专利名称：矿山救援可视化指挥装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿山安全救灾领域，尤其涉及一种矿山救援可视化指挥装置。
现有技术矿井发生灾害时，救护人员在井下救灾中一般使用有线声能电话或使用南非引进的一种SC2000型无线电话，但由于特殊的灾害环境，存在着对人体有害的瓦斯、煤气等易燃易爆气体的干扰，救护队员需装备自保设备。现有的自保设备一般采用负压呼吸器或正压呼吸器，采用负压呼吸器，队员会因鼻夹脱落或张口说话呼入环境气体，所以只能靠声能电话传递约定的信息；采用正压呼吸器虽改善了呼吸的舒适性和安全性，可以讲话，但由于面罩的阻隔影响也难以讲清楚。因此，无论使用有线声能电话或无线电话，都无法清晰、准确地传递灾区的声音、图像等各种信息，反映灾区的实际情况。同时，由于发生灾害时矿井环境气体易燃易爆，具有良好性能的现有通讯设备无法正常使用，使得井下救灾语音通讯准确性、实时性差，信息量有限，没有记忆、储存及图像传输功能。发生事故时，煤矿现有的通信、监视系统无法安全使用，基本处于瘫痪状态。这些问题直接导致现有矿山救灾设备存在着救护队员和上级指挥、协调人员之间的信息反馈不畅，井下救护基地和地面救灾指挥部无法及时、准确掌握灾区真实情况，救灾过程中指挥系统不能做出科学的调度和快速反应，使其救援工作受到制约，贻误了可能的救援机会，甚至引发更大的灾害，造成更大的人员伤亡和财产损失。
发明内容
为解决矿山救援工作中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可实时监测和直接联络事故现场的矿山救援可视化指挥装置。该装置可清晰、准确地将现场图像、声音通过矿用电话线进行双向对称高速的数字信号传输，实时传输至井下救护基地、地面救援指挥中心，实现事故现场图像的多点监视以及灾后现场、井下基地和地面救援中心的多方双向通话。
为达到上述目的，本发明是以如下技术方案实现的它包括前端设备、基地设备、中继设备、地面设备以及可实现双向对称高速数字信号传输的矿用双绞电话线；前端设备主要由矿用本安红外摄像仪、耳麦、视音频网络传感器、对称数字用户线路接入模块和本安电源组成，基地设备主要由对称数字用户线路复用接入模块、井下数字信息终端和本安电源组成，中继设备主要包括中继转换器，地面设备主要包括数据电-光-电交换隔离模块、对称数字用户线路接入模块、计算机和本安电源；本安红外摄像仪和耳麦将捕捉到的视频和音频信号一起送至视音频网络传感器，视音频网络传感器将模拟的音频、视频信号转换成数字信号后将压缩编码送至对称数字用户线路接入模块，对称数字用户线路接入模块将压缩后的数据进行调制，其调制信号通过矿用双绞电话线以网络数据包的形式传送给基地设备的对称数字用户线路复用接入模块，基地设备接收前端设备的视音频信号或同时接收救援基地的视音频信号，前端设备的视音频信号经对称数字用户线路复用接入模块输出至井下数字信息终端还原语音、图像信号并存储数据，或同时与救援基地的视音频信号一起，通过井下现有的电话线路或矿用双绞电话线，经中继转换器将信号放大后输出至地面数据电-光-电交换隔离模块，其地面数据电-光-电交换隔离模块将井下本质安全电路与地面电路隔离后信号送入对称数字用户线路接入模块解码，并提供一个用户端接口，用计算机观察信号或通过自适应快速以太网口高速上传。
上述视音频网络传感器包括视频采集编码器、音频编/解码器、DSP视音频压缩处理器、数据控制、缓存FPGA模块和数据封存处理器；视频采集编码器将红外摄像仪输出的模拟视音频信号转换成数字信号，通过并行输出端口传送到DSP视音频压缩处理器，音频编/解码器完成模拟音频到数字音频的编码工作，输出到DSP视音频压缩处理器；同时所述音频编/解码器还接收来自DSP视音频压缩处理器的数字音频，进行数字音频到模拟音频的解码工作，DSP视音频压缩处理器进行视频编码，形成高效率的编码视频流，进行音频编码压缩，形成低码流数字语音数据并同步传输；缓存FPGA模块为DSP视音频压缩处理器程序运行提供数据控制和数据缓存，数据封存处理器将编码后的视/音频数据流封装、打包形成标准的网络数据流，经对称数字用户线路接入模块传输。
