[发明专利]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

说明书

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。