基于5G通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统及方法

本发明属于煤岩动力灾害监测预警领域，具体涉及一种基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统及方法。

背景技术：

我国是世界上煤岩动力灾害最为严重的国家之一，给我国的煤矿安全生产带来了巨大的损失和人员伤亡。煤岩动力灾害主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出、顶板事故以及煤岩瓦斯复合动力灾害，具有突然、急剧、猛烈等特点，危害程度大、影响面广、容易诱发其他重大事故，煤岩动力灾害严重摧毁巷道等采掘空间、破坏保障安全的通风系统。灾害过程伴随矿井瓦斯涌出异常，常诱发重特大瓦斯爆炸事故，造成群死群伤。随着我国煤炭资源开采深度和开采强度的增加，发生冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害的矿井数量快速增加，事故频度和强度也明显增加。研究发现，造成煤矿动力灾害控制进展缓慢的重要原因，一是缺乏有效的监测预警理论和仪器，二是缺乏可靠的监测依据，三是缺乏多学科联合的持续攻关。尽管近年来国内外很多科研机构和科研人员进行了大量的研究和试验，取得了多项科研成果，但是，还远远不能达到有效预测和预警的要求。

经研究发现，现阶段我国的煤岩动力灾害监测预警方法主要有：(1)电磁辐射监测预警技术装备及方法，该方法是利用煤岩流变—突变破坏过程中的一种能量辐射实现对动力灾害的早期预警，电磁辐射监测装备实现了非接触式、定向、实时监测与预警，实现了煤岩动力灾害全过程及全空间的实时监测，监测信息量和准确率显著提高，操作非常简便。(2)声发射监测预警方法，该方法是利用煤岩体在受载作用下发生变形，煤岩体内部的能量以应力波的形式释放出来从而产生声发射信号进而进行预警的一类方法，声发射监测技术在我国煤矿生产得到了广泛的应用，取得了很大成果，能够成功地运用声发射技术理论，对矿井煤岩动力灾害进行分析；能成功地监测出动力灾害发生的区域，并采取防护措施，促进了我国矿山的安全生产。但声发射技术还存在着自身的不足，具有一定的局限性，它的发展是一个漫长的过程。(3)微震监测技术，微震监测技术作为一种从大地地震行业转化过来的监测手段，具有实时、动态监测岩体破坏位置及程度的功能，近年来越来越广泛应用矿井动力灾害监测预警领域。微震监测技术原理为被动监测，装置预先安装在井下巷道空间内，其在运行过程中对生产无影响。但该项技术对于环境复杂、布置难度大的矿井就会有一定的局限性，其广泛应用还需要进一步研究。

现有煤岩动力灾害监测预警技术中，监测预警系统及方法成本较高，且具有一定的局限性，不能实现快速高效的信号传输，使用环境恶劣，具有一定的危险性；并且由于传感器的布置易受矿井特殊环境的影响，以及探测区域及位置易受时空的限制，探测井下工作面和掘进面煤岩动力灾害的难度较大，对于上述问题目前尚未提出有效解决方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统及方法，集探测、报警、vr可视化于一体，探测高效、简单、快速、准确、易于布置。

本发明的技术方案如下：

一种基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统及方法，包括井下多参量监测模块、vr可视化监控系统、5g多网融合系统、多源信息在线预警系统和远程在线监控平台，各系统和平台之间通过5g专网连接；

所述vr可视化监控系统包括5g专用视频探头和可视化监控平台；

所述井下多参量监测模块包含多类传感器，各类传感器和5g专用视频探头之间通过有线传输电缆连接；5g专用视频探头和各类传感器一并接入5g多网融合系统；多源信息在线预警系统与远程在线监控平台相连接。

