CN103399317B - 基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，超声波定位节点通过监测频段超声波信号实现对人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点通过通信频段的超声波信号实现与移动终端之间的通信，移动终端在应答操作过程中将对应的识别代码发送给超声波定位节点，超声波定位节点接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机，上位机根据超声波定位节点的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别。本发明的有益技术效果是：利用超声波信号实现对井下人员的监测、定位和识别，避免了基于电磁波的定位系统存在的定位精度不高的问题，同时整合了结构形变在线监测功能，支持对多点人员和结构的同步定位及实时监测。

Description

基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法及系统

技术领域

    本发明涉及一种井下人员定位技术和结构形变监测技术，尤其涉及一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法及系统。

背景技术

矿难是危害性十分严重的安全事故，动辄群死群伤，因此各级单位和政府都将其列为重点安全监督对象；矿难的处置一般可以分为三个阶段，即生产过程中的前期预防、隐患发现后的人员疏散和矿难发生后的人员营救，尤其是人员疏散，如果能够使人员疏散在高效、有序的状态下进行，就能大幅增加井下人员逃生的几率，减少伤亡，即使无法将全部人员及时地疏散，也能为后期营救工作创造有利条件（如确定被困人员所在位置、被困人员数量、身份等）；针对人员疏散的有效性问题，现有技术中还没有十分有效的解决手段，其主要原因在于：井下环境复杂，作业人员流动性大，不同位置处的人员情况每时每刻都在动态变化，再加上灾害出现位置的未知性，这些不利条件都使得地面管理人员无法及时、准确地掌握井下人员的分布、位置等情况，故在隐患出现后，地面指挥人员难以有效地引导、调度井下人员进行疏散，从而延误宝贵的逃生时间；因此，针对矿井的特殊环境，探索井下形变监测技术和人员移动定位技术具有迫切的现实需求。

为了解决地面管理人员无法及时、准确地掌握井下情况的问题，本领域技术人员也作了大量努力，但结果却不尽如人意：现有的井下人员定位技术多采用无线传输介质实现对地下空间目标的定位，无线传输介质一般为电磁波，例如基于测距的TDOA和AOA算法定位，这类技术除了存在对硬件要求较高的缺陷外，还由于电磁波本身在巷道内会出现多次反射和绕射，从而导致移动节点接收到的信号强度和基站间距离不成线性和统计关系，最终的定位结果存在很大误差，给地面管理带来很大难度。

超声波是频率高于20KHz的声波，具有对电磁场和外界光线不敏感的特点，可用于灰尘、烟雾、黑暗以及电磁干扰较强的恶劣环境中，具有很强的适应性。目前，超声波作为一种监测手段，已经被应用到结构形变监测中了，如专利号为201110147270.1的中国专利所公开的技术中利用超声波传播方向既定性，来实现对超声波波束角监测区范围内的结构表面上所有点的形变监测，但其不足之处是无法实现对矿井下的移动目标的定位。

已经在生产中投入实用的地下空间形变测量系统和人员移动定位监测系统都是两套独立的系统，除了系统构建成本和运营维护成本较高外，两套系统还无法兼容，即无法直观地体现人员位置和破坏性形变的发生位置之间的相互关系，难以在疏散过程中及时地指导井下人员规避灾害区域。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，所涉及的硬件有：多个超声波定位节点、多个移动终端和上位机；所述超声波定位节点呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点与上位机之间通过线缆通信连接；移动终端由井下作业人员携带，每个移动终端都分配有唯一的识别代码；超声波定位节点通过发射监测频段的超声波信号来实现对井下人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点通过发射通信频段的超声波信号来实现与移动终端之间的通信，移动终端接收到通信频段的超声波信号后，移动终端和超声波定位节点之间进行应答操作，在应答操作过程中，移动终端将对应的识别代码发送给超声波定位节点，超声波定位节点接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机，上位机根据超声波定位节点的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别。

本发明所公开的全部内容中，提供了多套技术方案，它们可以解决不同层面、不同性质的多种问题，但其中，发明人认为本发明对现有技术的贡献性最大的即是前述方案，也即仅用超声波来实现对移动目标的定位和识别，它有效的解决了现有类似系统用电磁波作为无线传输介质时，因电磁波的固有性质而导致的定位误差较大的问题，使定位精度大幅提高，可适应各种恶劣的井下环境。为了便于管理，上位机可借鉴现有技术，将定位结果以标记的形式显示在电子形式的地形图上，从而使地面人员可以快速、直观地掌握地下人员分布和流动情况。

