矿山救援通信技术(二）

       随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小型煤矿企业日益重视安全生产信息化建设，加大安全投入，煤矿安全生产监控系统得到了普遍应用，系统的装备大大提高了煤矿安全生产水平和安全生产管理效率。

1）现场总线式矿山安全监控系统的缺点

       国内现有的矿山安全生产监控系统大多数釆用离散、分布式现场总线技术，釆用低成本的8位单片机，单片机通过异步串行通信接口RS-485或CAN总线协议通信。其缺点主要表现在以下两个方面。

     （1)缺乏统一的通信协议标准和网络结构。国内生产的安全生产监控系统多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容，与其他系统联网很困难，难以做到数据共享。网络结构和通信模式多样，极不规范。每种系统都需要建立自己的通信网络，造成重复投资，通信资源利用率低下。

       (2)传输速率低。一般监测系统的网络传输速率都在4800bit/s以下，不仅不能用于传输多路信息，甚至原有系统的扩容也很难实现。较为先进的一些系统如神东公司大柳塔矿综合自动化系统，其井下的设备层速率也仅仅为125Kbit/s。这样的传输网络不能同时传输图像和话音信号，也无法形成一个真正的通信网络平台。

       煤矿需要的是建立统一、开放的网络，各个不同公司的监测监控设备均能够挂接在这个网络上传输，显然，如果使用现场总线技术，用作连接传感器的设备级网络还可以胜任，但作为井下数据传输的主干网络，在传输速率、传输距离和链路冗余等方面都不能满足我们的需要，而且势必使井下传输网络由一个互不兼容的多系统结构过渡到另一个互不兼容的多系统结构，这显然不能满足煤矿建设现代化矿井、实现综合自动化的需要。

2)煤矿安全生产监控系统的发展趋势

       目前的工业控制领域有两种较为流行的技术方案，一个是现场总线技术，另一个是工业以太网技术。所谓工业以太网，是指技术上与商用以太网(即IEEE802.3标准)兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性等方面能满足工业现场的需要。简而言之，工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理的局域网技术。

      矿山安全生产监控系统的发展趋势是网络化、集成化、多媒体化。基于工业以太网的多业务传输平台可以使分散、分布式监控系统集成为多媒体综合监控系统，节省人力、物力及财力，使矿区地面与井下之间、矿区与矿山安全监督管理部门之间信息共享，实现矿山安全生产过程中多媒体信号的远程釆集、传输、显示、输出、存储、报警以及联动等功能，满足煤矿企业生产资料的完整性、生产作业的安全性和生产事故的可预报性等需要。与包括现场总线在内的其他网络相比，基于工业以太网的矿山安全监控系统具有以下先进性。

       (1)应用广泛。以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发，如Java>VisualC++及VisualBasic等。如果采用以太网作为数据传输主干网络，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。

       (2)成本低廉。由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视和广泛支持，有多种硬件产品供用户选择。

       (3)通信速率高。目前1000Mbit/s的高速以太网已广泛应用，可以满足对带宽的更高要求。

       (4)软硬件资源丰富。由于以太网已应用多年，人们对其技术十分熟悉，大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发与培训费用，从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。

       (5)可持续发展潜力大。以太网的广泛应用使它的发展一直受到广泛的重视并吸引了大量的技术投入，由此保证了以太网技术不断地持续向前发展。

       (6)易于与Internet连接，能实现办公自动化网络。

       通过以上分析可以看到，以太网在技术、速度和价格等许多方面都有着其他网络无可比拟的优势，随着以太网性能的提高和解决以太网实时性问题的技术不断推出，将以太网应用于矿山安全生产监控系统是煤炭企业的必然选择。

       基于工业以太网技术的矿山安全生产监控系统体系结构见图6.18,分为管理层、通信层和设备层三层体系结构，通信层骨干网采用工业以太网技术，设备层传感器、控制器等必须提供以太网接口。

 

图6.18   基于工业以太网的煤矿安全监控系统体系结构

3)现场总线式矿山安全监控系统联网技术

       如何在保护原有投资的前提下，将原有的基于现场总线的监控系统升级改造成基于工业以太网的监控系统呢？整个技术的瓶颈效应集中在釆用工业现场总线形式的设备层上。设备层那些分散、分布式传感器、控制器通过异步串行通信接口RS-485或CAN总线协议通信，无法直接与互联网连接；要想接入互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理改造，关键是数据格式的改造和通信协议的转换。串/网口转换技术可将串口数据立即转换成网络数据，实现没有操作系统的Internet连接，有效解决串/网口之间的转换问题，其工作示意图见图6.19。

       串/网口转换技术使矿山分散、分布式监控系统接入矿用工业以太网。在地面，工业级串/网口转换器成熟产品很多，但都没有针对煤矿这种特殊场合进行专门防爆电路设计，不能直接在矿山应用。为此我们专门开发了矿用本质安全型串/网口转接器，它由控制单元、网络接口单元、电源单元组成，同时设置有RS-485/CAN接口、RJ.45接口、电源指示灯、电源开关以及复位开关等，转换器结构组成见图6.20o其工作原理如下：串行通信数据经RS-485/CAN接口到控制单元进行数据转换，使之支持TCP、UDP。控制单元输出的网络通信数据到网络接口单元，网络接口单元内部集成有10Mbit/s/100Mbit/s 

图6.19  串/网口转换器工作示意图

       以太网控制器，数据经RJ-45接口可以实现没有操作系统的Internet连接。电源单元釆用安全组件分流方式分别产生转换器工作的5V和3.3V电压。电路设计、釆购元器件和设计外壳严格按照GB3836—2010《爆炸性环境》的第1部分GB3836.1—2010：设备通用要求和第4部分GB3836.4-2010：由本质安全型“i”保护的设备。

