一种井下巷道路由模型建立方法及基于该方法的井下通信方法

摘要

一种井下巷道路由模型建立方法及基于该方法的井下通信方法，涉及一种路由模型建立方法及井下通信方法，解决了井下发生危险时井下人员或移动设备如何在巷道中找到出发地到目的地的路径的问题。本发明根据巷道的空间拓扑结构建立巷道模型，根据基站坐标建立基站模型，根据巷道内的基站位置信息建立基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表；判断巷道模型、基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表内是否均有数据，是则获取基站集合，向任意连通的两个基站节点间的连通路径上添加巷道拐点；获得从发起基站到目的基站的所有路径。用于煤矿井下发生危险时井下人员或移动设备在巷道中寻找路径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种路由模型建立方法及井下通信方法，尤其是煤矿井下发生危险时井下人员或移动设备在巷道中找到出发点到目的地的路径的方法。

背景技术

(1)相关概念

路由是把信息从源穿过网络传递到目的地的行为，在路上至少遇到一个中间节点，主要用于信息在网络上的传输。路由算法是在网络中根据一定指标进行路径规划的方法。该发明中的路由模型是指由若干节点组成的具有空间拓扑结构的网络结构模型，从模型中可以得到节点间的连通关系。

现有井下通信方法包括有线通信和无线通信两种，其不足之一是：当前井下人员的手持终端多数是接收信号覆盖区域的定位基站传来的信息，不能与非覆盖区域的基站进行相互通信与传输信息。本文所提出的井下通信方法属于一种无线通信技术，可以弥补现有井下通信方法的不足，更适用于井下较狭窄有局限性的井下巷道。

(2)煤矿行业相关技术领域的特点

①井下环境：井下的空间由较狭窄具有局限性的巷道组成，井下空气中易燃易爆气体和粉尘多，噪声大，湿度大，存在各种机电设备，时刻受到瓦斯、冲击地压、水、火或电等方面危险因素的影响。

②井下路径查找：工作人员或移动设备在井下工作过程中，尤其是井下发生由瓦斯、冲击地压、水、火或电等引起的危险时，如何在巷道中找到出发点到目的地的路径，以及井上指挥人员如何在井下查找并发现失踪人员，此类的路径查找工作具有重要意义。

③非通行巷道警示：井下巷道环境复杂，行业规定某些类型的巷道(如：回风巷道、运输巷道等)为非通行巷道，即不允许人员或移动设备通行。如果能够有一种方法可以在井下人员或移动设备进入非通行巷道前，便可预知从出发地到目的地的可连通路径，并有效警示井下人员或移动设备哪些巷道为非通行的巷道，为井下人员或移动设备的工作和行走提供便利，将具有重要意义。

④井下路径的可靠性：井下巷道环境复杂，因井下塌方、道路损坏或通信电缆被拉断等问题，可能导致某些本来可以行走的路径变得不可行走；如果不仅能够指出多条途径，而且能够表明即将行走的道路的可靠性，将具有意义。

⑤运行轨迹回放：当在井下巷道图中直观回放某井下人员或移动设备在某时间段内从起始基站(如A)到终止基站(如：J)的运行轨迹时存在的问题是：当人员或移动设备经过发生故障而不能正常接收通信信号的基站时，该故障基站的信息不能存储到数据库中，导致人员或移动设备的实际行走轨迹信息缺失，需要保证这种情况下人员或移动设备的运行轨迹不能到巷道以外的区域。

(3)为了解决路由模型建立及基于该方法的井下通信的问题，目前已经有一些成果：

①申请号为201210251782.7的专利，提出一种基于多目标萤火虫算法的路径规划方法，解决同时考虑多个性能指标的路径规划问题，但此方法没有考虑路由节点的可靠性，未考虑煤矿井下环境的特殊性。本文发明通过节点间的通信状态来判断路由节点的可靠性。

②申请号201110216379.6的专利，涉及一种基于磁导航的变电站巡检机器人全局路径规划方法，利用Floyd弗洛伊德算法确定搜索路径矩阵，适用于变电站环境下机器人的路径导航，未考虑煤矿井下环境的应用。

③当前传统的全球定位系统、遥感技术已经比较成熟，但是其适用于视野开阔的地面上，由于井下信号被遮挡不能有效用于矿井导航工作，即不适用于井下较狭窄有局限性的井下巷道。射频识别技术、无线电可视化传感器及“紫蜂”技术的开发应用都能够满足在特殊条件下的井下机器人、工作人员的导航定位。这些技术在一定程度上完成了井下导航工作，但也存在精度低、稳定性差、系统复杂等缺点。所以井下的实时导航工作需要特殊的测量手段。本发明提出的方法实时、稳定、不受外界条件限制，适用于井下较狭窄有局限性的井下巷道。

