙前、后的波形如圖5、圖6所示，比較圖5和圖6可發(fā)現(xiàn)，聲波幅值有一定衰減，但是幅度較小，對波形衰減影響不明顯。振動聲波經(jīng)過圖4所示的岔道前、后的波形如圖7、圖8所示，比較圖7和圖8可發(fā)現(xiàn)，振動波形在經(jīng)過岔道后有比較明顯的衰減，但是振動波形依然保持完整，因此對后期信號的有效提取影響不大。
[0018]從上可以看出，利用鋼軌進行應急通信具有傳輸效率高，損耗小、噪聲干擾小等優(yōu)點，且損耗通過對軌道縫隙及岔道做一定的技術處理還可以進一步降低，另外由于鋼軌在發(fā)生事故時不容易受到大規(guī)模損壞，同時作為傳播媒介又不容易受到外界其他因素干擾，因此利用鋼軌能快速實現(xiàn)救援人員與被困人員的通信聯(lián)絡，加快救援進度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實驗場地的實拍圖。
[0020]圖2為軌道上一類縫隙的實拍圖。[0021]圖3為軌道上另一類縫隙的實拍圖。
[0022]圖4為軌道岔道的實拍圖。
[0023]圖5為振動聲波經(jīng)過縫隙前的波形圖。
[0024]圖6為振動聲波經(jīng)過縫隙后的波形圖。
[0025]圖7為振動聲波經(jīng)過岔道前的波形圖。
[0026]圖8為振動聲波經(jīng)過岔道后的波形圖。
[0027]圖9為本發(fā)明實施例1的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]實施例
[0029]如圖9所示，本發(fā)明方法包括如下步驟:
[0030](1)在信號的采集端，對被困人員的聲音信號進行采樣，將采集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理；
[0031](2)將處理后的模擬聲音信號通過A/D轉換器轉化為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號通過AMBE聲碼器或TR600語音編碼器進行低碼率的壓縮，可得到2.4kbps甚至更低的數(shù)據(jù)速率；
[0032](3)將壓縮后的二進制信號轉化為十六進制(也可轉化為八進制)的數(shù)字信號，并將十六進制的數(shù)字信號與振動發(fā)生裝置產(chǎn)生的不同頻率的振動進行一一對應，制作如下對應的編碼列表(表中的對應頻率可根據(jù)實際需要進行調整)，
[0033]
【權利要求】
1.一種坑道作業(yè)突發(fā)災難背景下的鋼軌通信技術，該技術包括如下步驟: (1)在信號的采集端，對被困人員的聲音信號進行采樣，將采集到的模擬聲音信號進行包括濾波、去噪、放大的處理； (2)將處理后的模擬聲音信號轉化為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號進行低碼率的壓縮； (3)將壓縮后的信號通過振動發(fā)生裝置轉化為有規(guī)律的振動信號，并通過巷道中鋪設的鋼軌進行傳播； (4)在信號的接收端，采用高靈敏度的振動傳感器接收振動信號，對接收到的微弱振動信號進行包括濾波、去噪、放大的處理后，將模擬信號轉化為數(shù)字信號； (5)對數(shù)字信號進行傅里葉變換，提取其中所包含的信息，將提取到的數(shù)字信號進行解碼，使其還原為原始采樣后的二進制數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號轉化為聲音模擬信號播出。
【文檔編號】H04B13/00GK103634056SQ201310656393
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】鐘曉玲, 郭勇, 林偌黠, 劉小洪, 向玉玲, 張定萍 申請人:成都理工大學