在前述方案的基础上，发明人还针对超声波定位节点的具体结构和工作模式提出了如下的优选方案：所述超声波定位节点上集成有收发一体式的超声波换能器和处理模块，处理模块控制超声波换能器的动作：当某一超声波定位节点的监测区域内无人员经过时，处理模块控制超声波换能器发射监测频段的超声波信号，以对监测区域内的情况进行实时监测；当某一超声波定位节点通过超声波换能器感应到其监测区域内有人员经过时，处理模块立即控制超声波换能器切换发射频率并发射通信频段的超声波信号；当移动终端未接收到通信频段的超声波信号时，移动终端处于休眠状态；当移动终端接收到通信频段的超声波信号后，移动终端才进行应答操作；超声波定位节点接收到识别代码后，由处理模块从应答操作的信号中解析出识别代码的信息，然后将识别代码发送至上位机，同时，处理模块控制超声波换能器继续发射监测频段的超声波信号。该方案的硬件简单，特别适合于在井下高密度、大规模地铺设。

为了避免相邻两个超声波定位节点的监测区域之间存在监测盲点，本发明还通过使相邻两个超声波定位节点的监测区域之间存在重叠区域以消除监测盲点，具体应用时，还可优选地使重叠区域的最高点（如图1中C点所示）位置高于正常成年人的身高；虽然前述方案消除了监测盲区，但由前面的重叠区域又引出了新的问题，即相邻两个超声波定位节点发出的超声波信号的反射信号容易对对方造成干扰，有鉴于此，发明人还提出了与前述的重叠区域方案配合使用的超声波定位节点控制方法，即：超声波定位节点采用间歇工作模式发射监测频段的超声波信号，所述间歇工作模式包括：所述多个超声波定位节点，按其排列顺序用1、2、3….n的数字顺次编号，奇数号的超声波定位节点同步发射监测频段的超声波信号，偶数号的超声波定位节点同步发射监测频段的超声波信号，奇数号的超声波定位节点和偶数号的超声波定位节点间隔一定时间交替发射监测频段的超声波信号。采用此控制模式后，可以在采用重叠区域消除监测盲点的基础上，避免相邻两个超声波定位节点发出的超声波信号的反射信号对对方造成干扰，提高系统性能。

现有技术中存在利用超声波信号进行结构形变监测的技术（如背景技术中引述的专利技术），从降低系统成本的角度出发，有赖于现有技术和本发明的前述方案，发明人还提出了将形变监测系统和人员定位系统合二为一的整合方案，即：超声波定位节点采用如下方法来实现对井下人员的目标发现：监测频段的超声波信号记为监测信号；超声波定位节点对监测信号的发射时刻和接收到相应反射波的接收时刻进行记录，并根据不同监测周期内发射时刻和接收时刻之间的时间差的变化值来计算监测区域在不同监测周期之间出现的形变量；当形变量小于或等于设定的阈值H时，则可判断此形变量由空间结构形变引起，此时，根据常规的超声波形变监测手段，对结构体形变进行监测预警，同时继续发射监测信号；当形变量大于设定的阈值H时，则可判断此形变量由人员走动引起，超声波定位节点应立即切换至通信模式并发射通信频段的超声波信号。该方案不仅可以降低形变监测系统和人员定位系统的设置和维护成本，更为有意义的是，可以实现两套系统的兼容，即将形变监测结果和人员定位结构同步地以光标形式显示在同一张井下地形图上，从而使指挥人员可以有目的性地指导被疏散人员避开危险区域，成功逃生。其中，对于结构体形变的监测预警，还可设定一形变控制阈值H1，H1＜H，当实际监测到的形变量的值介于H1和H之间时，即可发出报警信息，当实际监测到的形变量的值小于H1时，则仅作记录不报警。

对于通信技术而言，本领域技术人员应该明白，在相同的处理条件下，同时处理多个信号时的系统开销必然比仅处理一个信号时的系统开销要大，相应地，处理多个信号时的硬件要求也比仅处理单一信号时的硬件要求要高，为了尽量降低设备成本，本发明通过如下的通信模式来使超声波定位节点每次仅处理一个应答信号，也即使超声波定位节点仅具备处理单一信号的能力，从而最大限度地降低设备对硬件的需求，具体方案为：