图6.20   串/网口转换器组成示意图

      矿用本质安全型串/网口转接器实现了矿用单片机系统和矿用工业以太网的通信，原有矿山安全监控系统的串行设备完全可以独立运行，不需要重新设计与开发。网口支持10Mbit/s/100Mbit/s自适应，半双工；支持TCP、UDP；支持服务器和客户端模式；所有设置可通过网络实现；配套设备驱动设置程序；UART支持9600bit/s /4800bit/s/ 2400bit/s/ 1200bit/s波特率。可将传感器、控制器等立即联网，使矿山已有的分散、分布式监控系统接入矿用工业以太网，兼容、改造矿山现有的现场总线式监控系统，保护原有投资，也可用于新矿的信息化建设。

      由于矿山多数是地下作业，空间狭窄、四面粗糙、凹凸不平，周围环绕着煤和岩石，还有支架、风门、钢轨、动力线等设备。在这样一个复杂的有限空间内，巷道对无线电波的屏蔽、吸收和散射作用，使得电波无法沿巷道纵向远传。本节对UHF(特高频、分米微波)波段无线射频信号的典型应用频率——33MHz、915MHz和2.4GHz在矿山的无线电波传播特性进行了试验研究，某些结论和结果可以运用到通信、运输和釆矿工业上。

1)矿山无线电波传输特性试验仪器与方案

试验地点：甘肃靖远矿务局救护大队模拟巷道、大水头煤矿煤场和宝积山煤矿。

       (1)试验地点特征。

       ①模拟巷道：巷道截面为矩形，宽2.4m,高1.8m,总长80m,水平方向。

       ②煤场：测量穿透性能时将封装好的标准信号源置于地面，利用推土机将煤覆盖在信号源上，掩埋厚度从0m直到最高4m,过程中若不能接收到信号则停止。

       ③井下巷道：测量地点从大巷一直到釆煤区，釆煤区包括进风巷、回风巷和工作面。大巷为拱形，高2.8〜3.2m,宽3〜3.5m,有两道铁制风门。进风巷和回风巷平行通过待开采的煤区，顶部宽1.8m,底部宽2.2m,部分用圆木支架支撑，支架高1.5〜3m。新鲜空气从进风巷进入，通过工作面后，沿回风巷返回主巷道。矿工和材料通过进风巷送到工作面，煤块粉碎机、装载机、变电所等都安装在进风巷靠近工作面的地方。回风巷安装有瓦斯抽放管道、安全检测系统等。备用工作面铺设金属网面支撑巷道。

       (2)试验方法：将釆用标准信号发生器或便携式信号源置于各测试点，接收器顺巷道移动，测试在不同巷道环境中的最远识别距离。为统一试验条件，发射功率固定在-2dBm,频谱分析仪和便携式接收机灵敏度分别为-120dBm和-90dBm,发射和接收天线均为-3dB,1/4波长鞭状天线。另外，由于测量设备均为非本质安全型，为保证安全，专门有安检员监测试验地点的瓦斯浓度。

2)无线射频信号在矿山的传播特性

      (1)截止频率：UHF频段电磁波在巷道中传播时，由于电磁波波长远小于隧道尺寸,从波导理论可以知道可将巷道视作有损介质波导，只有频率高于波导截止频率的电磁波才能在波导中传播。若矩形巷道的横截面宽为a高为b,巷道壁磁导率和电容率分别为µ和£,其截止频率可由下式给出：

      其中，mn=0,1,2,3,…为波模的阶次。这个频段的信号在巷道中传播时必为多模传播，各个模式的损耗与其阶数的平方成正比，由此可算得模拟巷道和井下巷道主模的截止频率分别为65.43MHz和43.97MHz,三个试验频率——33MHz、915MHz及2.4GHz都远高于其截止频率。

      (2)电波传播衰减特性：矩形巷道中水平极化波主模&ec_h和垂直极化波主模£rec_v的电波传播衰减常数分别为

 

其中，λ为波长；εr为巷道壁相对介电常数，由沙浆、混凝土构成的巷道壁其相对介电常数取4.5,此时可得波模碌c_h和波模&ec_v的衰减常数曲线如图6.21所示。从衰减常数计算公式可以看出，衰减常数与电波频率的平方成反比，与巷道的宽和高的三次方成反比。

图6.21  不通频率的电波传播衰减常数曲线

       在研究三个频率在井下巷道内接收功率的变化时，釆用了线性回归分析法，相对接收功率随传播距离的变化如图6.22(a)〜图6.22(c)所示。经过观察发现，无线电波在巷道内的传播区域被转折点分为两个区域，两个区域有不同的衰减率，因此需用两条不同斜率的直线来拟合在巷道里测量的数据。图6.22显示出来的共性是：传播区域被距发射天线25〜30m处的转折点分为两段，在转折点之前的区域，相对接收功率下降相对较快,433MHz、915MHz和2.4GHz分别从0m的-20.5dBm、-22.8dBm和-38.5dBm下降到转折点的-72.1dBm、-57.9dBm和-77dBm,平均下降了41.7dBm,衰减率分别为1.7dB/m、1.17dB/m、1.28dB/m；而在转折点之后相对接收功率下降得较慢，衰减率分别为0.65dB/m、0.39dB/m和0.12dB/m；在66m处,相对接收功率分别下降到-93.4dBm、-70.7dBm和-81dBm,平均衰减率分别是l.ldB/m、0.73dB/m和0.64dB/m。

图6.22   相对接受功率随传播距离的变化

       上述结果可用巷道混合传播模型来解释。混合模型是基于巷道相对于信号的波长来说是超大尺寸的非理想波导来假设的。在转折点之前，导引传播尚未建立起来，波在这个区域主要为多模传播，电波的传播方式与波在自由空间的传播类似，因此可用自由空间的传播模型估计传播衰减；而在转折点之后，由波导结构决定的导引传播已经稳定，在此区域中，高次模基本上巳被衰减掉，电磁波主要以基模的形式传播，具有导波特性，因此可用修正的波导模型来估计传播损耗。混合模型中对近场区和远场区之间的转折点可通过Fresnel理论来确定。分析433MHz、915MHz和2.4GHz三个频率的相对接收功率表明：频率越高，则波长越小，巷道截面尺寸相对于波长越大，电磁波的传播空间越宽阔，巷道对电磁波传播的影响越小，从而衰减越小。