上述对称数字用户线路接入模块包括电源电路、网桥接口电路、收发器电路、收发器控制电路和接口电路；网桥接口电路对视音频网络传感器送来的数据进行分组打包处理，与局域网接口兼容直接送入收发器电路，收发器电路实时监听和处理接口电路来自所述矿用双绞线上传来的调制信号，对接收的信号进行预处理放大、回波自适应抵消、数字提取和纠错解码处理，根据收发器电路中处理器的设置对恢复数据进行打包处理，输出到网桥接口电路进行网络传输；收发器控制电路完成对收发器工作模式、数据收发格式的控制，并完成对称数字用户线与通讯网络协议之间的数据转换；所述接口电路由匹配电阻网络和变压器组成，实现传输线路与网桥接口电路和对称数字用户线收发器电路之间的阻抗匹配。
本发明与现有技术相比，是一独立、功能全面的小型局端数据设备，它依靠自备电源、便携式本安红外摄像仪等安全、方便的前端设备，采用“即铺即用”的宽带组网技术，利用一对矿用双绞电话线进行双向对称高速的数字信号传输，将灾后现场声音及图像通过电话线实时传输至井下救护基地、地面救援指挥中心、国家矿山救援指挥中心，实现事故现场图像的多点监视，以及灾后现场、井下基地和地面救援中心的多方双向通话，实现救灾全过程的实时记录和回放。因此，使用本发明具有实时、准确、多方位、快速高效的特点。
图1为本发明组成结构原理框图；图2为本发明视中音频网络传感器电路结构原理框图；图3为本发明中对称数字用户线路接入模块电路结构原理框图。
下面结合附图对本发明作进一步详细地说明具体实施方式
参看图1本装置包括前端设备I、基地设备II、中继设备III、地面设备IV以及可实现双向对称高速数字信号传输的矿用双绞电话线。前端设备I由救护队员在现场携带，基地设备II设置在井下救援基地，井下救援基地也可同时设有前端设备I，地面设备IV设在地面指挥中心。
前端设备I主要由矿用本安红外摄像仪①、耳麦②、视音频网络传感器③、对称数字用户线路接入模块④和本安电源⑤组成，其本安电源⑤使用自备锂电源。这里的前端设备I可根据现场灾害发生地的具体情况设置单路或多路，现以3路为例两路分别设在不同的事故现场，一路设在救援基地。基地设备II主要由对称数字用户线路复用接入模块⑥、井下数字信息终端⑦和本安电源⑤组成，中继设备III主要包括中继转换器⑧，地面设备IV主要包括数据电-光-电交换隔离模块⑨、对称数字用户线路接入模块④、计算机⑩和本安电源⑤。
便携式矿用本安红外摄像仪①采用改进后的一套设备，其红外波长850nm，红外灯照射距离≥10m，500(水平)×582(垂直)像素，水平清晰度300电视线，它可在全黑情况下自动捕获井下现场图像。将捕捉到现场的视频信号和耳麦②中的音频信号送至视音频网络传感器③，其视音频网络传感器③首先将模拟的音频、视频信号转换成数字信号，然后采用MPEG-4压缩方式进行压缩编码，再将压缩编码送至对称数字用户线路接入模块④，对称数字用户线路接入模块④将压缩后的数据采用2BIQ的调制方式传送，因前端设备I与基地设备II之间的距离小于1000米，直接通过矿用双绞电话线以IP包的形式传送给基地设备II的对称数字用户线路复用接入模块⑥。即对称数字用户线路接入模块④和对称数字用户线路复用接入模块⑥之间的距离≤1千米，调制编码数字信号通过一对0.5mm线径的电话线在1千米的距离内可以达到2.3Mb/s的对称速率，且性能稳定，抗噪声能力强，能达到DDN专线品质。
基地设备II可同时接收不同事故现场前端设备I的两路视音频信号和一路救援基地的视音频信号，前端设备I的两路视音频信号经对称数字用户线路复用接入模块⑥输出至井下救援基地的数字信息终端还原语音、图像信号并存储数据。加上救援基地自身的一路视音频信号，共三路信号合成一路信号后通过井下现有的电话线路传输，因基地设备II与前端设备I之间的距离大于2000米，需经中继转换器⑧将信号放大后再输出至地面数据电-光-电交换隔离模块⑨，其地面数据电-光-电交换隔离模块⑨先将井下本质安全电路与地面电路隔离后信号送入对称数字用户线路接入模块④解码，并提供一个RJ45用户端接口，用计算机⑩观察信号或通过提供的10M/100M自适应快速以太网口高速上传，实时传输至地面救援指挥中心或国家矿山救援指挥中心，实现事故现场图像的多点监视以及灾害现场、井下基地和地面救援中心的多方双向通话。