所述超声波定位节点和移动终端之间的应答操作包括：

超声波定位节点内预设有查询优先级和扫描层次，移动终端内预设有应答优先级和应答层次；查询优先级和应答优先级的级数相同且均用1、2、3…n的数字序号顺次编号，数字序号相同的查询优先级和应答优先级互相对应，查询优先级中某一具体的级数定义为查询级数，应答优先级中某一具体的级数定义为应答级数；扫描层次初值为0，应答操作过程中，超声波定位节点每发出一次分配优先级命令，扫描层次就加1；应答层次初值为0，应答操作过程中，移动终端每收到一次分配优先级命令，应答层次就加1；查询级数和扫描层次的信息定义为握手信息，应答级数和应答层次的信息定义为识别信息；

应答操作开始后，超声波定位节点先向外发射激活信号；收到激活信号的移动终端结束休眠状态，然后移动终端向外发送应答信号，应答信号中不带任何信息，仅用于超声波定位节点判断移动终端的数量是否为复数；超声波定位节点收到应答信号后，先对应答信号是否为混叠信号进行判断：若应答信号为单一信号，则超声波定位节点向外发出读取身份命令，读取身份命令中包含有握手信息；移动终端收到读取身份命令后，移动终端将读取身份命令中的握手信息与自己的识别信息进行匹配，若匹配成功，则移动终端向外发送自己的识别代码，发送了识别代码的移动终端将应答层次置为初值后进入休眠状态，直至再次被激活信号唤醒，应答操作结束；若应答信号为混叠信号，则采用方法Ⅰ继续进行处理；

移动终端将握手信息与识别信息进行匹配的处理过程简称握手操作；移动终端向外发送自己的识别代码并将应答层次置为初值后进入休眠状态的处理过程简称休眠操作；移动终端被激活信号唤醒后，除非再次进入休眠状态，否则就处于待命状态；应答操作结束后，超声波定位节点将扫描层次置为初值后切换至监测模式；

所述方法Ⅰ包括：

1）超声波定位节点向外发射分配优先级命令，同时，超声波定位节点对扫描层次进行加1；接收到分配优先级命令的移动终端从应答优先级中随机选择某一具体的级数作为自己的应答级数，同时，移动终端对应答层次进行加1；

2）超声波定位节点向外发送包含握手信息的查询信号，对当前扫描层次内的某一查询级数进行查询；

3）收到查询信号的移动终端进行握手操作，若握手操作成功，则移动终端向外发送应答信号；若握手操作不成功，则移动终端继续待命；

4）超声波定位节点发出查询信号后，等待一定时间，然后超声波定位节点判断是否收到应答信号：若没有收到应答信号，则超声波定位节点将握手信息中的查询级数修改为下一查询优先级对应的查询级数，然后重新发送查询信号；超声波定位节点对查询级数进行修改并重新发送查询信号的处理过程简称轮询操作；

若收到了应答信号，则超声波定位节点对应答信号是否为混叠信号进行判断：

若应答信号为单一信号，则超声波定位节点向外发出包含当前握手信息的读取身份命令，对应的移动终端进行握手操作和休眠操作；然后超声波定位节点继续进行轮询操作；

若应答信号为混叠信号，则返回步骤1）；

在轮询操作过程中，将最初扫描的查询级数定义为初始级数；最后扫描的查询级数定义为终结级数；若某一查询级数的扫描过程中，出现应答信号为混叠信号的情况，则将当前查询级数记为中断级数，中断级数之后的那一级查询级数记为中断后级数；

若在某一扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，则超声波定位节点结束当前扫描层次的轮询操作，返回上一扫描层次，继续从对应上一扫描层次的中断后级数开始进行轮询操作，直至返回至第1扫描层次；当在第1扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，应答操作结束；当出现中断层次后，超声波定位节点对后一扫描层次的轮询操作重新从初始级数开始。

基于前述定位方法，将其实现为硬件系统时，就形成了一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化系统，其结构为：所述定位系统由多个超声波定位节点、多个移动终端和上位机组成；所述超声波定位节点呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点与上位机之间通过线缆通信连接；移动终端由井下作业人员携带，每个移动终端都分配有唯一的识别代码；超声波定位节点有两种工作模式，即监测模式和通信模式，处于监测模式时，超声波定位节点通过发射监测频段的超声波信号来对相应区域进行监测，当发现人员后，超声波定位节点切换至通信模式并通过发射通信频段的超声波信号来与移动终端进行通信，通信过程中，移动终端向超声波定位节点报送对应的识别代码，超声波定位节点将识别代码报送上位机。

