基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法技术方案

基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，步骤为：1)建立数据库，初始化数据；2)记录手机三轴加速度传感器数据，对震动信息进行监测；3)对三轴加速度传感器数据特征值进行区分；4)当确定为震动时，对该段信号降噪；5)计算降噪处理后的震动信号初始到时；6)将震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位、手机编码信息通过蜂窝网络或wifi网络上传至中心机；7)对上传的同一时间段的震动数据进行统计分析，当网络中区域范围内同一时间段确定为震动的手机数量超过一定比例，则判定为矿震触发事件，计算矿震发生时间和位置信息。本发明专利技术通过上述方法，提供了一种监测覆盖范围广、定位精度高、成本低廉的矿震监测系统及群智定位方法。

【技术实现步骤摘要】
基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法
本专利技术属于煤矿开采矿震监测领域，尤其涉及一种基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法。
技术介绍
矿震是由采矿诱发的矿井地震，矿震发生时井下围岩迅速释放能量，往往造成井下巷道或采掘工作面突然破坏、地面震动、房屋损坏等，严重时造成人员伤亡，随着我国煤矿开采深度增加，矿震事故频发，严重威胁着我国煤矿的安全生产。目前矿震监测主要是由井下专业的微震监测系统来完成，矿震发生时，震动波检测台站将监测到的震动波数据记录发送至地面监测系统，通过提取矿震波信息计算得到发送的时间、地点和能量大小。现有矿震监测设备，设备价格昂贵，机构复杂，每个矿井布点很少，造成网络覆盖面积小，存在大量的监测盲区，难以及时、准确的进行监测定位并达到有效预警目的。手机已经成为人们生活中的必需品，智能手机的功能也不再仅仅具备通话与短信功能，而是具备更强的智能“感知”能力。智能手机通过内置的加速度传感器和磁力传感器感应加速度、方向等变化信息，以此实现屏幕显示、导航、游戏等功能，同时也可以非常容易的检测到震动信号。相对于专业的井下微震传感器，手机加速度计的灵敏度略有不足，但是矿震发生地点震源浅，破坏能量大，地面震感强烈，对于有感矿震，智能手机加速度计的灵敏度已经足够，同时利用智能手机建立网络系统，将自身的矿震监测数据进行网络发布，与专用服务器连接，形成一个云监测网络，充分利用手机监测到的海量基础数据进行矿震监测定位分析。目前，尚未有利用智能手机移动传感网络建立的矿震监测系统。r>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，以克服现有的定位系统存在的监测覆盖范围小，定位不够准确，成本昂贵等一系列问题。为了实现上述目的，本专利技术创造采用的技术方案为：基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，其特征在于，其步骤为：1)将中心机与移动手机终端通过蜂窝网络连接，建立数据库，初始化参与监测工作的移动手机终端和中心机的初始数据；2)通过软件记录三轴加速度传感器数据，持续对附近震动信息进行监测；3)对步骤2)中记录的三轴加速度传感器数据进行处理，在数据中提取出矿震信号段；3.1)区分震动信号和人体日常活动；3.1.1)给持续震动的信号进行加窗处理，窗口大小选取0.2-2秒，每次向前滑动窗口大小一半；3.1.2)计算每个窗口内x，y，z三分量过零数之和，用于信号频率区分；计算加速度矢量和的四分位距，用于信号振幅区分；计算加速度的累计绝对速度，用于区分信号能量；3.2)当信号特征参量满足高频率低振幅低能量特征，确定为震动信号；4)通过小波变换方法对震动信号进行降噪处理；5)应用长短时窗法对获取到震动信号进行处理，判断震动信号初始到时；6)将震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位、手机编码信息通过蜂窝网络上传至中心机；7)中心机对上传的同一时间段的震动信号数据进行统计，当判断为震动信号的手机数量除以周围移动手机终端总数达到设定值，网络触发，判断为矿震事件，根据震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位数据信号，采用Geiger算法，得到震源位置、以及发震时间的结果，所述的Geiger算法采用下述公式：绝对偏差目标函数其中：sm为微震发生时刻t的稳健估计，即si为移动智能终端计算的理论发震时间；t为未知的发震时间；x，y，z为以及三轴坐标，xi，yi，zi，ti分别为第i个移动手机终端的三轴坐标以及获取震动信号初始到时；8)中心机将确定好的震点位置以及发震时间通过矿图显示并发送至数据库。