       (3)弯曲巷道传播特性:井下巷道交叉路口多,研究弯曲巷道内的传播特性也很重要。在弯曲巷道中存在两种波，一种波的电场位于平面内，称为纵面电波(Longitudinal Section Electric：Ez=0),即LSE波；另一种波的磁场位于平面内，称为纵截面磁波(Longitudinal Section Magnetic：Ez=0),即LSM波。根据边界条件可以得到两个非耦合波(LSE0,n波与LSM0,n波)的波模方程为

其中，q1±用于LSEo,n波，q2±用于LSM0,n波。然后由弧长公式可知衰减系数。和相位常数戶折式给出：

其中，a是弯曲巷道的平均曲率半径，釆用牛顿迭代法的变形——抛物线法求解了波模方程式(6.4),得到弯曲巷道中电磁波衰减率与弯曲程度关系及衰减率与频率的关系如图6.23.图6.24所示。图中Q为平均曲率半径，方为巷道宽度的一半。从图6.23可知，由于力固定，。值越大即巷道拐弯越急，电磁波衰减越大。从图6.24可以得到弯曲巷道中衰减率和频率的关系，频率越高，巷道拐弯带来的衰减越大。这一点与本次试验测量结果吻合，数据由表6.10给出。

图6.23   弯曲巷道中电磁波衰减率与b/a的关系       图6.24  弯曲巷道中电磁波衰减率与频率的关系

       通过理论计算和试验结果可以看出，在平直巷道中，频率越高，越有利于电磁波的传输，在弯曲巷道中，频率越高，越不利于电磁波的传输。

表6.10弯曲巷道中频率对衰减率的影响

频率/MHz	433	915	2400
衰减/(dB/km)	57.7	67.6	76.1

       (4)煤掩穿透特性：当电波传播受到煤层阻碍时，势必会产生反射和穿透作用，这样就会造成电波的损耗。由于煤掩穿透釆用全掩埋的方法，因此不考虑反射损耗。2.4GHz频率电波在掩埋超过15cm后就衰减到小于-120dBm,超出仪器测量范围。433MHz和915MHz频率电波煤掩厚度与相对接收功率损耗值的关系如图6.25所示。可以看出915MHz电波在煤层中的衰减率大于433MHz,这是由于波长越长，绕射能力越强。它们的平均衰减率分为3.4dB/m和4.1dB/m。

图6.25   无线电波衰减率与媒

3)结语

      矿山巷道无线信道是无线电波传播的一个特殊环境，通过矿山无线射频信号传输试验，研究了UHF波段无线信号在矿山的截止频率特性、电波传播衰减特性、弯曲巷道传播特性和煤掩穿透特性，得到了433MHz、915MHz和2.4GHz无线射频信号矿山传输特性与煤掩穿透特性的定量数据。根据试验研究得到如下结论：无线电波在矿山传播必须大于矿山截止频率，截止频率在甚高频频带50MHz左右；在平直巷道中，频率越高越有利于电磁波的传播，在弯曲巷道中，频率越高越不利于电磁波的传播，频率升高，射频信号的绕射性能、穿透性能降低。上述结论可对我国矿山无线移动通信技术提供宝贵试验数据和有力理论支持，例如，矿山第三代移动通信系统的传输性能优于小灵通和大灵通系统；2.4GHz的人员定位系统信号覆盖性能要优于433MHz；而用于搜救系统的无线射频卡，釆用433MHz更能发挥作用。 

       目前，我国各大、中、小煤矿陆续装备了矿井监视系统，不仅能直观监视井下工作现场的生产实际情况、及时发现事故苗头防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手现场资料。但是，由于井下光源不足甚至是全黑环境，无论煤矿企业使用的工业电视监视系统，还是一些矿井釆用的综合业务数字网，视频图像质量都不高，表现为画面粗糙、模糊、层次不分明。此外，图像信号在传输过程中易受恶劣环境的干扰，质量下降。图6.26为具有红外夜摄功能的320万像素隔爆照相机拍的甘肃靖远魏家地矿井下巷道情况，2048像素（宽）x1536像素（宽），水平解析度72DPI（Dot Per Inch）,垂直解析度72DPI,全黑环境下红外夜摄得到的是黑白照片。图6.27为KBA.H型清晰度420电视线的矿用本安彩色红外摄像仪摄的河南平顶山一矿运输大巷视频截图，316像素（宽）x238像素（宽），水平解析度96DPI,垂直解析度96DPL在光源不足环境下红外夜摄得到的是淡绿色图像。摄像仪虽然内置了CCD图像传感器、釆用了HAD（Advanced Hole Accumulation Diode）电子画质提升技术，但所拍的静像效果和数码相机无法相提并论，传到地面的视频图像光色和亮度均不令人满意。

1）基本小波理论

近年来小波变换（WaveletTransform）受到众多学科的共同关注，小波理论是传统傅里叶变换的继承和发展。

设ψ（t）£L2（R）（L2（R）表示平方可积的实数空间，即能量有限的信号空间），其傅里叶变换为ψ（ω）,当ψ（ω）满足允许条件：

时，称ψ（t）为一个基本小波或母小波，小波ψ（t）是L2(R)中满足以下容许性条件的函数。设f（t）e£2（R），信号f(t）的小波变换为f(t）与ψ（t）的内积：

其中，a,b€R:a为小波的伸缩因子，a≠0,b为平移因子。从式(6.7)可以看出ψ(t）的不唯一性，它是由经过尺度因子和平移因子的变换而形成的一系列小波函数组成的。

令,则f(t)的卷积型小波变换为

有些文献中把S称为.(t)的尺度伸缩函数。

式(6.7)等效的频域表示为

       从式(6.8)、式(6.9)可以看出，当a值小时，时轴上观察范围小，而在频域上相当于在较高频率作分辨率较高的分析；当a值较大时，时轴上观察范围大，而在频域上相当于在较低频率作分辨率较低的分析。由于小波变换是一种窗口大小固定不变，但其形状、时间窗以及频率窗都可改变的时频域局部化分析方法，具有多分辨率分析的特点，能够在时域和频域表征信号局部特征。