优选地，所述移动终端集成在井下作业人员佩带的安全帽上。当然，也可将移动终端制作为单独的装置，前述优选方案中将移动终端集成在安全帽上，仅是从利用安全帽的坚固性来对移动终端形成保护的方面考虑，本领域技术人员还可根据实际需求，采用其他形式的设置方式。

优选地，所述超声波定位节点由收发一体式的超声波换能器和处理模块组成；超声波换能器用于发射超声波信号、接收反射波和接收移动终端发出的超声波信号；处理模块用于控制超声波换能器的工作模式和对信号的处理以及与上位机之间的数据交互。

本发明的有益技术效果是：利用超声波信号实现对井下人员的监测、定位和识别，避免了基于电磁波的定位系统存在的定位精度不高的问题，同时整合了结构形变在线监测功能，支持对多点人员和结构的同步定位及实时监测。

附图说明

图1、本发明的定位系统原理示意图；

图2、处理流程框图一；

图3、处理流程框图二。

具体实施方式

一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，所涉及的硬件有：多个超声波定位节点1、多个移动终端2和上位机3；所述超声波定位节点1呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点1与上位机3之间通过线缆通信连接；移动终端2由井下作业人员携带，每个移动终端2都分配有唯一的识别代码；

超声波定位节点1通过发射监测频段的超声波信号来实现对井下人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点1通过发射通信频段的超声波信号来实现与移动终端2之间的通信，移动终端2接收到通信频段的超声波信号后，移动终端2和超声波定位节点1之间进行应答操作，在应答操作过程中，移动终端2将对应的识别代码发送给超声波定位节点1，超声波定位节点1接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机3，上位机3根据超声波定位节点1的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别。

图2即是对应前述定位方法的流程框图，其中，基点即为超声波定位节点1，超声波定位节点1发射监测频段的超声波信号的过程即为监测模式，超声波定位节点1发射通信频段的超声波信号的过程即为通信模式。

进一步地，所述超声波定位节点1上集成有收发一体式的超声波换能器和处理模块，处理模块控制超声波换能器的动作：当某一超声波定位节点1的监测区域内无人员经过时，处理模块控制超声波换能器发射监测频段的超声波信号，以对监测区域内的情况进行实时监测；当某一超声波定位节点1通过超声波换能器感应到其监测区域内有人员经过时，处理模块立即控制超声波换能器切换发射频率并发射通信频段的超声波信号；当移动终端2未接收到通信频段的超声波信号时，移动终端2处于休眠状态；当移动终端2接收到通信频段的超声波信号后，移动终端2才进行应答操作（当然，有可能存在井下人员未按照安全规范携带移动终端2或移动终端2已损坏的情况，故应当在程序设计中，为超声波定位节点1接收应答信号设定一等待时间阈值，若超过等待时间阈值还未收到应答信号，则应将超声波定位节点1切换回监测模式，同时应将相关情况报送上位机3，以备管理人员对设备进行检修或对人员进行安全监督）；超声波定位节点1接收到识别代码后，由处理模块从应答操作的信号中解析出识别代码的信息，然后将识别代码发送至上位机3，同时，处理模块控制超声波换能器继续发射监测频段的超声波信号。

进一步地，相邻两个超声波定位节点1的监测区域之间存在重叠区域，超声波定位节点1采用间歇工作模式发射监测频段的超声波信号，所述间歇工作模式包括：所述多个超声波定位节点1，按其排列顺序用1、2、3….n的数字顺次编号，奇数号的超声波定位节点1同步发射监测频段的超声波信号，偶数号的超声波定位节点1同步发射监测频段的超声波信号，奇数号的超声波定位节点1和偶数号的超声波定位节点1间隔一定时间交替发射监测频段的超声波信号。

进一步地，超声波定位节点1采用如下方法来实现对井下人员的目标发现：监测频段的超声波信号记为监测信号；超声波定位节点1对监测信号的发射时刻和接收到相应反射波的接收时刻进行记录，并根据不同监测周期内发射时刻和接收时刻之间的时间差的变化值来计算监测区域在不同监测周期之间出现的形变量；当形变量小于或等于设定的阈值H时，则可判断此形变量由空间结构形变引起，此时，根据常规的超声波形变监测手段，对结构体形变进行监测预警，同时继续发射监测信号；当形变量大于设定的阈值H时，则可判断此形变量由人员走动引起，超声波定位节点1应立即切换至通信模式并发射通信频段的超声波信号。

