基于爆破震源定位技术的矿山地下开采活动实时监测系统技术领域
本实用新型涉及一种基于爆破震源定位技术的矿山地下开采活动实时监测
系统。
背景技术
通过对矿山地下开采所产生的行为分析发现，大部分开采活动都为厚厚的
岩、土层所覆盖，能准确探测地下200-800米的开采活动的现成技术极为缺少，
主要有边界振动电磁感应、建立在井下人员定位基础上的开采定位两种技术。
边界振动电磁感应技术，通俗的讲就是埋线圈，该技术较为简单，不用复
杂的计算模型，只是通过地下爆破时产生的振动，对电磁感应线圈(一种类型
的传感器装置)产生影响，产生电磁感应微电流，通过微处理芯片转化为数字
信号，然后通过并联导线依一定的通讯协议传送给终端服务器产生预预警信号。
该技术只对震对信息进行感应性采集，无法计算震源的位置，需要铺设较长距
离的回路电缆并实时供电，并且由于需要在矿区边界深挖填埋，施工成本非常
高。同时回路任何一个点遭到破坏，很难查找，需要全部更换。
井下人员定位基础上的开采定位技术是井下人员定位技术的延伸，井下人员定
位是通过下井人员携带的射频卡(多装于安全帽)与射频采集卡的作用关系来
进行的定位。建立在这种技术上的开采定位也能实时的对采矿动态进行监测，
但因为设备必须携带入井下，同时因下井人员的主观原因(如故意超层越界时
可以不带此设备)，不能保证越界活动被监控，并且对建设巷道必须同时进行射
频采集器的布点，给越界开采带来一定的不确定因素。
发明内容
为解决以上技术上的不足，本实用新型提供了一种便于施工，稳定性高，
监测精度高的基于爆破震源定位技术的矿山地下开采活动实时监测系统。
本实用新型是通过以下措施实现的：
本实用新型的一种基于爆破震源定位技术的矿山地下开采活动实时监测系
统，包括：
信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器和检测板，振动传感器采
集振动信号，检测板将振动信号进行滤波处理和数字化；
空间定位单元，包括连接检测板的主机，将检测板处理后的信号进行计算，
得出爆破点的立体地理坐标数据；
定位发布单元，包括远程监测服务器和显示器，远程监测服务器接收立体地
理坐标数据，并标注在显示器显示的矿区电子地图上。
为了能够较全面地采集到三维空间内的振动信号，上述振动传感器为布置在
不同平面上的4～5个三轴振动传感器。
上述主机连接有GPS授时模块，用于给主机实时授时，减少了时间基准带来
的测量误差，使定位精度更高。
为了方便信号传输，上述主机与远程监测服务器之间无线通信。
本实用新型的有益效果是：
1.相对于基于井下人员定位技术，有效排除人为因素的干预；与射频卡定位
方式相比，系统自动完成对爆破地震波的采集与处理，不需要人工参与，减少
了人为干预。与此同时，整个系统采用一点定位、多点监控相结合的监控措施
(即一个点就能完成定位，但为了保障定位精度与抗故障特性，实行多点定位)，
并且对监控状态又进行了故障报警设计，加上对设备维护的考核性措施，可保
证设备时刻在线，时刻监控，基本上排除人为干预。
2.先进的波形提取技术与定位算法；波形提取技术与核心的数学模型是系统
的灵魂，对波形的选取是建立在多次实验的基础之上的，最终选用了波形特征
明显，提取效果最好的小波变换提取地震波信号，小波算法计算量大，存储量
大，运算时间长，在底层硬件中实现小波算法有很大的难度，尤其为了保证系
统的实时性，系统中采用了快速小波变换及其反变换。为了进一步减小程序的
运行时间和存储量，对快速小波变换的编程进行了优化，实测进行一次256字
长度的小波去噪算法时，系统仅用0.2ms的时间，达到了实时性的要求。保证了
爆破信号采集的准确性。同时，对于核心计算模型，经过了反复选取、模拟验
证、实际验证，最终确实了最先进的共轭向量基算法计算模模型，攻克了快速
高精度的定位技术难题。采用迭代的方法实现精确求解，提供了高精度的坐标
变换技术。
3.本系统选择的数学模型，完全满足了一点定位，即在只有一个检测点时，
也可以进行爆破点的定位，但一点在精确度，故障破坏性上均可能存在问题，
基于这种考虑，我们采用了多点定位，多个算法，同时采用CAN总线(或GPRS)
进行数据互连，可增加检测点数提高定位精度，具有极强的可扩展性。这种综
合设计不但有效提高了预警精度，同时又保证了对抗故障的能力。
4.时间基准的科学性、准确性；时间基准是计算结果准确性的关键，系统采
用了GPS模块进行精确授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更
高。
5.极强适应能力与可靠的通信保障；该系统具有有线、无线两种工作方式，
现场可以提供有线的条件时，采用有线方式，可以很快的进行爆破点的准确定
位，在现场无法进行有线操作时，可以用GPRS进行数据传送，适合大矿区范
围作业。通信采用严格协议规程，独有的双向通讯协议指令，确保恶劣环境下，