      小波变换的逆变换(重构)公式如下：

       井下视频图像信号属于非平稳一类信源，由于小波变换的自动变焦作用可以对其进行时频分析。

2)井下视频图像的小波消噪

       噪声是不需要或不希望信号的总称。

       井下视频图像在釆集、转换、传输过程中不可避免地混有噪声或干扰信号。为了获得清晰的画面，需要把图像信号中的有效信号提取出来，抑制(削弱)干扰或噪声信号。

为了使问题的说明具有普遍性，假设一个叠加了噪声的有限信号为

其中，s（t)为有效信号；n(t)为噪声信号；y(t')为测试中得到的信号。信号处理的基本目的就是从被污染的信号y(t')中，尽最大可能地恢复有效信号s(t)；最大限度地抑制或消除噪声n(t)。

(1)假设n(t)是一个冲激信号(δ(t)),则

随尺度s的增大，∣Wδ(s,t)|²逐渐减小。

      (2)假设n(t)是一个实的、均值为零、方差为δ²的广义平稳白噪声，则 

这表明Wn(s,t)的平均功率与尺度s成反比。

       (3)假设n(t)是高斯白噪声，则

随着S增大Wn(s,t)|²的方差也逐渐减小，这说明噪声在较大尺度上可以忽略。若你n(t)是高斯型的，则Wn(s,f)也是高斯分布的，可以证明n(t)模极大值的平均稠度为

其中，ψ'和ψ''分别是ψ(t)的一阶和二阶导数，模极大值点的平均密度也反比于尺度s,说明噪声的某一尺度上的模极大值可能传不到下一尺寸的相应位置上，这可作为图像消噪的依据。

       图像保真度准则是一种图像处理后质量评价的标准。保真度准则又分为客观保真度和主观保真度准则。前者是以处理前后图像的误差(均方误差、归一化均方误差)或处理后恢复图像的信噪比或峰值信噪比来度量的，后者则取决于人的主观感觉。

       视频图像小波消噪方法：根据图像的性质以及给定的图像处理标准，首先选择小波和小波分解的层次，把二维图像分层次进行小波分解；然后确定高频系数的阈值，对1〜N(N一般取3)层的每一层，选择一个阈值，对高频系数进行处理；根据1〜N层的低频系数和1〜N层的经过修改的高频系数，计算出信号的小波重建、恢复图像。

       图6.28为一个实际视频截图进行的几种消噪处理。图6.28(b)釆用全局统一阈值方法消噪；图6.28(c)釆用分层不同阈值(Birge-Massart)方法消噪；图6.28(d)则釆用高频阈值随意指定量化方法消噪。不同阈值消噪方法图像客观保真度数据对比如表6.11所示。

比较图6.28及其数据，可以看出：小波函数的选取不同将对图像处理产生不同的效果；多尺度分解处理相互间的效果存在差别(如2尺度分解与3、4尺度分解比较)；对图 

图6.28  陕西铜川陈家山矿难救援中的小波消噪对比图(2005年2月19日视频截图)

表6.11不同阈值消噪、轮廓加强以及消噪加强结合使用处理图像时，客观保真度数据对比

	均方误差	归一化均方误差	峰值信噪比/dB	信噪比/dB
全局统一阈值消噪	19.427	0.33757	35.247	4.7164
分层不同阈值消噪	20.056	0.3485	35.108	4.578
高频阈值随意指定量 化消噪	9.5186	0.1654	38345	7.8146
轮廓加强	26.895	0.46734	33.834	3.3037
消噪、加强处理	26343	0.45775	33.924	3.3937

像消噪过程中全局统一阈值和分层采取不同的阈值会产生不同的效果，釆用什么样的有效法则计算阈值是对图像消噪的一个非常关键的问题。许多不同工程中的实践证明：阈值的选取对不同工程甚至不同个体，没有一个统一的法则，很多情况下主要靠实践经验来选取。另外，有一个事实不容忽视：有些图像只是含有少量的高频噪声，如果釆取滤除全部高频噪声的方法则会损害固有的高频有用信号，使图像的细节受到损害。

3)井下视频图像的小波轮廓加强方法

       频域变换将原来的图像空间中的图像以某种形式转换到其他空间中，然后利用该空间特有的性质进行处理，最后再转换到原来的空间，从而得到处理后的图像。在某些文献中，它与图像轮廓处理为同一方法，都是通过改变图像的高频部分，反方向改变图像的低频部分来达到图像轮廓加强的效果。常见的频域变换方法有低通滤波、高通滤波以及同态滤波等。

       一般情况下，图像经二维小波分解后，其边沿、轮廓部分则体现在高频部分，因此，通过对低频分解系数进行衰减处理，对高频分解系数进行增强处理,即可达到图像改善的效果。图6.29(b)是根据频域变换原理对图像进行抑制低频、增强高频成分的图像轮廓处理。

       可以看出，图像的轮廓得到明显的改变。图6.29(c)将频域变换和消噪处理结合使用，效果更好。图像加强和图像消噪加强两种方法的客观保真度数据对比如表6.11所示。

 

图6.29   陕西铜川陈家山矿难救援中的小波轮廓加强对比图

       图6.30是另一个基于小波理论对视频图像进行消噪(Birge-Massart算法阈值处理)和增强的例子。可以发现：在用小波变换进行图像处理时仍有很多东西带有不确定性，或

图6.30    陕西铜川陈家山瓦斯爆炸中被炸飞的车轮(2005年2月19日视频截图)

者说效果差别不是很明显。当然，轮廓加强和消噪处理结合使用，与原始图像相比较，清晰度提高了。小波消噪、轮廓加强以及消噪、加强结合使用处理图像时，客观保真度数据对比如表6.12所示。

表6.12小波消噪、轮廓加强以及消噪、加强结合使用处理图像时，客观保真度数据对比

	均方误差	归一化均方误差	峰值信噪比/dB	信噪比/dB
消噪处理	19.121	0.25947	35.318	5.8591
轮廓加强	18.696	0.25384	35.413	5.9544
消噪、加强处理	19.556	0.26553	35.218	5.7589