图3即为结合了结构体形变监测预警方案后的系统流程框图。

进一步地，所述超声波定位节点1和移动终端2之间的应答操作包括：

超声波定位节点1内预设有查询优先级和扫描层次，移动终端2内预设有应答优先级和应答层次；查询优先级和应答优先级的级数相同且均用1、2、3…n的数字序号顺次编号，数字序号相同的查询优先级和应答优先级互相对应，查询优先级中某一具体的级数定义为查询级数，应答优先级中某一具体的级数定义为应答级数；扫描层次初值为0，应答操作过程中，超声波定位节点1每发出一次分配优先级命令，扫描层次就加1；应答层次初值为0，应答操作过程中，移动终端2每收到一次分配优先级命令，应答层次就加1；查询级数和扫描层次的信息定义为握手信息，应答级数和应答层次的信息定义为识别信息；

应答操作开始后，超声波定位节点1先向外发射激活信号；收到激活信号的移动终端2结束休眠状态，然后移动终端2向外发送应答信号，应答信号中不带任何信息，仅用于超声波定位节点1判断移动终端2的数量是否为复数；超声波定位节点1收到应答信号后，先对应答信号是否为混叠信号进行判断：若应答信号为单一信号，则超声波定位节点1向外发出读取身份命令，读取身份命令中包含有握手信息；移动终端2收到读取身份命令后，移动终端2将读取身份命令中的握手信息与自己的识别信息进行匹配，若匹配成功，则移动终端2向外发送自己的识别代码，发送了识别代码的移动终端2将应答层次置为初值后进入休眠状态，直至再次被激活信号唤醒，应答操作结束；若应答信号为混叠信号，则采用方法Ⅰ继续进行处理；

移动终端2将握手信息与识别信息进行匹配的处理过程简称握手操作；移动终端2向外发送自己的识别代码并将应答层次置为初值后进入休眠状态的处理过程简称休眠操作；移动终端2被激活信号唤醒后，除非再次进入休眠状态，否则就处于待命状态；应答操作结束后，超声波定位节点1将扫描层次置为初值后切换至监测模式；

所述方法Ⅰ包括：

1）超声波定位节点1向外发射分配优先级命令，同时，超声波定位节点1对扫描层次进行加1；接收到分配优先级命令的移动终端2从应答优先级中随机选择某一具体的级数作为自己的应答级数，同时，移动终端2对应答层次进行加1；

2）超声波定位节点1向外发送包含握手信息的查询信号，对当前扫描层次内的某一查询级数进行查询；

3）收到查询信号的移动终端2进行握手操作，若握手操作成功，则移动终端2向外发送应答信号；若握手操作不成功，则移动终端2继续待命；

4）超声波定位节点1发出查询信号后，等待一定时间，然后超声波定位节点1判断是否收到应答信号：若没有收到应答信号，则超声波定位节点1将握手信息中的查询级数修改为下一查询优先级对应的查询级数，然后重新发送查询信号；超声波定位节点1对查询级数进行修改并重新发送查询信号的处理过程简称轮询操作；

若收到了应答信号，则超声波定位节点1对应答信号是否为混叠信号进行判断：

若应答信号为单一信号，则超声波定位节点1向外发出包含当前握手信息的读取身份命令，对应的移动终端2进行握手操作和休眠操作；然后超声波定位节点1继续进行轮询操作；

若应答信号为混叠信号，则返回步骤1）；

在轮询操作过程中，将最初扫描的查询级数定义为初始级数；最后扫描的查询级数定义为终结级数；若某一查询级数的扫描过程中，出现应答信号为混叠信号的情况，则将当前查询级数记为中断级数，中断级数之后的那一级查询级数记为中断后级数；

若在某一扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点1已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，则超声波定位节点1结束当前扫描层次的轮询操作，返回上一扫描层次，继续从对应上一扫描层次的中断后级数开始进行轮询操作，直至返回至第1扫描层次；当在第1扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点1已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，应答操作结束；当出现中断层次后，超声波定位节点1对后一扫描层次的轮询操作重新从初始级数开始。