所述的步骤3.3)中，高频率低振幅低能量具体为：频率由过零数表征，当过零数达到设定范围认为是高频率，振幅由加速度矢量和的四分位距表征，当加速度矢量和的四分位距达到设定范围认为是低振幅，能量由累计绝对速度表征，当累计绝对速度达到设定范围认为是低能量。所述的步骤7)中定位方法具体实现为(1)将接收到震动信号的移动手机终端均等分出n个分组，每个分组中移动手机终端的数量为M，设每一分组模拟的发震时间以及震源位置信息为Ai，i＝(1，2，3，4，…，n)，Ai的取值方法为，(2)将n份Ai按照f(Ai)的取值大小由小到大排列，f(Ai)即为目标函数，其中目标函数值越小，说明误差较小，即当前梯度下的全局最优解，X＝{A1，A2，A3，…，An}。如果满足收敛条件即，f(Ai)＜δ，i＝(1，2，3，...，n)其中δ，ε，均为经验收敛条件数值，则停止运算输出最低点，Ai即为震源位置及发震时间，否则执行步骤(3)；(3)如果X为空集则返回步骤(2)，否则将X中Amax取出，如果max＜p，(p为大于零小于整数)则执行步骤(5)，否则将集合中剩余元素平均分成b等份，由前到后编号X1，X2，X3，Xb，首先在X1中获取随机数k位置对应的Ak并计算新的列变量向量Anew即，Anew＝Amax+[Ak+Amax]/2如果f(Anew)＜f(Amax)则，Amax＝Anew；f(Amax)＝f(Anew)，执行步骤(4)；否则在X1中继续重复寻找w次Ak并进行比较，若依旧不存在较优解，那么跳入X2重复进行X1中的操作获取Ak，以此类推直到Xb中，若Xb中中依旧没有较优解则Amax自自己移动随机方向，Anew＝wAmax+cr[rand(A)]其中c为的随机变量，r为步长因子，如果f(Anew)＜＜f(Amax)则Amax＝Anew；否则，Amax重复随机操作至容忍最大迭代次数。重复执行步骤(3)。(4)在已经获取较优值Anew的基础上进行e次扩展运算以增加系统随机性从而跳出局部较优，提高系统计算速度即，Ati＝At+cr[rand(A)]，i＝(1，2，3，e)其中Ati为Anew的变异量，A为单位列变量向量，如果存在f(Amin)＝min[f(Ati)]且f(Amin)＜f(Anew)，则f(Amax)＝f(Amin)；Amax＝Amin。返回步骤(3)；(5)X＝{A1，A2，A3，...，Ap}，将集合中的元素Ai随机移动一步即，An＝wAi+cr[rand(A)]如果f(An)＜f(Ai)则Ai＝An；否则Ai重复随机操作至容忍最大迭代次数，返回步骤(2)。所述的基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法所应用的监测系统，包括有移动手机终端、基站塔、中心机，所述的移动手机终端与中心机之间通过基站塔进行信号传输；所述的移动手机终端中设有三轴加速度传感器；所述的中心机中设有具有数据库和信息处理模块。本专利技术创造的有益效果为：本专利技术方法通过基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，提供了一种监测覆盖范围大，定位准确，成本低廉的监测及定位方法。附图说明图1为手机移动传感网络的矿震监测系统架本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，其特征在于，其步骤为：/n1)将中心机与移动手机终端通过蜂窝网络连接，建立数据库，初始化参与监测工作的移动手机终端和中心机的初始数据；/n2)通过软件记录手机三轴加速度传感器数据，持续对附近振动信号进行监测；/n3)对步骤2)中记录的手机三轴加速度传感器数据进行处理，在数据中提取出矿震信号段；/n3.1)区分震动信号和人体日常活动；/n3.1.1)给持续震动的信号进行加窗处理，窗口大小选取0.2-2秒，每次向前滑动窗口大小一半；/n3.1.2)计算每个窗口内x,y,z三分量过零数之和，用于信号频率区分；计算加速度矢量和的四分位距，用于信号振幅区分；计算加速度的累计绝对速度，用于区分信号能量；/n3.2)当信号特征参量满足高频低振幅低能量特征，确定为震动信号；/n4)通过小波变换方法对震动信号进行降噪处理；/n5)应用长短时窗法对获取到震动信号进行处理，判断震动信号初始到时；/n6)将震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位数据信号、手机编码信息通过蜂窝网络或wifi网络上传至中心机；/n7)中心机对上传的同一时间段的震动信号数据进行统计，当判断为震动信号的手机数量除以周围移动手机终端总数达到设定值，网络触发，判断为矿震事件，根据震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位数据信号，采用Geiger算法，得到震源位置、以及发震时间的结果，所述的Geiger算法采用下述公式：/n...