优选地，井下多参量监测模块包括瓦斯气体传感器、红外温度传感器、声传感器、光传感器、电位传感器和位移传感器。

优选地，5g多网融合系统包括5g系统分站、5g环网交换机和5g传输专网；5g系统分站内置5g基站，并通过有线传输电缆与各类传感器连接。

优选地，多源信息在线预警系统包括在线监测服务系统和在线报警系统。

优选地，远程在线监控平台包括固定主机监控平台和移动手机监控平台，二者均内置可视化监控平台。

一种基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化方法，采用如上所述的煤岩动力灾害监测预警可视化系统，基于5g传输专网和vr可视化，集探测、报警、vr可视化于一体对煤岩动力灾害进行监测预警；其具体步骤为：

s1.在矿井的工作面和掘进面布置各类传感器和5g专用视频探头；

s2.5g系统分站将采集的传感器信息和vr可视化信息收集并发送给5g环网交换机；

s3.5g环网交换机将各类信号转换为5g信号，通过5g传输专网传输至地面的多源信息在线预警系统；

s4.多源信息在线预警系统对各类信号进行分析处理，并在监测数据出现异常时进行报警；

s5.报警信号传输到远程在线监控平台，报警时绿色的监控数据和监控平台变成红色，vr可视化监控平台将灾害发生过程和位置以视频的形式展示给操作人员。

优选地，步骤s4中，报警类型分为六种，分别为一级灾害报警、二级灾害报警、三级灾害报警、四级灾害报警、五级灾害报警、六级灾害报警；当只有一项监测数据出现异常时，则为一级灾害，对应一级灾害报警；当两项以上监测数据出现异常时，分别对应二级到六级不同等级灾害，相应进行二级到六级灾害报警。

优选地，二级以上灾害判定涉及多信息的交叉分析，具体为地面的多源信息在线预警系统内置的在线监测服务系统，对来自井下的各种参数信号进行对比分析，根据参数异常情况的种类判断灾害的级数，并精确定位出现异常报警的位置，根据灾害等级不同实现不同级别报警。

本发明所带来的有益技术效果：

一种基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统及方法从时间和空间上监测预警煤矿工作面和掘进面的危险性及范围；vr可视化监控系统对煤矿井下每个传感器监测点进行全方位覆盖，能对发生动力灾害的区域实现定位和视频监测，展示动力灾害发生发展的过程；能进行非接触式连续的探测掘进面和工作面等煤岩动力灾害易发区域；该系统成本低，易于布置、易于监测，大大节省矿井在煤岩动矿井掘进面和工作面的动力灾害监测预警的经费及预算；该系统操作简单，不受井下狭小的空间和井下特殊环境的限制，探测过程对生产无影响；该系统能够同步处理并分析探测过程中的各项监测参数及其动态变化趋势，实时分析和判断潜在危险区域的煤岩动力灾害危险性，快速准确的实现矿井火灾危险的探测及预警；该系统能通过在远程在线监控平台实时查看各类传感器负责监测的指标参数变化趋势图，实现动态实时监测；该系统及方法的高效、快速、便捷的探测及预警，必将为矿井带来巨大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统框图；

图2是本发明基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统结构示意图；

图3是图2中采煤工作面各类传感器系统布置放大示意图；

图4是图2中掘进面各类传感器系统布置放大示意图；

图5是本发明基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化方法的过程框图；

其中，1-5g系统分站；2-瓦斯气体传感器；3-红外温度传感器；4-电位传感器；5-光传感器；6-声传感器；7-位移传感器；8-5g专用视频探头；9-有线传输电缆。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

如图1和图2所示，基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统包括井下多参量监测模块、vr可视化监控系统、5g多网融合系统、多源信息在线预警系统和远程在线监控平台。

井下多参量监测模块包括瓦斯气体传感器、红外温度传感器、声传感器、光传感器、电位传感器和位移传感器等各类传感器。各类传感器分别布置在井下掘进面和工作面，各类传感器利用有线传输电缆连接，vr的5g专用视频探头布置在传感器的周围，传感器和5g专用视频探头的数量和密度根据各自的监控范围和精度来确定，在有线传输电缆的周围布置有5g系统分站，负责接收和发射传感器和监控探头捕捉的参数信息。