指令与数据的可靠传输，彻底杜绝由于数据传输出错而导致的漏报、误报。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中：1振动传感器I，2检测板I，3振动传感器II，4检测板II，5振动
传感器III，6检测板III，7振动传感器IV，8检测板IV，9振动传感器V，10检
测板V，11主机，12远程监测服务器，13显示器，14用户终端，15移动终端。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一种基于爆破震源定位技术的基于爆破震源定
位技术的矿山地下开采活动实时监测系统，包括：
信号采集处理单元，包括布置在矿区的振动传感器和检测板，每个振动传感
器连接一个检测板，振动传感器为4～5个三轴振动传感器，布置在不同平面上，
能够较全面地采集到三维空间内的振动信号。如图中的振动传感器I1、检测板
I2、振动传感器II3、检测板II4、振动传感器III5、检测板III6、振动传感器IV
7、检测板IV8、振动传感器V9和检测板V10，检测板将振动信号进行滤波处理
和数字化。
空间定位单元，包括连接检测板的主机11，将检测板处理后的信号进行计算，
得出爆破点的立体地理坐标数据；主机11连接有GPS授时模块，用于给主机
11实时授时，减少了时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。
定位发布单元，包括远程监测服务器12和显示器13，远程监测服务器12接
收立体地理坐标数据，并标注在显示器13显示的矿区电子地图上。用户终端14
也可以访问远程监测服务器12，查询相关信息。
为了方便信号传输，上述主机11与远程监测服务器12之间、检测板和主机
11之间通过移动通信基站无线通信，移动终端15也可以接收无线信号。
其监测方法，包括以下步骤：
a.振动传感器采集矿区振动信号发送给检测板，检测板通过基于DSP的小波
的快速算法对振动信号进行滤波去噪，并将信号数字化，识别出爆破地震波；
b.主机11对爆破地震波进行频谱分析，建立爆破监测定位数学模型，采用共
轭向量基算法求解病态线性方程组，解出爆破点的立体地理坐标数据和时间；
c.远程监测服务器12接收到主机11发送的爆破点立体地理坐标数据，并采用
迭代的方法对数据进行坐标转换，标注在显示器13显示的矿区电子地图上。
在步骤a中，采用地表布点法，将振动传感器固定在两米左右钢管上，插
入地表；或者采用深埋法，采用钻井设备钻10-60米的井洞，将振动传感器放入
井洞，振动传感器采集来自三维空间内的振动信号。
时间基准是计算结果准确性的关键，整个系统通过GPS进行授时，减少了
时间基准带来的测量误差，使定位精度更高。
主机11与远程监测服务器12之间通过无线或/和有线通信。
具体的操作步骤为：
(1)布点；
根据矿区整体结构，在矿区范围内选择合适的信息采集点(多选用具备供
电优势与监管优势的工区)。对环境纯净的矿区采用地表布点法，将传感器固定
在两米左右钢管上，插入地表。对于干扰较大矿区，采用深埋法，采用钻井设
备钻10-60米的井洞(根据实际情况以越过潜水层为最佳)，将爆破振动传感器
放置于洞底，传感器信号通过引线引升到地面。传感器在安装的过程中进行传
感器及引线电缆的防水、防土壤腐蚀、防鼠害、防地质灾害拉伸破坏等工作。
(2)震波采集、爆破地震波识别和传输；
在矿井下爆破发生时，产生的振动波作用于所布点的振动传感器，由振动
传感器采集后通过导线电缆传出地面，经过软件智能识别，判断为爆破地震波
后，进行存储，并将爆破发生时刻及地点信息发给主机11。
由于振动传感器检测的信号含有很多的干扰，这些干扰信号不仅可能淹没
了正常的爆破地震波信号，还可能造成对爆破地震波到达时刻的误判，从而导
致不能正确检测地震波或引起定位的误差。为了对爆破点进行精确定位，首先
应该排除其他信号的干扰。主要包括天然地震，脉动，矿车、火车或其它汽车
的振动，大风或雷电的干扰，矿震等。
小波变换是近年来受到十分重视的新技术，面向特征检测以及纹理分析的
许多新方法，如多分辨率分析、时频域分析、金字塔算法等，都最终归于小波
变换(wavelet transforms)的范畴中。
线性系统理论中的傅立叶变换是以在两个方向上都无限伸展的正弦曲线波
作为正交基函数的。对于瞬态信号或高度局部化的信号(例如边缘)，由于这些
成分并不类似于任何一个傅立叶基函数，它们的变换系数(频谱)不是紧凑的，
频谱上呈现出一幅相当混乱的构成。这种情况下，傅立叶变换是通过复杂的安
排，以抵消一些正弦波的方式构造出在大部分区间都为零的函数而实现的。
为了克服上述缺陷，使用有限宽度基函数的变换方法逐步发展起来了。这
些基函数不仅在频率上而且在位置上是变化的，它们是有限宽度的波并被称为
小波(wavelet)。基于它们的变换就是小波变换。
检测板采用基于DSP的小波的快速算法。对于高斯白噪声这样的非平稳信
号，小波去噪法无疑是较好的滤波算法，然而小波算法计算量大，存储量大，
运算时间长，在底层硬件中实现小波算法有很大的难度，尤其为了保证系统的
