一种矿震定位方法和装置、存储介质

1.本发明属于矿震监测技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的矿震定位方法和装置、存储介质。


背景技术：

2.在我国各类能源消费中，煤炭占我国一次能源生产消费理念的70％左右，预计到2050年将达到50％以上。因此，我国经济发展的持续增长，明确对煤炭行业的发展趋势提出了更高的要求。随着我国对自然资源的需求持续增加，深部开采的增加导致自然条件日趋复杂。煤炭开采全过程的安全隐患越来越突出，如煤与瓦斯突出、冲击地压、顶板垮落、软岩等煤岩动力灾害日益威胁矿井生产安全。目前急迫需要一种矿井地震精密定位检测的方法，为矿山开采提供可靠的参考依据。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是，提供一种矿震定位方法和装置、存储介质，实现矿井地震精密定位检测，为矿山开采提供可靠的参考依据。
4.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
5.一种矿震定位方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、构建无线自组织地震传感器网络；
7.步骤s2、获取无线自组织地震传感器网络中每个节点采集的地震数据信号；
8.步骤s3、根据地震数据信号进行定位计算，得到震源位置。
9.作为优选，所述无线自组织地震传感器网络为基于lora的无线传感器网络。
10.作为优选，步骤s3之前还包括：对地震数据信号进行小波去噪，得到去噪后的地震数据信号。
11.作为优选，步骤s3中，根据去噪后的地震数据信号，采用多自变量时间序列分析进行定位计算得到震源位置。
12.本发明还提供一种矿震定位装置，包括：
13.组网模块，用于构建无线自组织地震传感器网络；
14.获取模块，用于获取无线自组织地震传感器网络中每个节点采集的地震数据信号；
15.定位模块，用于根据地震数据信号进行定位计算，得到震源位置。
16.作为优选，所述无线自组织地震传感器网络为基于lora的无线传感器网络。
17.作为优选，还包括去噪模块，用于对地震数据信号进行小波去噪，得到去噪后的地震数据信号。
18.定位模块用于根据去噪后的地震数据信号，采用多自变量时间序列分析进行定位计算得到震源位置。
19.本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可
执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现矿震定位方法。
20.本发明利用无线传感器网络中的自变量时间序列分析进行定位计算得到震源位置，实现快速定位矿井地震，进而为矿震危险因素的判断提供更合理的途径。
附图说明
21.图1为本发明矿震定位方法的流程图；
22.图2为本发明矿震定位装置的结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
24.实施例1：
25.如图1所示，本发明提供一种矿震定位方法，包括以下步骤：
26.步骤s1、构建基于lora的无线自组织地震传感器网络；
27.步骤s2、获取无线自组织地震传感器网络中每个节点采集的地震数据信号；
28.步骤s3、根据地震数据信号定位计算，得到震源位置。
29.作为本实施例的一种实施方式，所述无线传感器网络采用星型网络，硬件结构由无线传感器网络节点和中心节点两部分组成。无线传感器节点采用cygnal公司的c8051fo20单片机和以nrf905芯片为核心部件的rfc-30h。c8051fo20单片机采用低功耗设计方案、25mips快速流水线结构、12位可编程控制器增益放大器adc、8个嵌入式通道、64k系统软件可编程控制器flash存储器、4个352字节片上ram。nrf905频率无线电控制模块rfc-30h工作在433mhz开放ism频段，工作标准电压为1.9-3、6v，系统软件中各连接点采用太阳能电池板供电系统，外部扩展多个adc输入端口、预信号调理模块、电源管理模块、时钟模块；中心站包括gps授时模块、异步串行接口和源定位上位机系统。
30.为了充分发挥探测系统的效能，必须在矿井性能指标标准下，有效地进行地震传感器的室内空间布局和分布，实现地震传感器阵列探测范围的扩大。本实施例使用的地震传感器为ps-60b型地震传感器，检测灵敏度达85％以上，符合实际规定。根据震源准确定位偏差不超过10米的指标值建立测区概念模型。利用测区相关信息模拟16地震传感器阵列分析，在整个模拟过程中不断调整地震传感器位置，使矿震探测范围探测精度水平达到技术标准。根据地质构造的特点，对地震传感器进行整体布置，使采集的数据信息更加准确。在矿井中，采集系统放置在340m水平的监控室中，对矿井地震数据信息进行24小时连续实时在线采集。数据信息按时间段存储(每4小时存储一次)，便于数据信息传输和参考。地震传感器的16个不同部分采集矿井地震数据信号后，传输到数据采集器转换成模拟信号，再根据光纤转换器转换成光缆数据信号，信号传输时干扰和衰减小，便于遥控传输。采集系统接收到数据信号后，利用光源转换器将光纤数据信号转换成模拟信号，由工控机识别，并根据专业软件进行指令。
31.作为本实施例的一种实施方式，步骤s3之前还包括：对地震数据信号进行小波去噪，得到去噪后的地震数据信号。
32.在小波去噪中，最常用的方法是阈值去噪法。根据小波系数的大小来区分的。对原
始数据信号进行小波分解。合理的数据信号匹配小波系数幅值较大，匹配噪声数据信号的小波系数幅值较小。因此，将固定阈值或标准阈值的原始数据信号的小波系数设置为模式分类。保存幅值较大的系数，丢弃部分幅值较小的系数，达到对原始数据信号去噪的目的。最后将得到的小波系数重构为频域数据信号，得到去噪数据信号。将矿井地震数据信号设置为：
33.d(k)＝s(k) n(k)，(k＝1～n)