       与原始图像相比较，频域变换和消噪处理结合使用，可使井下视频图像质量得到明显改善。当然，小波应用中的很多东西还有待于更深入的探究。

       语音通信是救援通信系统的基本功能之一。井下救护人员可通过语音通话及时上报灾害现场情况和救援进行情况，同时井下救护人员之间还可语音通话，彼此配合完成救援任务。井上指挥中心可通过语音通话直接下达救援指示，协调各项工作。由于井下空间狭窄等因素，扬声器里传来的语音极易经过巷道壁的反射再次进入麦克风传给说话者，形成回声干扰，降低了通话质量，影响救援人员与指挥中心之间的正常沟通。鉴于此，本节设计了一种自适应回声消除器，为解决井下应急救援中语音通话时的回声干扰问题提供应用方案。

1）自适应回声消除器设计方法

       自适应回声消除器主要由语音检测模块和自适应滤波器模块组成，如图6.31所示，语音检测模块控制自适应回声消除器的工作模式，自适应滤波器模块用于产生真实回声的估计信号，通过调整滤波器阶数及权系数，自动跟踪回声信号变化，实现回声抑制。

       远端（扬声器端）输入信号x(n)经外界环境干扰形成回声信号r（n）,原始语音信号s(n）和回声信号r（n）叠加形成近端（麦克风端）输入信号

       自适应滤波器根据远端（扬声器端）输入信号x（n）经过回声路径的特性产生一个回声估计信号y（n）,近端（麦克风端）输入信号d（n）减去滤波器输出的回声估计信号y(n)误差信号

由式（6.17）＞式（6.18）得

要使误差信号e（n）无限接近原始语音信号s（n），就要让回声估计信号y（））尽可能接近回声信号r（n），从而实现回声消除。

图6.31   自适应回声消除器工作原理

 

     （1）语音检测模块：自适应回声消除器通过语音检测模块检测当前语音环境，根据远端通话、双端通话、近端通话和静音4种语音模式，分别选择对应的自适应回声消除、冻结、旁路和静默四种工作模式。

       ①远端通话检测。计算远端信号的短时能量&海和近端信号的短时能量Rear之间的比值，如果比值大于某一阈值（阈值一般通过实验或测试经验来确定），则判断为远端通话语音模式，自适应回声消除器进入自适应回声消除工作模式，即更新滤波器权系数、开启滤波功能。

       ②双端通话检测。由于近端原始语音信号S（n）和远端输入信号X（n）是相关的，通过计算两者之间的互相关量来判断是否为双端通话语音模式。如果语音环境为双端通话语音模式，自适应回声消除器进入冻结工作模式，即停止更新滤波器权系数，但仍开启滤波功能。

       ③近端通话检测。计算近端信号的短时能量Enear\远端信号的短时能量Efar，设置合适的阈值a,如果Enear ＞aEfar则判断为近端通话语音模式，自适应回声消除器进入旁路工作模式，即停止更新滤波器权系数、关闭滤波功能。

       ④静音检测。没有原始语音信号S（n）输入时，处于静音语音模式，此时存在各种背景噪声，自适应回声消除器进入静默工作模式，即利用自适应滤波器来模拟背景噪声，然后从误差信号中减去该背景噪声的估计信号来抑制背景噪声。

      （2）自适应滤波器模块：包括滤波器单元和自适应算法单元。滤波器单元根据远端输入信号X（n）产生一个回声估计信号y（n）；自适应算法单元根据误差信号e(n）来调整滤波器权系数，使回声估计信号乂汾逐步逼近回声信号r(n）。

①滤波器单元。滤波器釆用有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response,FIR）滤波器，其输入和输出关系表达式为

其中,N为有限信号序列长度；成k）为回声路径的单位脉冲响应向量；•幻为远端  

输入信号。

式(6.20)的时域表达式为

其中，w（n)为滤波器权系数。

②自适应算法单元。通过自适应算法对滤波器权系数w（n）进行计算，使Wt(n)x(n)尽可能接近尸3)。均方误差为

      式(6.22)是关于滤波器权系数的二次抛物面函数，调节滤波器权系数使均方误差最小，相当于函数沿抛物面下降寻找最小值。

       利用梯度信息寻找最小值是一种常用的方法，最小均方误差(LeastMeanSquare,LMS)算法利用瞬时误差信号的平方值来估计均方误差函数的梯度，权系数更新式为

其中，μ为步长参量。

       当μ较小时，失调小，但收敛速度慢；当n较大时，收敛速度快，但失调大。为解决这一矛盾，釆用归一化最小均方误差(Normalized Least Mean Square,NLMS)算法，即用可变步长参量代替固定步长参量，权系数更新式为

其中，μN为常数，用来平衡收敛速度和稳态失调；δ为较小的常数，用来避免步长参量过大。

        迭代开始时步长参量比较大，具有较快的收敛速度，随着迭代的进行，步长参量逐渐减小，到达稳态时，具有较小的失调。

      (3)软件流程：流程如图6.32所本。操作系统米用Linux系统，编程采用MicrosoftVisualC++6.0o初始化后首先进行语音模式检测，自适应回声消除器根据不同语音模式选择不同工作模式，各个不同工作模式对应滤波器权系数的更新与否及滤波器滤波功能的开启与关闭。

2)测试验证

       自适应回声消除器在多媒体救援通信系统硬件平台上进行了应用测试。用户通过硬件设备接收远端传送来的语音信号，再经过自适应回声消除器对釆集的音频信号进行处理。从收敛速度和回声消除效果两个方面来测试自适应回声消除器性能。

       (1)收敛速度。在静音语音模式下，随机提取一段背景噪声，FIR滤波器的阶数分别设置为64和256,自适应回声消除器处理后的回声信号与回声估计信号之间的误差、均方误差曲线分别如图6.33、图6.34所示。可看出滤波器阶数较大时，收敛速度较慢，但波动较小，稳态失调小，自适应回声消除器在纯回声情况下，在Is内即可收敛到-30dB以下。