实时性，系统中采用了快速小波变换及其反变换。为了进一步减小程序的运行
时间和存储量，对快速小波变换的编程进行了优化，实测进行一次256字长度
的小波去噪算法时，系统仅用0.2ms的时间，达到了实时性的要求。
为此，使用快速小波变换(DWT)，对信号进行重构时，使用快速小波反变
换(FWT)。计算步骤为：
(1)将f(x)投影到{Vn)上
f ( x ) ≈ Σ k = 0 2 - 1 c k n Φ ( 2 n x - k ) = f n ]]>
(2)小波分解算法
使用多分辨分析的金字塔算法时，
c k j - 1 = Σ i a i - 2 k c i j , d k j - 1 = Σ i b i - 2 k c i j ]]>
fn＝gn-1+gn-2+gn-3+......+gn-m+fn-m
h j = Σ k c k j Φ ( 2 j x - k ) , g j = Σ k d k j Ψ 4 ( 2 j x - k ) ]]>
而gn、hn是符号多项式G(z)、H(z)的系数：
G ( z ) = 1 2 Σ n g n z n = z - 1 ( 1 + z 2 ) m E 2 m - 1 ( z ) E 2 m - 1 ( z 2 ) ]]>
H ( z ) = 1 2 Σ n h m z n = - z - 1 ( 1 - z 2 ) m ( 2 m - 1 ) ! E 2 m - 1 ( z 2 ) ]]>
E 2 m - 1 = ( 2 m - 1 ) ! Σ k = 0 2 n - 2 N 2 n ( k + 1 ) z k ]]>
重构时有：
本系统实现的小波算法与MATLAB中所用的小波算法效果是相当的。
在信号传输过程中，现有的振动传感器，其输出信号多为电压信号，随着
传输距离增加，电压的衰减也就越大，一般在传输线距离大于10米以后就不能
正确的反映振动信号了。在系统中，应用类驱动电缆技术实现了微弱信号的远
距离传送，保证了爆破振动信号的实时可靠检测。解决了震动信号远距离、高
精度传输。
(3)快速高精度的定位。
主机11内在求解爆破位置和时间时，所用的矩阵一般为病态矩阵。求解
病态线性方程组的方法一般可以分为直接法，迭代法，以及当今出现的一些先
进算法如遗传算法、模拟退火法、混合混沌算法等。但由于这些算法都有一定
的局限性，它们不能把所有的病态线性方程组较好的求解出来，因此研究求解
病态线性方程组的算法是当前一项重要又艰巨的工程。在这里使用了共轭向量
基算法。
其算法的步骤为：
step l：初始化数据。任给x1，计算，r1=Ax1-b，取
，并置k=1。
Step 2：计算以及xk+1＝xk+tkpk，rk+1＝rk+tkApk。按照下式分别计算αk
和βk然后计算：pk+1＝αkrk+1+βkpk，置k＝k+1。
α k = - p k T Ap k ( p k T Ap k ) r k + 1 T r k + 1 + ( r k + 1 T Ap k ) 2 p k T p k , ]]> β k = - r k + 1 T Ap k ( p k T Ap k ) r k + 1 T r k + 1 + ( r k + 1 T Ap k ) 2 p k T p k ]]>
Step 3：如果k＝n-1，则算法终止，转到Step4；否则转入Step2继续计算。
Step 4：计算即得到线性方程组的解。
(4)高精度的坐标变换；
由于矿区地图为1954北京坐标系的平面坐标，远程监测服务器12地图为
1984世界坐标系的大地坐标，监测系统在对爆破波定位后的坐标要转换成服务
器接受的1984世界坐标系下的数据，所以需要进行BJ_54与WGS_84坐标系之
间的转换。而在坐标变换中，需要通过最小二乘法对不同坐标系转换的七参数
进行求解。而在坐标变换中，也经常出现病态方程的求解问题，本系统中采用
迭代的方法实现精确求解。
WGS-84坐标系：
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数
就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84
(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美
国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统-WGS-72
坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地
球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0
的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
1954年北京坐标系：
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐
标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采
用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a＝6378245mf＝1/298.3。
我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。
BJ_54与WGS_84坐标系之间的转换：
①首先利用七参数模型，将BJ_54平面直角坐标系转换为WGS_84平面直
角坐标系，相应的坐标转换模型为：
式中，ΔX，ΔY，ΔZ为3个平移参数；θx，θY，θZ为3个旋转参数，
m为尺度参数。为了求得这7个转换参数，至少需要3个公共点，当多余3个
公共点时，按最小二乘法求得7个参数的最或然值。在获得已知的7个参数下，
便可以进行BJ_54平面坐标系到WGS_84平面坐标系的转换。
②采用高斯投影坐标反算公式，将WGS_84平面直角坐标系转换为大地坐
标系。
(a)高斯投影反算：已知某点的高斯投影平面上直角坐标(x，y)，求该点在
椭球面上的大地坐标(L，B)，即的坐标变换。
(b)投影变换必须满足的条件：
x坐标轴投影成中央子午线，是投影的对称轴；
x轴上的长度投影保持不变；
投影具有正形性质，即正形投影条件。
(c)投影过程：
根据x计算纵坐标在椭球面上的投影的底点纬度Bf，接着按Bf计算(Bf-B)
及经差l，最后得到B＝Bf-(Bf-B)、L＝L0+l。
(d)计算公式：
B = B f - t f 2 M f N f y 2 + t f 2 M f N f 3 ( 5 + 3 t f 3 + η f 2 - 9 η f 2 t f 2 ) y 4 - t f 720 M f N f 5 ( 61 + 90 t f 2 + 45 t f 4 ) y 6 l = 1 N f cos B f y - 1 6 N f 3 cos B f ( 1 + 2 t f 2 + η f 2 ) y 3 + 1 120 N f 5 cos B f ( 5 + 28 t f 2 + 24 t f 2 + 6 η f 2 + 8 η f 2 t f 2 ) y 5 ]]>
当要求转换精度至0.01″时，可简化为下式：
B = B f - t f 2 M f N f y 2 + t f 24 M f N f 3 ( 5 + 3 t f 2 + η f 2 - 9 η f 2 t f 2 ) y 4 l = 1 N f cos B f y - 1 6 N f 3 cos B f ( 1 + 2 t f 2 + η f 2 ) y 3 + 1 120 N f 5 cos B f ( 5 + 28 t f 2 + 24 t f 4 ) y 5 ]]>
(5)定位信息的发布：
远程监测服务器12在确定爆破点的位置数据后，通过中国移动或中国联
通完善的GPRS网络将定位数据上传至监测服务器，并由服务器在矿区的电子
地图进行标注。用户终端14也可以访问远程监测服务器12，查询相关信息。
为了进行爆破波震相分析和确定爆破震源的位置，一般系统中至少布有四
个信号采集点，处理器需要通过记录爆破地震波到达检测传感器的准确时间，
才能够计算出爆破点的具体位置。然而各分检测点定时误差对定位精度的影响
很大，并且不能保证系统在记录时间信息时刻的时间同步。所以在实现爆破波
定位系统中，必须严格保证各分检测点的时间的同步性与同时性。由于GPS接
收机能全天候，实时地接收GPS空间卫星发出的信号，可以获取精确的导航定
位信息和精确的时间信息，时间信息包含年、月、日、时、分、秒和每秒输出
的同步脉冲信号。
由于从GPS接收机输出的秒脉冲(1PPS)与UTC的上升沿同步，每个秒脉冲
误差不超过1μs(GN80H模块可以达到30ns的精度)，因此利用GPS接收机输
出的秒脉冲可以校准系统工作时钟，这就能使系统时钟对应的每一秒的时间间
隔与UTC的时钟对应的每一秒的时间间隔基本相同；而在GPS接收机输出秒脉
冲的同时，还同时输出一个绝对的UTC时间，利用该时间来修改系统工作时钟，
就可以使系统的时间与世界协调时基本一致，而四个(含四个以上的)分检测点
都接受GPS接收机授时，确保这些系统以几乎同样的时间同步工作，从而保证
处理器在对信号采集过程中的准确记录波形的到达时刻。
信号传输通过CAN总线或用GPRS方式(在不能进行有线传输的环境)，
将地震波信息打包并附加数据校验信息传输至数据处理单元CPU。
上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但
不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精
神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应
涵盖于权利要求范围所界定范畴内。