34.其中，k表示观测台站、n表示观测台站的最大值，s(k)表示横波信号强度比，n(k)表示纵波的信号强度比，d(k)表示时域上台站接受到的总的信号比。
35.首先确定阈值的大小，并将小波系数与阈值进行比较。当系数低于阈值时，将系数重置为零。当系数超过阈值时，有两种处理方法。第一种方法保存小波系数的原值，称为硬阈值处理，第二种方法利用系数与阈值之间的误差代替原值，称为软阈值分析。这两种方法的数学表示是：
[0036][0037][0038]
其中，上标d表示多层介质纵波波速的的幂值，j表示按照纵波波速区分的多层介质的层序号。
[0039]
从以上对阈值小波去噪原理的分析可以看出，阈值λ的选择是影响去噪水平的重要因素。如果阈值选取过大或过小，数据信号都不能获得足够的去噪效果，或者会出现重构失真大的问题。根据正交和小波分析的阈值，可表示为：
[0040][0041]
其中，n为数据信号的采样电平，σ为噪声的标准差。
[0042]
作为本实施例的一种实施方式，步骤s3中，根据去噪后的地震数据信号，采用多自变量时间序列分析进行定位计算得到震源位置；
[0043]
根据传感器的有效布置，可以实时采集地震数据信号，并对地震数据信号进行定位计算，具体为：
[0044]
设矿井震源的空间坐标为x、y、z，矿井地震事件的起止时间为t，p波在岩石中传播的平均速度为c，则第i传感器与矿井震源之间的非线性到达方程为：
[0045]
[(x
i-x)2 (y
i-y)2 (z
i-z)2]
1/2
＝c(t
i-t)(i＝1，2，3，4，
…
，n)
[0046]
从i个传感器中取4个，采用均匀介质中的经典线性发，该矿震源的方程组为：
[0047][0048][0049][0050]
[0051]
其中，c表示纵波波速，(x1,y1,z1)表示台站1的位置坐标，同理，(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、为(x4,y4,z4)为另外三个台站的位置坐标，(x,y,z)表示震源坐标，(t1,t2,t3,t4)表示台站1、2、3、4的监测到时，t表示发震时刻。
[0052]
令
[0053]
t
21
＝(t
2-t)-(t
1-t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0054]
t
32
＝(t
3-t)-(t
2-t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0055]
t
43
＝(t
4-t)-(t
3-t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0056]
其中，t
21
、t
32
、t
43
分表代表四个台站的监测到时时差，四组台站的震波走时虽然不可预知，因为发震时刻不可预知，四组台站中每两个的台站的监测到时时差是已知的。即t
21
、t
32
、t
43
是已知量
[0057]
上述经典线性法中，有四个未知数，分别为(x,y,z,t)，表示震源的时空坐标。
[0058]
四个未知数，只取四个方程即可定解，例如，取四个台站的监测到时时差，即方程(5)、(6)、(7)，再加上方程(1-4)中的任意一个，即可解出全部位置参数，得到震源的时空坐标(x,y,z,t)。
[0059]
但是，本处只用了一个台站对应的方程，不代表取四个台站没有意义，相反，应该在小尺度区域内，布置高密度台站，然后随机地从大规模的台站阵列中随机取四个方程(三个监测到时时差方程，和一个台站至震源的距离方程)，然后将多组定位结果按照最小二乘法取其平均值，即为最终定位结果。这样，即增加了程序的鲁棒性，又提高了定位计算的误差敏感性、抑制了数值问题的病态性，最终的意义在于提高了定位的精度。
[0060]
根据经验，将全部监测到时时差纳入定位方程组，可以提高程序的定位精度和鲁棒性以及抑制数值病态性。
[0061]
假设在监测范围的不同部分布置了n个监测点，可获得n个监测到时，从而得到n-1监测到时时差。
[0062]
对于经典线性法，从n个监测点中任意取4个，也就是说，从n-1个监测到时时差中，任取三个，再取一个震源到监测点的距离方程(注意，此处选取的监测点必须是所取的四个监测点之一)。即可完成一次定位。
[0063]
对于四个台站，可以完成四次定位，得到四个震源坐标。对于n个台站，可以取(代表排列组合中，从n个台站中任取4个台站的不同组合数)组不同的台站组合，每种台站组合，又能完成4次定位。由此，在小尺度区域设置高密度台站n个，可以得到个震源位置，推荐采用最小二乘法，取这些台站时空位置的平均值。
[0064]
本发明利用无线传感器网络中的震波走时时间序列进行定位计算，得到震源位置，实现快速定位矿震发生位置。特点是台站布置不受拘束，甚至可以在井下布置无线监测传感器，利用华为公司成熟5g技术传递震波信号，建立快速、精准、智能化的数字矿山定位新体系，进而为矿震危险因素的判断提供更合理的途径。
[0065]
实施例2：
[0066]
如图2所示，本发明还提供一种基于无线传感器的矿震定位装置，包括：
[0067]
组网模块，用于构建基于lora的无线自组织地震传感器网络；
[0068]
获取模块，用于获取无线自组织地震传感器网络中每个节点采集的地震数据信
号；
[0069]
定位模块，用于根据地震数据信号进行定位计算，得到震源位置。
[0070]
作为本实施例的一种实施方式，还包括去噪模块，用于对地震数据信号进行小波去噪，得到去噪后的地震数据信号。
[0071]
作为本实施例的一种实施方式，定位模块用于根据去噪后的地震数据信号，采用多自变量时间序列分析进行定位计算得到震源位置。
[0072]
实施例3：
[0073]
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现矿震定位方法。
[0074]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。