图6.32  自适应回声消除器软件流程

 
图6.33  背景噪声误差曲线                图6.34   背景噪声均方误差曲线    

      （2）回声消除效果。在双端通话语音模式下，分别从远端输入信号和近端输入信号中随机提取一段通话语音，FIR滤波器的阶数设置为256,自适应回声消除器处理后结果如图6.35所示。可看出经自适应回声消除器处理后的音频信号基本消除回声。

测试结果表明，该自适应回声消除器收敛速度快，可在Is内收敛到-30dB以下，基 

本消除了音频信号回声。目前，自适应回声消除器已成功应用于多媒体救援通信系统中,下一步将研究复杂度更低的自适应滤波算法。

图6.35   自适应回声消除器

       鉴于矿山救援工作对信息多样化的迫切需求，多媒体应急救援通信系统应用管理软件能配合救援系统前端设备，将救援信息进行处理及存储，对提高国家矿山救援能力以及灾后分析事故、研究事故起因及责任认定起一定作用。

1)矿山多媒体救援通信系统简介

        矿山多媒体救援通信系统组成框图如图6.36所示。多媒体救援通信系统主要由前端设备、井下基地及井上指挥中心(地面设备)三大部分组成。

图6.36    矿山多媒体救援通信系统组成框图

2)软件设计

      (1)需求分析：在设计矿山多媒体救援通信系统软件时，必须从矿山事故救援工作的特点和需求出发，为现场指挥人员提供决策性的科学数据和资料，便于救援工作安全、高效地进行。考虑到救援现场环境需要即插即用的便捷性的设备需求，软件采用互为客户端/服务器的软件架构，VisualStudio2005集成开发环境进行软件开发，C卄语言进行软件编写，Access2003作为后台数据库开发，软件需满足以下需求：

①能实时显示救援现场的视频信息；

②现场信息记录仪、井下基地和井上指挥中心三方能进行语音通信；

③能实时检测、显示井下可燃性气体(一氧化碳、氧气、硫化氢等环境参数)浓度，并在参数超标时报警；

④整个救援过程的影音资料可完整记录并回放，为以后分析事故原因、总结抢险过程的经验教训提供基础资料；

⑤软件应能够适应自组织、自愈和网络的特点，一旦在短时间断开连接后，视频及多方通话系统应能够自动进行重新连接；

⑥用户在软件界面内，应能够对软件系统进行相关配置，如音量等。

       (2)软件系统功能模块划分：多媒体信息救援系统应用管理软件属于系统客户端部分，根据软件需求，客户端软件主要分为网络处理、视频处理、多方通话、环境参数处理、调度管理、用户配置及多媒体信息存储与回放几大功能模块。图6.37为救援系统客户端软件构成图。

 

图6.37   救援指挥平台应用管理软件构成

①网络处理模块：主要是根据网络通信协议，解析从现场信息记录仪和井下基地发送的数据包，分别将解析出来的视频、音频、环境参数数据送往相应模块进行处理。

②视频处理模块:将网络处理模块送来的视频流数据先利用H.264解码库进行解码,最终将解码成RGB格式的图像，在软件界面的视频显示区域，通过调用画图函数，同时不断刷新位图显示来实现视频图像的实时播放。

③多方通话模块：将网络处理模块送来的音频数据进行多方通话合成后，送往音频解码模块，然后通过声卡播放出来，同时，麦克风釆集到的语音，通过音频编码后，送到多方通话合成模块进行混音合成后，按照音频数据包的协议组合成音频数据流，再通过网络送到信息记录仪和井下基地设备。

④环境参数处理模块：根据环境参数数据包的组包协议，提取出环境参数(氧气、一氧化碳、甲烷浓度，环境温度)信息，并根据设定的告警门限值，判断是否需要输出告警信息，告警信息将以声音和环境参数显示区域的醒目红色曲线表示。

⑤调度管理模块：负责完成系统的管理及调度功能，此模块负责时刻监测网络的状态及前端信息记录仪和井下基地的设备状态在线信息，当监测到它们的在线状态发生变化时，根据在线和离线的状况输出告警或者提示信息，并根据方案设定的处理步骤，自动接通网络连接和多方通话，实现无须人工干预的智能接入。

⑥用户配置模块：主要完成用户的配置设置，主要包括信息记录仪和井下基地的IP地址设置，信息记录仪、井下基地和井上指挥中心的声卡与麦克风音量的设置和调节，以及各种环境参数项目告警门限值的设定、数据文件目录设置、视频文件大小参数控制等。

⑦多媒体信息存储与回放模块：对接收到的视频、音频及环境参数数据进行融合存储后存储到计算机硬盘上，救援工作结束后，可将存储的多媒体信息进行回放，便于事故分析及经验教训总结。

       (3)软件设计流程：首先进行初始化，包括音视频解码库、视频窗口及网络的初始化，创建接收线程后，程序将会从网络接收发送端发送来的数据包，不同类型的数据会在发送之前被打上命令号，接收端根据命令号的类型分别重新组装成视频、音频、环境参数数据并将其写入接收缓冲区，当一帧数据写满后，音视频送往相应的解码单元进行解码，解码后的视频显示在视频窗口，音频通过声卡放出，环境参数根据数据包协议分别解析出各种参数，在曲线显示区域进行显示，若超过预先设定的门限值，程序将调用报警子程序通过语音报警及红色曲线来输出告警信息，若需要对多媒体信息进行存储，通过手动方式进行录像即可，音视频及环境参数数据将会被同时记录到AVI文件中，接收端流程如图6.38所示，软件界面设计如图6.39所示。

3)关键技术

       (1)多媒体信息融合技术：在整个救援工作中，涉及视频、音频、环境参数数据三种信息，传统的存储方法是将三种数据分别存储为三种格式的文件，但是，救援时间一般需要数小时，在这个过程中，存盘的文件既多又杂，这给回放和救援数据的分析带来极大不便，为了便于存储这些多媒体信息，在本节方案中将遵循AVI数据文件存储格式的要求，将三者数据进行融合存储。