【技术特征摘要】
1.基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，其特征在于，其步骤为：
1)将中心机与移动手机终端通过蜂窝网络连接，建立数据库，初始化参与监测工作的移动手机终端和中心机的初始数据；
2)通过软件记录手机三轴加速度传感器数据，持续对附近振动信号进行监测；
3)对步骤2)中记录的手机三轴加速度传感器数据进行处理，在数据中提取出矿震信号段；
3.1)区分震动信号和人体日常活动；
3.1.1)给持续震动的信号进行加窗处理，窗口大小选取0.2-2秒，每次向前滑动窗口大小一半；
3.1.2)计算每个窗口内x,y,z三分量过零数之和，用于信号频率区分；计算加速度矢量和的四分位距，用于信号振幅区分；计算加速度的累计绝对速度，用于区分信号能量；
3.2)当信号特征参量满足高频低振幅低能量特征，确定为震动信号；
4)通过小波变换方法对震动信号进行降噪处理；
5)应用长短时窗法对获取到震动信号进行处理，判断震动信号初始到时；
6)将震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位数据信号、手机编码信息通过蜂窝网络或wifi网络上传至中心机；
7)中心机对上传的同一时间段的震动信号数据进行统计，当判断为震动信号的手机数量除以周围移动手机终端总数达到设定值，网络触发，判断为矿震事件，根据震动信号初始到时、移动手机终端GPS定位数据信号，采用Geiger算法，得到震源位置、以及发震时间的结果，所述的Geiger算法采用下述公式：



绝对偏差目标函数



其中：sm为微震发生时刻t的稳健估计，即si为移动智能终端计算的理论发震时间；t为未知的发震时间；x，y，z为以及三轴坐标，xi，yi，zi，ti分别为第i个移动手机终端的三轴坐标以及获取震动信号初始到时；
8)中心机将确定好的震点位置以及发震时间通过矿图显示并发送至数据库。


2.根据权利要求1所述的基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，其特征在于，所述的步骤3.2)中，高频率低振幅低能量具体为：频率由过零数表征，当过零数达到设定范围认为是高频率，振幅由加速度矢量和的四分位距表征，当加速度矢量和的四分位距达到设定范围认为是低振幅，能量由累计绝对速度表征，当累计绝对速度达到设定范围认为是低能量。


3.根据权利要求1所述的基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法，其特征在于，步骤7)中，基于手机移动传感网络的矿震监测系统及群智定位方法实现为，
(1)将接收到震动信号的移动手机终端均等分出n个分组,每个分组中移动手机终端的数量为M，设每一分...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗浩，潘一山，于靖康，宋宝燕，张利，王俊陆，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21