一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化系统，所述定位系统由多个超声波定位节点1、多个移动终端2和上位机3组成；所述超声波定位节点1呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点1与上位机3之间通过线缆通信连接；移动终端2由井下作业人员携带，每个移动终端2都分配有唯一的识别代码；超声波定位节点1有两种工作模式，即监测模式和通信模式，处于监测模式时，超声波定位节点1通过发射监测频段的超声波信号来对相应区域进行监测，当发现人员后，超声波定位节点1切换至通信模式并通过发射通信频段的超声波信号来与移动终端2进行通信，通信过程中，移动终端2向超声波定位节点1报送对应的识别代码，超声波定位节点1将识别代码报送上位机3。

进一步地，所述移动终端2集成在井下作业人员佩带的安全帽上。

进一步地，所述超声波定位节点1由收发一体式的超声波换能器和处理模块组成；超声波换能器用于发射超声波信号、接收反射波和接收移动终端2发出的超声波信号；处理模块用于控制超声波换能器的工作模式和对信号的处理以及与上位机3之间的数据交互。

另外，对于本发明中所应用到的超声波通信技术和超声波形变监测技术，均为现有技术，其具体实现方式为：监测频段的超声波信号和通信频段的超声波信号可通过设定不同的信号频率来加以区分，比如，以40kHz的超声波信号作为监测频段的超声波信号，以38kHz和42kHz的超声波信号作为通信频段的超声波信号（其中，38kHz的超声波信号作为机器码“0”，42kHz的超声波信号作为机器码“1”）；超声波通信可采用二进制频移键控（2FSK）通信方式。

Claims (3)

1.一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，其特征在于：所涉及的硬件有：多个超声波定位节点（1）、多个移动终端（2）和上位机（3）；所述超声波定位节点（1）呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点（1）与上位机（3）之间通过线缆通信连接；移动终端（2）由井下作业人员携带，每个移动终端（2）都分配有唯一的识别代码；

超声波定位节点（1）通过发射监测频段的超声波信号来实现对井下人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点（1）通过发射通信频段的超声波信号来实现与移动终端（2）之间的通信，移动终端（2）接收到通信频段的超声波信号后，移动终端（2）和超声波定位节点（1）之间进行应答操作，在应答操作过程中，移动终端（2）将对应的识别代码发送给超声波定位节点（1），超声波定位节点（1）接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机（3），上位机（3）根据超声波定位节点（1）的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别；

所述超声波定位节点（1）上集成有收发一体式的超声波换能器和处理模块，处理模块控制超声波换能器的动作：当某一超声波定位节点（1）的监测区域内无人员经过时，处理模块控制超声波换能器发射监测频段的超声波信号，以对监测区域内的情况进行实时监测；当某一超声波定位节点（1）通过超声波换能器感应到其监测区域内有人员经过时，处理模块立即控制超声波换能器切换发射频率并发射通信频段的超声波信号；当移动终端（2）未接收到通信频段的超声波信号时，移动终端（2）处于休眠状态；当移动终端（2）接收到通信频段的超声波信号后，移动终端（2）才进行应答操作；超声波定位节点（1）接收到识别代码后，由处理模块从应答操作的信号中解析出识别代码的信息，然后将识别代码发送至上位机（3），同时，处理模块控制超声波换能器继续发射监测频段的超声波信号；

所述超声波定位节点（1）和移动终端（2）之间的应答操作包括：

超声波定位节点（1）内预设有查询优先级和扫描层次，移动终端（2）内预设有应答优先级和应答层次；查询优先级和应答优先级的级数相同且均用1、2、3…n的数字序号顺次编号，数字序号相同的查询优先级和应答优先级互相对应，查询优先级中某一具体的级数定义为查询级数，应答优先级中某一具体的级数定义为应答级数；扫描层次初值为0，应答操作过程中，超声波定位节点（1）每发出一次分配优先级命令，扫描层次就加1；应答层次初值为0，应答操作过程中，移动终端（2）每收到一次分配优先级命令，应答层次就加1；查询级数和扫描层次的信息定义为握手信息，应答级数和应答层次的信息定义为识别信息；