       AVI是由Microsoft公司开发的一种资源互换格式(ResourceInterchangeFileFormat,RIFF),也是Windows系统中最为常见的视频格式，如图6.40所示。AVI格式是按交替方式组织音频和视频数据的，它最直接的优点就是兼容性好、调用方便而且图像质量好。通常情况下，一个AVI文件可以包含多个不同类型的媒体流(典型的情况下有一个音频流和一个视频流)，而多媒体信息融合正是借助了AVI所定义的这种存储格式。 

图6.38   接收端流程图

 

图6.39   软件界面设计

图6.40     AVI结构示意图

       信息块：一个ID为“hdrl”的LIST块，定义AV1文件的数据格式。

       数据块：一个ID为“movi”的LIST块，包含AVI音视频序列数据。

       索引块：ID为“idxl"的子块，定义“movi”LIST块的索引数据(可选)，允许我们随意拖动、定位视频的播放起点。

       存储原理：接收端从网络上接收数据包，将视频、音频、环境参数分别组成一帧帧数据，然后通过函数CAVI_WriteSample将环境参数以文本格式媒体流与音频流、视频流融合后写入一个AVI文件中，最后通过函数CAVIFile_Close来关闭AVI。回放时，先打开AVI文件，读取出一帧数据送往相应的解码器进行解码后，视频送往播放器的视频显示区域，音频通过调用WindowsAPI函数，利用声卡放出，环境参数数据送往曲线显示区域进行显示，在播放器的界面中同时将三种信息集中回放，从而达到三者的时间同步以及可以用通用的播放器播放的目的。

       (2)多媒体信息检索技术：系统不需要存储复杂数据，因此选用了操作简单、界面友好的MicrosoftAccess2003作为后台数据库，在本软件中，数据库是为了配合播放器在回放时对重要信息的快速定位而引入的。

       在整个救援过程中，我们更关注环境参数突变时的视频信息，首先通过自动或手动方式进行视频存储，以当前系统时间来命名AVI文件，利用Access数据库存储AVI视频文件存盘索引（包括文件存储位置及文件名等）可以快速找到指定时间内的所有视频文件，同时数据库也会记录下环境参数（氧气、一氧化碳、甲烷浓度，环境温度等）的报警时间点等日志信息，只要以各个参数的门限值作为搜索条件，搜索到其突变的时间点，只要输入参数突变时刻即可利用AVI中的索引块快速定位到环境参数突变时刻的视频信息，将会给事故救援的分析工作带来极大的便利。

       2015年8月31日国务院发布了《国务院关于印发〈促进大数据发展行动纲要〉的通知》（国发（2015）50号），要求2018年底前建成国家政府数据统一开放平台，率先在信用、交通、医疗、卫生、就业、社保、地理、文化、教育、科技、资源、农业、环境、安监等重要领域实现公共数据资源合理适度向社会开放。国家安全生产监督管理总局关于印发《国家安全生产监管信息平台总体建设方案》的通知（安监总规划〔2015）6号），要求安全生产行业监管、煤矿监察、综合监管、公共服务、应急救援等五大业务系统的安全生产信息要互联互通、信息共享。国内现有的与矿山应急救援相关的系统存在如相互独立、共享困难、定制开发、重复投资、维护成本高等不足，无法从战略高度利用大数据进行决策服务。近些年，随着无线、宽带、安全、融合、泛在的互联网技术的飞速发展，建设一个信息共享、互联互通、统一指挥、协调应急的矿山应急救援平台成为可能，笔者基于“互联网+”的应用，将互联网、云计算、大数据等技术应用于矿山应急救援。

1）基于云计算的矿山应急救援平台

        矿山应急救援平台以SDH光传输主干网络为多业务平台，共享一个云虚拟服务器，服务器上运行应急救援业务系统和应急救援资源数据库，通过登录界面进入应急救援指挥系统、应急救援综合保障系统、救援队伍管理系统、应急预案与案例管理系统、救援装备与物资管理系统、培训与考试系统、训练与考核系统、文档资料管理系统以及办公自动化系统等业务系统，如图6.41所示。

     （1）应急救援指挥系统：集成应急救援硬件设备，整合计算机网络子系统、接警中心子系统和应急救援通信子系统。信号采集纵向到事故现场，横向到以太网、卫星、无线网  络覆盖区域。统一调配应用救援装备物资，统一指挥、协调应急，发挥装备的最大效能，提高应急救援响应速度，最大限度地降低事故损失。

     （2）应急救援综合保障系统：为应急救援提供综合技术保障，包括视频监控子系统、视频会议子系统、大屏显示子系统、救援车辆管理子系统、紧急广播与背景音乐子系统等。

 

图6.41   矿山应急救援平台主要内容

       (3)救援队伍管理系统：包括单位管理模块、队员管理模块、救援专家管理模块、医疗队伍管理模块和救援队网站。以电子档案形式记录并及时更新单位、人员相关信息。系统给每一个管理部门、每一个救援队、每一个救援队员分配唯一的登录名、登录密码和对应权限。救援队网站设计成功能型网站。

      (4)应急预案与案例管理系统：首先录入救护区域内企业信息(含地理信息)、以往救援事故案例，然后内嵌的救援行动预案专家子系统釆用案例推理和规则推理方式，根据以往救援案例和现有事故情况自动生成救援行动方案,为应急救援的决策指挥提供参考。救援结束后，评估救援效果，总结救援经验教训。

      (5)救援装备与物资管理系统：包括救援物资装备设施的类别、维护保养、分配和库房管理。救援装备也进入“云时代”，通过扫描二维码，能够了解相关该装备生产厂家、购入日期、存放地点等信息，同时系统也可以主动提示维保日期及维保项目。

      (6)培训与考试系统：包括救护指导员、管理人员和企业职工的培训及考试情况。试题库自动出题、自动生成标准答案。

      (7)训练与考核系统：主要是救护指导员的日常训练、考核科目及成绩等，包括釆用虚拟现实技术的模拟训练与演练等。 

    （8）文档资料管理系统：文档资料包括救援专业资料库和行业文档资料库。

    （9）办公自动化系统：0A主要是应急值班子系统，通知发布、文件发送和公文的签署等，移动办公是发展趋势。

2）矿山应急救援平台体系结构及软件架构

    （1）矿山应急救援平台体系结构：是面向服务的体系结构（Service-OrientedArchitecture,SOA）,分为设备层、感知层、服务层和应用层，如图6.42所示。它将应用程序的不同功能单元（服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是釆用中立的方式进行定义的，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种各样系统中的服务可以使用一种统一和通用的方式进行交互。