5g多网融合系统包括5g系统分站、5g环网交换机和5g传输专网，5g系统分站内置5g基站。5g系统分站接收来自传感器和5g专用视频探头的数据，将其传输到5g环网交换机，5g环网交换机布置在探测巷道的始端，利用有线传输电缆连接5g系统分站，5g环网交换机将参数信号转换为5g信号，利用5g传输专网将信号传输至地面多源信息在线预警系统，在5g多网融合系统中，传感器采集的参数信号和vr可视化监控系统的5g专用视频探头采集的视频信号同步传输。

vr可视化监控系统包括5g专用视频探头和可视化监控平台。vr可视化监控系统实现由5g高清摄像头—5g传输—5g终端—可视化监控平台的视频监控信号的传播，并最终和多源信息在线预警系统融合形成井下实时动态和灾害感知的监测监控系统，既可以在线直播井下监测区域实时状态，又可以在线直播和还原井下灾害发生发展过程，操作员通过可视化监控平台和多参量监控平台实时获得井下各种监测数据和视频数据。

多源信息在线预警系统包括在线监测服务系统和在线报警系统。在线监测服务系统能对由5g传输专网传输的监测信号进行分类、筛选和处理，在线监测服务系统内置参数校准程序，在整个煤岩动力灾害监测预警系统启动后，首先输入正常的各类传感器监测指标参考数值或范围，各类传感器将实时的监测数据传输到在线监测服务系统，符合正常参考范围的数据将被保存，反馈到远程在线监控平台，自动生成动态曲线图，不符合正常参考范围的监测数据，会继续传输到在线预警系统，在线预警系统根据灾害的类型进行选择性报警，报警信号传输到远程在线监控平台，显示报警信号，即完成报警。

远程在线监控平台包括固定主机监控平台和移动手机监控平台，二者均内置vr可视化监控平台。固定主机监控平台设置在地面的矿井监控调度室，移动手机监控平台可由操作员随时随地查看井下参数和vr视频信息；内置的可视化监控平台对多源信息在线预警系统的报警信号进行匹配处理，精确找到发生灾害的位置和灾害类型，以vr可视化视频的形式还原灾害的发生发展过程。

这些分系统之间均通过5g传输专网连接。在井下采煤工作面和掘进头布置各类传感器和5g专用视频探头，并接入5g环网交换机，5g环网交换机通过5g传输专网连接井上的多源信息在线预警系统，多源信息在线预警系统与远程在线监控平台相连接，报警信号在远程在线监控平台报警，将最终的监测预警结果展示给操作员，操作员可以通过vr可视化监控平台定位灾害发生区域，并通过远程在线监控平台操控整个煤岩动力灾害监测预警系统。

图3和图4展示了采煤工作面和掘进面的各类传感器具体布置，各类传感器布置在工作面的两帮和掘进面的设备间隙；其中，工作面的两帮布置瓦斯气体传感器2、红外温度传感器3、声传感器6、光传感器5、电位传感器4和位移传感器7，在掘进面布置瓦斯气体传感器2、红外温度传感器3、声传感器6、光传感器5、电位传感器4和位移传感器7，主要监测井下工作面和掘进面的瓦斯突出、冲击地压和顶板事故等煤岩动力灾害。各类传感器的布置范围和密度视传感器的监测范围和精度而定。各类传感器通过有线传输电缆9连接，有线传输电缆9上串有5g系统分站1和5g专用视频探头8，5g环网交换机布置在有线传输电缆9的一端或者巷道的始端。5g系统分站1与各类传感器串联布置在工作面和掘进面的有线传输电缆9上，负责接收传感器发出的参数信号，并发射到5g环网交换机；5g环网交换机布置在每条掘进巷道的始端，负责接收并转换为5g信号；5g传输专网是传输5g信号的专网，在井下实现快速、高效传输信号。

实施例2

基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化系统的方法是一种集探测、报警、vr可视化于一体的监测预警方法，井下部分布置探测装置和vr监控探头，井上部分布置报警系统和监控平台，不同系统和平台采用5g专网连接，vr可视化实现对动力灾害的还原和过程监控，实现了参数和视频的双重监控。

本发明监测预警方法通过矿井工作面和掘进面布置的各类传感器和5g专用视频探头实时进行数据采集和视频监控，5g系统分站将采集的传感器信息和vr可视化信息收集并发送给5g环网交换机，5g环网交换机将各类信号转换为5g信号，通过5g传输专网传输至地面的多源信息在线预警系统，多源信息在线预警系统对各类信号分析处理，如果只有一项监测数据出现异常，则为一级灾害，对应一级灾害报警；如果两类以上监测数据出现异常，分别对应二级到六级不同等级灾害，相应的等级灾害报警，报警信号传输到远程在线监控平台，多级报警时绿色的监控数据和监控平台变成红色，vr可视化监控平台将灾害发生过程和位置以视频的形式展示给操作员和带班领导。