发明内容

本发明是为了解决井下发生危险时井下人员或移动设备如何在巷道中找到出发地到目的地的路径的问题，本发明提出了一种井下巷道路由模型建立方法及基于该方法的井下通信方法。

本发明所述一种井下巷道路由模型建立方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、根据巷道的空间拓扑结构建立巷道模型；同时根据基站坐标建立基站模型；

步骤二、根据巷道内的基站位置信息建立基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表；

步骤三、判断步骤一获得的巷道模型、步骤二获得的基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表内是否均有数据，是则执行步骤四，否则返回执行步骤一；

步骤四、根据步骤二获得的基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表建立基站拓扑关系图，获取基站集合M，并对基站节点进行编号，并对集合M中的基站进行“允许进入”属性标注；

步骤五、采用广度优先搜索方法对基站集合M中每个基站节点进行连接路径搜索，获取任意连通的两个基站节点间的可连通的路径；

步骤六、根据步骤一获得的巷道模型和基站模型，向步骤五中获得的任意连通的两个基站节点间的连通路径上添加巷道拐点；

步骤七、在步骤一建立的巷道模型和基站模型基础上，采用三维平台提供的接口函数在三维平台中展现两基站间的巷道路径，实现井下巷道路由模型建立。

基于上述一种井下巷道路由模型建立方法的井下通信方法，该方法的具体步骤为：

步骤A1、井下人员或移动设备从所建立的井下巷道路由模型中找到与发起基站相邻的基站集合，并为基站设置“允许进入”属性，便于提醒井下人员或移动设备下一步将要经过的基站是否允许行走；

步骤A2、发起基站向与该基站相邻的基站广播路由建立信号；

步骤A3、接到该广播路由建立信号的基站向发起基站回复应答信号；

步骤A4、发起基站判断在一个时间周期内是否接收到应答信号，如果判断结果为否，则返回执行步骤A2；如果判断结果为是，则将收到的应答信号所在基站加入路由表，并将这些基站作为发起基站的第i跳下游基站；i的初始值为1；

步骤A5、每个第i跳路由基站广播路由建立信号，接到该广播路由建立信号的基站向第i跳路由基站回复应答信号；

步骤A6、第i跳路由基站判断在一个时间周期内是否收到应答信号，如果判断结果为否，则向发起基站回复结束路由信号；发起基站在收到该结束路由信号后将第i跳路由基站从路由表中删除；如果判断结果为是，则第i路基站将收到应答信号对应的非发起基站的基站节点作为第i+1跳下游节点基站，并转发给发起基站；发起基站将所有第i+1跳基站加入路由表；同时，发起基站判断所有第i+1跳基站中是否包含有目的基站，如果判断结果为是，则结束，获得从发起基站到目的基站的所有路径；执行步骤A8，如果判断结果为否，则执行步骤A7；

步骤A7、令i＝i+1，返回执行步骤A6。

本发明采用井下巷道的CAD图件建立巷道空间数据结构和拓扑关系模型，并将基站的名称、经度、纬度、海拔高度、图标信息添加到井下三维巷道图中，存储需要加拐点的相邻基站间的转点信息，实现井下巷道的路由模型的建立。

(1)在人员或移动设备的实际运行轨迹信息缺失的情况下，我们可以通过本文建立的路由模型判断出井下人员或移动设备可能会经过的路径，进而在三维场景中进行人员或移动设备的轨迹回放时使运行轨迹不能到巷道以外的区域。

(2)通过“允许进入”属性的引入，使井下人员或移动设备在进入非通行的巷道前，便可预知从出发地到目的地的可连通路径，并有效警示井下人员或移动设备哪些巷道为非通行巷道，为井下人员或移动设备的工作和行走提供便利。

(3)井下工作过程中尤其是井下发生危险时，系统可以自动产生从出发地到目的地之间的多条路径，供人员根据实际情况抉择出一条或几条路径，能够在矿井地图上动态回放指定员工在指定时间内的行走路径及进出基站的时间等信息，以便于对井下人员的行为进行事后追查或规范控制。

(4)已知人员或移动设备所在区域的基站节点A，从所建立的井下巷道路由模型中找到与该基站节点相邻的基站集合，然后向这些基站发送路由信息，能够提示井下人员或移动设备下一步将要经过的基站是否允许行走，是否具有可靠性。此处的可靠性判断规则是：如果发起基站收到回复应答信号，则应答信号所在基站被认为是可靠的，否则认为是不可靠的。从而指导该人员或移动设备最终从出发地到达目的地。这样保证了即将行走的道路的可靠性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一所述方法的流程图；

图2为具体实施方式二所述方法的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种井下巷道路由模型建立方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、根据巷道的空间拓扑结构建立巷道模型；同时根据基站坐标建立基站模型；

步骤二、根据巷道内的基站位置信息建立基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表；

步骤三、判断步骤一获得的巷道模型、步骤二获得的基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表内是否均有数据，是则执行步骤四，否则返回执行步骤一；