图6.42    矿山应急救援平台体系结构

①设备层：平台的信息感知来源，这一层包含各种传感器（如瓦斯浓度传感器、温湿度传感器、RFID卡、二维码等）、传感网（如GPRS/GSM短信通信模块、ZigBee网、6L0WPAN）o设备层没有统一的标准，根据需要配合感知层搜集平台所需信息。

②感知层：感知层由一系列的前置服务器组成，前置服务器是软件，即一台物理服务器上可以部署多个前置服务器，一个前置服务器可以部署在多个物理服务器上。感知层负责将设备层的信息搜集、整理到平台，由于设备千差万别，产生的数据也各异，需要感知层能支持成千上万个设备的接入。

③服务层：平台的核心，平台的信息中心，感知层将信息搜集到服务层，同时服务层为应用层提供信息。服务层包括消息总线、SOA服务器、数据库服务器。由于系统支持分布式计算，计算单元之间的通信不能釆用传统的面向过程、面向对象的通信方式，需要引入消息总线以支持计算单元之间的通信；SOA是一种粗粒度、松耦合服务架构，服务之间通过简单、精确定义接口进行通信，不涉及底层编程接口和通信模型。釆用SOA服务器后，平台有以下优点：多语言支持（C/C++、Java、C#.....）、松耦合（界面与平台分离）、易扩展（服务即插即用）、动态发现（远程节点服务按需切换，零配置）、可管理（服务管理器、服务容器、服务组件、服务配置）。

④应用层：基于服务层提供的服务为用户提供各种应用，如Web应用、桌面应用、智能手机应用，即同一个平台支持各种设备终端的接入。

    （2）矿山应急救援平台体系软件构架结构：矿山应急救援平台服务器中包含SQLServer数据库、Web表单、Web服务器、文件管理等工具，用户通过以太网访问服务器上的Web表单，登录应急救援管理系统，Web表单通过SOAP+XML访问WebService,WebService再通过OLEDB访问SQLServer数据库，Web表单还通过HTTP访问服务器上的文件管理系统，从而实现系统的数据和文件，矿山应急救援平台软件架构如图6.43所示。

图6.43   矿山应急救援平台软件架构

3）矿山应急救援平台技术方案

      （1）基于虚拟化技术的分布式数据库:基于虚拟化技术的分布式数据库由平台中心数据库、各矿山数据库、各救护队数据库组成，查询数据库釆用“浏览器层/转发层/应用层/数据层”四层架构，见图6.44,通过矿山应急救援云平台搭建分布式数据库，各矿山调度中心、救护队指挥中心的服务器和中心数据库釆用一致的规约的数据格式实现数据的共享和交换，同时通过云平台构建中心数据库的灾备存储，可防止数据丢失。数据库又通过API以Web服务器的形式提供给开发人员，面向第三方开发人员，为数据分析等开发更多预报预警应用提供数据支持。

图6.44   矿山应急救援私有云分布式数据库架构

      (2)基于云计算服务器虚拟化分布式数据库的矿山应急救援平台：各矿山数据库、救护队终端信息数据库的交互，形成统一的中心数据库，避免信息孤岛现象，同时向外界提供接口共享中心数据库，各矿山数据库、各救护队数据库与中心数据库互联互通；运用数据挖掘技术从海量的终端信息中迅速挖掘危险源信息，合成信息池发往分析系统，解决以往速度慢的现象；通过开放的云平台强大的计算分析能力，支撑各参与方的数据调用、模型调试和应用开发，高效对接全社会的智力、数据、技术和计算资源，依托平台实现资源共享，对事故预报预警分析模型不断建立对比分析，能更加快速准确地对信息进行分析，达到快和准的双重要求，见图6.45o

       数据挖掘由数据规约、数据变换、数据分析算法组成，通过数学模型、经验公式、模糊算法、遗传算法等方法对来自终端设备的海量数据信息进行处理，实现从数据仓库获取对于矿山安全生产预报预警有用的信息，并进行整合以备分析系统使用。

       预警预报分析由Hadoop分析系统、专家预报预警模型、仿真模型组成。通过基于Hadoop的MapReduce算法实现高效的并行数据分析，由分析系统分析第二部分数据挖掘系统得来的数据，通过仿真模型进一步分析推演可能出现的情况，并对现有的专家预报预警模板进行自适应的匹配和新增，从而实现自主分析预报预警，实现预报预警结果发布的功能。 

图6.45  矿山应急救援平台整体架构

       (3)矿山应急救援车辆管理系统：将GSM/GPRS网络的数据通信和数据传送功能与全球卫星定位系统以及地理信息系统相结合的高科技产品，主要由客户端、车载终端、GSM/GPRS网络和辅助子系统等四部分组成，救援车辆管理系统组成如图6.46所示。在监控中心电子地图上可以实时地显示救援车辆的当前精确位置以及运行轨迹，从而方便地实现对救援车辆的调度、监控、指挥等功能，同时也可以通过GPRS无线通信网络向指定的车载台发送控制指令，实现对车辆的信息查询服务和远程控制。

4)应用案例

       平台在山东兖矿集团得到应用，效果如下：业务系统涵盖办公、值班、接警、出警、学习、训练、考核、考试、救援等内容；数据库涵盖队伍、人员、装备、设备、服务企业、文档资料、网站等内容。应急救援行动预案专家系统120s内自动生成救援行动方案,为应急救援决策指挥提供参考；危险源辨识预警数据库每60s刷新一次，动态掌握其分布情况；平均救援响应时间提高30%,采取应急救援后事故损失减少到不釆取应急措施情况下的40%0为提高事故救援效率和反应速度、最大限度地降低事故损失提供了新的技术和手段。 

图6.46   救援车辆管理系统组成