图5是本发明基于5g通信的煤岩动力灾害监测预警可视化方法过程框图，监测预警的过程具体分为以下六步。

第一步：系统布置与系统运行，将各类传感器固定在工作面和掘进面两帮上，用有线传输电缆连接各类传感器，各类传感器间穿插布置5g系统分站，在传感器的周围布置5g专用视频探头，5g环网交换机布置在巷道始端。开启监测系统，内置软件初始化，程序开始运行。操作时，系统将会提示操作步骤，远程在线监控平台显示操作过程和监测监控指标。启动装置的同时，vr可视化监控系统开始全程监控，并将监测结果在平台上显示出来。

第二步：输入参数，通过输入键盘输入临界的瓦斯气体、温度、声、光、电、位移参数及范围，以此作为本时间段内监测监控的参考标准。

第三步：采集数据与探测，煤矿井下各重点监测区域监测点的传感器同时工作，监测数据经过5g多网融合系统传输至地面多源信息在线预警系统。

第四步：判断灾害类型，多源信息在线预警系统中的在线监测服务系统将各种信号与输入的参考标准比对，在线预警系统根据参数信号出现异常的种类判断是单一灾害类型还是复杂灾害类型。

第五步：vr展示，根据多源信息在线预警系统判断的灾害类型和灾害发生位置，可视化监控平台自动切换到灾害发生区域，对灾害发生发展过程进行实时反演。

第六步：报警，根据预测的灾害类型，若为单一灾害类型，则单一灾害报警；若为复杂灾害类型，则复杂灾害类型报警。

其中，多源信息在线预警系统是本发明的核心预警系统，该预警方法包括一级灾害报警、二级灾害报警、三级灾害报警、四级灾害报警、五级灾害报警、六级灾害报警等类型，井下六种传感器的监测数据出现异常的种类对应灾害报警级数，其中二级以上灾害判定涉及多信息的交叉分析。具体表述为，地面的多源信息在线预警系统内置的在线监测服务系统，对来自井下的各种参数信号进行对比分析，根据参数异常情况的种类判断灾害的级数，并精确定位出现异常报警的位置，根据灾害等级不同实现不同级别报警，不同的报警信号传输到远程在线监控平台，远程在线监控平台利用内置的vr可视化监控平台锁定发生灾害的位置并将灾害发生发展的过程以视频形式展示给操作员，报警信号在监控平台报警时绿色数据变成红色数据，并频繁闪烁，发出刺耳的报警声音。此外移动手机监控平台和固定主机监控平台实现同步报警，移动手机监控平台可由操作员和带班领导随时随地查看监控数据和实景数据。

本发明井下多参量监测模块的传感器通过有线传输电缆连接，井下多参量监测模块采集的声-光-电-气-位移等参数信息，传输至5g系统分站，5g系统分站发射出参数信号，经过5g传输专网，传输到5g环网交换机，5g环网交换机对5g信号分析处理并转换为5g信号，传入多源信息在线预警系统，多源信息在线预警系统连接远程在线监控平台，远程在线监控平台实时展示井下监测参数，并进行多参量信号的分析和处理，根据处理结果进行不同等级的预警。vr可视化监控系统与井下多参量监测模块并联，并经过5g多网融合系统将监测数据转化为5g信号传输至多源信息在线预警系统，最终在可视化监控平台将实景信息和灾害信息融合展示出来，可视化监控平台设置在远程在线监控平台内部，实现vr可视化监测与传感器监测同步进行，并且实现异常区域对应效应，实现传感器监测和可视化监测同步报警。本系统及方法可以对井下煤岩动力灾害实现参数报警与可视化报警双重效果，能从时间和空间上监测预警煤岩动力灾害危险性及发生区域，精确定位危险区域发生的范围和危险程度；具有高效、准确、便捷、成本低、易于布置的优点。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。