步骤四、根据步骤二获得的基站与转点信息表、相邻基站数据结构表和基站路径数据表建立基站拓扑关系图，获取基站集合M，并对基站节点进行编号，并对集合M中的基站进行“允许进入”属性标注；

步骤五、采用广度优先搜索方法对基站集合M中每个基站节点进行连接路径搜索，获取任意连通的两个基站节点间的可连通的路径；

步骤六、根据步骤一获得的巷道模型和基站模型，向步骤五中获得的任意连通的两个基站节点间的连通路径上添加巷道拐点；

步骤七、在步骤一建立的巷道模型和基站模型基础上，采用三维平台提供的接口函数在三维平台中展现两基站间的巷道路径，实现井下巷道路由模型建立。

本实施方式中所述的三维平台可采用ArcGIS、mapinfo、Google Earth、Virtual Earth或SuperMap。表1为基站与转点信息表、表2基站路径数据表、表3基站路径数据表。其中“转点”的作用是使人员运行轨迹在巷道上而不到巷道以外的区域，是没有通信作用的巷道上的点。

表1 基站与转点信息表

表2 相邻基站数据结构表

表3 基站路径数据表

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种井下巷道路由建立方法的进一步说明，采用广度优先搜索方法对基站集合M中每个基站节点进行连接路径搜索，获取任意可连通的两个基站节点间的可连通的路径的方法为：

步骤五一、从步骤四获取的基站集合M中选取任一节点，获得该节点所对应的编号并将该节点的父节点属性的值设为-1,“已访问”属性设为“true”，并记录该节点的“允许进入”属性，以该节点的编号为关键字将该节点放进队列Queue中；true即为真；

步骤五二、依次遍历步骤五一所选择节点的相邻节点，相邻节点的父节点属性的编号设为步骤五一所选择的节点属性的编号，“已访问”属性不变，并记录该节点的“允许进入”属性，并以该节点的编号为关键字将该相邻节点放进队列Queue中；

步骤五三、判断步骤五一中所选择的节点在队列Queue中的下一个相邻的“已访问”属性是否为true；若是则执行步骤五四，否则，返回执行步骤五一；

步骤五四、对基站集合M中的基站进行双层嵌套循环，获取每两个基站间的路径。

具体实施方式三、本实施方式是基于具体实施方式一所述的：一种井下巷道路由模型建立方法的井下通信方法，该方法的具体步骤为：

步骤A1、井下人员或移动设备从所建立的井下巷道路由模型中找到与发起基站相邻的基站集合，并为基站设置“允许进入”属性，便于提醒井下人员或移动设备下一步将要经过的基站是否允许行走；

步骤A2、发起基站向与该基站相邻的基站广播路由建立信号；

步骤A3、接到该广播路由建立信号的基站向发起基站回复应答信号；

步骤A4、发起基站判断在一个时间周期内是否接收到应答信号，如果判断结果为否，则返回执行步骤A2；如果判断结果为是，则将收到的应答信号所在基站加入路由表，并将这些基站作为发起基站的第i跳下游基站；i的初始值为1；

步骤A5、每个第i跳路由基站广播路由建立信号，接到该广播路由建立信号的基站向第i跳路由基站回复应答信号；

步骤A6、第i跳路由基站判断在一个时间周期内是否收到应答信号，如果判断结果为否，则向发起基站回复结束路由信号；发起基站在收到该结束路由信号后将第i跳路由基站从路由表中删除；如果判断结果为是，则第i路基站将收到应答信号对应的非发起基站的基站节点作为第i+1跳下游节点基站，并转发给发起基站；发起基站将所有第i+1跳基站加入路由表；同时，发起基站判断所有第i+1跳基站中是否包含有目的基站，如果判断结果为是，则结束，获得两基站之间的所有路径；执行步骤A8，如果判断结果为否，则执行步骤A7；

步骤A7、令i＝i+1，返回执行步骤A6。

具体实施方式三所应用的场景如：井下人员或移动设备携带移动通讯终端实时获取该人员或移动设备的当前位置(如：基站A),该人员或移动设备计划从当前位置到目的地(如：基站D),则首先应用具体实施方式二的方法获取出发地(如：基站A)到目的地(如：基站D)间的井下巷道路由，然后应用具体实施方式三的方法与井下巷道路由中的节点进行通信以获取出发地到目的地间的具有可靠性的路径，能够提示井下人员或移动设备下一步将要经过的基站是否允许通行，是否具有可靠性。此处的可靠性判断规则是：如果发起基站收到回复应答信号，则应答信号所在基站被认为是可靠的，否则认为是不可靠的。从而指导该人员或移动设备最终从出发地到达目的地。

采用本实施方式所述方法可以获得两个任意基站之间的路径，工作人员或移动设备在井下工作过程中尤其是井下发生由瓦斯、冲击地压、水、火或电等引起的危险时，可通过本实施方式所述方法获得从发起基站到目的基站的较为可靠的路径。能够提示井下人员或移动设备下一步将要经过的基站是否允许进入，是否具有可靠性。