参看图2本发明装置前端设备I中的视音频网络传感器③工作时主要完成视音频信号采集、处理、压缩以及合成，其电路包括视频采集编码器(11)、音频编/解码器(12)、DSP视音频压缩处理器(13)、数据控制、缓存FPGA模块(14)和数据封存处理器(15)；视频采集编码器(11)将红外摄像仪①输出的模拟视音频信号转换成数字信号，并形成一数据格式通过并行输出端口传送到DSP视音频压缩处理器(13)，音频编/解码器(12)完成模拟音频到数字音频的编码工作，输出到DSP视音频压缩处理器(13)；同时所述音频编/解码器(12)还接收来自DSP视音频压缩处理器(13)的数字音频，进行数字音频到模拟音频的解码工作，DSP视音频压缩处理器(13)进行MPEG-4视频编码，形成高效率的编码视频流，进行G.729音频编码压缩，形成低码流数字语音数据并同步传输；缓存FPGA模块(14)为DSP视音频压缩处理器(13)程序运行提供数据控制和数据缓存，数据封存处理器(15)将编码后的视/音频数据流协议封装、打包形成标准的网络数据流，经对称数字用户线路接入模块④传输。用户可从任意一台联网的计算机上浏览摄像机采集到的图像，听到现场的语音；还可通过互联网发送的命令，对IP编码器进行参数调整，例如编码的帧率、编码效率、图像质量、IP地址设定等。数据封存处理器需要SDRAM和FLASH各一块用来存储运行的程序。
参看图3本发明装置中的对称数字用户线路接入模块④主要完成对称数字用户线宽带视/音频传输任务，其电路主要包括电源电路A、网桥接口电路B、收发器电路C、收发器控制电路D和接口电路E。
这里电源电路A为直流电源电路，是由12V输入电压产生系统工作的5V电压，网桥接口电路B和收发器电路C所需的3.3V电压由5V电压经三端稳压电路产生。其网桥接口电路B按照802.3标准对视音频网络传感器③送来的数据进行分组打包处理，与10/100Mbps的局域网接口兼容直接送入收发器电路C，收发器电路C实时监听和处理接口电路E来自所述矿用双绞线上传来的2B1Q调制信号，对接收的信号进行预处理放大、回波自适应抵消、数字提取和纠错解码处理，根据收发器电路C中处理器的设置对恢复数据进行打包处理，输出到网桥接口电路B进行广域网络传输；所述收发器控制电路D完成对收发器工作模式、数据收发格式的控制，并完成对称数字用户线与IEEE802.3协议之间的数据转换；所述接口电路E由匹配电阻网络和变压器组成，实现传输线路与网桥接口电路B和对称数字用户线收发器电路C之间的阻抗匹配。
对称数字用户线路复用接入模块⑥中除设有上述对称数字用户线路接入模块④中的电源电路A、网桥接口电路B、收发器电路C、收发器控制电路D和接口电路E外，还设有采用时分复用技术将多路视音频信号合成一路信号的交换板。
权利要求
1.一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于它包括前端设备I、基地设备II、中继设备III、地面设备IV以及可实现双向对称高速数字信号传输的矿用双绞电话线；所述前端设备I主要由本安红外摄像仪①、耳麦②、视音频网络传感器③、对称数字用户线路接入模块④和本安电源⑤组成，所述基地设备II主要由对称数字用户线路复用接入模块⑥、井下数字信息终端⑦和本安电源⑤组成，所述中继设备III主要包括中继转换器⑧，所述地面设备IV主要包括数据电-光-电交换隔离模块⑨、对称数字用户线路接入模块④、计算机⑩和本安电源⑤；所述本安红外摄像仪①和耳麦②将捕捉到的视频及音频信号一起送至视音频网络传感器③，所述视音频网络传感器③将模拟的音频、视频信号转换成数字信号后将压缩编码送至对称数字用户线路接入模块④，所述对称数字用户线路接入模块④将压缩后的数据进行调制，其调制信号通过所述矿用双绞电话线以网络数据包的形式传送给基地设备II的对称数字用户线路复用接入模块⑥，基地设备II接收前端设备I的视音频信号或同时接收救护基地的视音频信号，前端设备I的视音频信号经对称数字用户线路复用接入模块⑥输出至井下数字信息终端还原语音、图像信号并存储数据或同时与救护基地的视音频信号通过井下现有的电话线路或所述矿用双铰电话线，经中继转换器⑧将信号放大后输出至地面数据电-光-电交换隔离模块⑨，其地面数据电-光-电交换隔离模块⑨将井下本质安全电路与地面电路隔离后信号送入对称数字用户线路接入模块④解码，并提供一个用户端接口，用计算机⑩观察信号或通过自适应快速以太网口高速上传。