应答操作开始后，超声波定位节点（1）先向外发射激活信号；收到激活信号的移动终端（2）结束休眠状态，然后移动终端（2）向外发送应答信号，应答信号中不带任何信息，仅用于超声波定位节点（1）判断移动终端（2）的数量是否为复数；超声波定位节点（1）收到应答信号后，先对应答信号是否为混叠信号进行判断：若应答信号为单一信号，则超声波定位节点（1）向外发出读取身份命令，读取身份命令中包含有握手信息；移动终端（2）收到读取身份命令后，移动终端（2）将读取身份命令中的握手信息与自己的识别信息进行匹配，若匹配成功，则移动终端（2）向外发送自己的识别代码，发送了识别代码的移动终端（2）将应答层次置为初值后进入休眠状态，直至再次被激活信号唤醒，应答操作结束；若应答信号为混叠信号，则采用方法Ⅰ继续进行处理；

移动终端（2）将握手信息与识别信息进行匹配的处理过程简称握手操作；移动终端（2）向外发送自己的识别代码并将应答层次置为初值后进入休眠状态的处理过程简称休眠操作；移动终端（2）被激活信号唤醒后，除非再次进入休眠状态，否则就处于待命状态；应答操作结束后，超声波定位节点（1）将扫描层次置为初值后切换至监测模式；

所述方法Ⅰ包括：

1）超声波定位节点（1）向外发射分配优先级命令，同时，超声波定位节点（1）对扫描层次进行加1；接收到分配优先级命令的移动终端（2）从应答优先级中随机选择某一具体的级数作为自己的应答级数，同时，移动终端（2）对应答层次进行加1；

2）超声波定位节点（1）向外发送包含握手信息的查询信号，对当前扫描层次内的某一查询级数进行查询；

3）收到查询信号的移动终端（2）进行握手操作，若握手操作成功，则移动终端（2）向外发送应答信号；若握手操作不成功，则移动终端（2）继续待命；

4）超声波定位节点（1）发出查询信号后，等待一定时间，然后超声波定位节点（1）判断是否收到应答信号：若没有收到应答信号，则超声波定位节点（1）将握手信息中的查询级数修改为下一查询优先级对应的查询级数，然后重新发送查询信号；超声波定位节点（1）对查询级数进行修改并重新发送查询信号的处理过程简称轮询操作；

若收到了应答信号，则超声波定位节点（1）对应答信号是否为混叠信号进行判断：

若应答信号为单一信号，则超声波定位节点（1）向外发出包含当前握手信息的读取身份命令，对应的移动终端（2）进行握手操作和休眠操作；然后超声波定位节点（1）继续进行轮询操作；

若应答信号为混叠信号，则返回步骤1）；

在轮询操作过程中，将最初扫描的查询级数定义为初始级数；最后扫描的查询级数定义为终结级数；若某一查询级数的扫描过程中，出现应答信号为混叠信号的情况，则将当前查询级数记为中断级数，中断级数之后的那一级查询级数记为中断后级数；

若在某一扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点（1）已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，则超声波定位节点（1）结束当前扫描层次的轮询操作，返回上一扫描层次，继续从对应上一扫描层次的中断后级数开始进行轮询操作，直至返回至第1扫描层次；当在第1扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点（1）已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，应答操作结束；当出现中断层次后，超声波定位节点（1）对后一扫描层次的轮询操作重新从初始级数开始。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，其特征在于：相邻两个超声波定位节点（1）的监测区域之间存在重叠区域，超声波定位节点（1）采用间歇工作模式发射监测频段的超声波信号，所述间歇工作模式包括：所述多个超声波定位节点（1），按其排列顺序用1、2、3….n的数字顺次编号，奇数号的超声波定位节点（1）同步发射监测频段的超声波信号，偶数号的超声波定位节点（1）同步发射监测频段的超声波信号，奇数号的超声波定位节点（1）和偶数号的超声波定位节点（1）间隔一定时间交替发射监测频段的超声波信号。

3.根据权利要求2所述的基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，其特征在于：超声波定位节点（1）采用如下方法来实现对井下人员的目标发现：监测频段的超声波信号记为监测信号；超声波定位节点（1）对监测信号的发射时刻和接收到相应反射波的接收时刻进行记录，并根据不同监测周期内发射时刻和接收时刻之间的时间差的变化值来计算监测区域在不同监测周期之间出现的形变量；当形变量小于或等于设定的阈值H时，则可判断此形变量由空间结构形变引起，此时，根据常规的超声波形变监测手段，对结构体形变进行监测预警，同时继续发射监测信号；当形变量大于设定的阈值H时，则可判断此形变量由人员走动引起，超声波定位节点（1）应立即切换至通信模式并发射通信频段的超声波信号。