2.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于所述视音频网络传感器③包括视频采集编码器(11)、音频编/解码器(12)、DSP视音频压缩处理器(13)、数据控制、缓存FPGA模块(14)和数据封存处理器(15)；视频采集编码器(11)将红外摄像仪①输出的模拟视音频信号转换成数字信号，通过并行输出端口传送到DSP视音频压缩处理器(13)，音频编/解码器(12)完成模拟音频到数字音频的编码工作，输出到DSP视音频压缩处理器(13)；同时所述音频编/解码器(12)还接收来自DSP视音频压缩处理器(13)的数字音频，进行数字音频到模拟音频的解码工作，DSP视音频压缩处理器(13)进行视频编码，形成高效率的编码视频流，进行音频编码压缩，形成低码流数字语音数据并同步传输；缓存FPGA模块(14)为DSP视音频压缩处理器(13)程序运行提供数据控制和数据缓存，数据封存处理器(15)将编码后的视/音频数据流封装、打包形成标准的网络数据流，经对称数字用户线路接入模块④传输。
3.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于所述对称数字用户线路接入模块④包括电源电路A、网桥接口电路B、收发器电路C、收发器控制电路D和接口电路E；所述网桥接口电路B对视音频网络传感器③送来的数据进行分组打包处理，与局域网接口兼容直接送入收发器电路C，收发器电路C实时监听和处理接口电路E来自所述矿用双绞线上传来的调制信号，对接收的信号进行预处理放大、回波自适应抵消、数字提取和纠错解码处理，根据收发器电路C中处理器的设置对恢复数据进行打包处理，输出到网桥接口电路B进行网络传输；所述收发器控制电路D完成对收发器工作模式、数据收发格式的控制，并完成对称数字用户线与通讯网络协议之间的数据转换；所述接口电路E由匹配电阻网络和变压器组成，实现传输线路与网桥接口电路B和对称数字用户线收发器电路C之间的阻抗匹配。
4.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于所述对称数字用户线路复用接入模块⑥中除设有所述对称数字用户线路接入模块④中的电源电路A、网桥接口电路B、收发器电路C、收发器控制电路D和接口电路E外，还设有采用时分复用技术将多路视音频信号合成一路信号的交换板。
5.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于所述前端设备I可根据需要设置单路或多路。
6.根据权利要求1或5所述的一种矿山救援可视化指挥装置，其特征在于所述前端设备I中的本安红外摄像仪①为便携式矿用本安红外摄像仪，本安电源⑤为自备锂电源。
全文摘要
本发明涉及一种矿山救援可视化指挥装置，它是由前端设备I、基地设备II、中继设备III、地面设备IV以及可实现双向对称高速数字信号传输的矿用双绞电话线连接组成，它依靠自备电源、便携式本安红外摄像仪，可在全黑环境下自动捕获现场图像，采用“即铺即用”的高速数字传输技术，将灾后现场声音及图像实时传输至井下救护基地、地面救援指挥中心，直至国家矿山救援指挥中心，实现事故现场图像的多点监视，以及灾后现场、井下基地和地面救援中心的多方双向通话。
文档编号A62B99/00GK1618484SQ20041007329
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者徐精彩, 李文峰, 郑学召, 金永飞, 杨勇 申请人:西安森兰科贸有限责任公司