基于Wi-Fi與WebGIS的井下移動目標(biāo)定位與歷史軌跡提取

孟 磊，丁恩杰，馮啟言，李 庭

（1.中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221116）

基于Wi-Fi與WebGIS的井下移動目標(biāo)定位與歷史軌跡提取

孟 磊1，丁恩杰1，馮啟言2，李 庭2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221116）

目前，國內(nèi)井下人員定位系統(tǒng)中，多為人員考勤記錄系統(tǒng)［1］，該系統(tǒng)采用被動式RFID和讀卡器結(jié)合的方式，屬于區(qū)域定位；定位表達(dá)方式采用文字表述或相對坐標(biāo)展示其位置，而非地理空間坐標(biāo)，降低了定位信息的實(shí)用價(jià)值。Wi-Fi技術(shù)已成功應(yīng)用于井下應(yīng)急通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控、巷道離層與變形監(jiān)測等方面［2－4］。本文基于Wi-Fi技術(shù)對煤礦井下人員和機(jī)車目標(biāo)連續(xù)定位，提出實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)與地理空間坐標(biāo)影射方法，針對海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一種高效的歷史軌跡提取算法；采用WebGIS和Web Service技術(shù)，以徐州某煤礦為例，實(shí)現(xiàn)了上述算法的應(yīng)用。

1 Wi-Fi定位坐標(biāo)與地理坐標(biāo)影射

Wi-Fi定位通過獲取到達(dá)時(shí)間（TOA）、到達(dá)時(shí)間差（TDOA）、接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）等，采用信號傳播的理論模型（式1），并結(jié)合實(shí)際測量參數(shù)，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)（要定位的目標(biāo)）到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（已知坐標(biāo)的參考節(jié)點(diǎn)）之間的距離；然后采用三邊測量算法［5］計(jì)算移動目標(biāo)的相對坐標(biāo)（xr，yr），從而實(shí)現(xiàn)定位。

式中：d為讀卡器到標(biāo)簽距離；P（d）為讀卡器接收的相距d處標(biāo)簽發(fā)射的信號強(qiáng)度（RSSI）；P（d0）為讀卡器接收的相距1m處標(biāo)簽發(fā)射的信號強(qiáng)度（RSSI）；n為實(shí)測參數(shù)。

由于相對坐標(biāo)系統(tǒng)與礦井實(shí)際坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，需要將二者統(tǒng)一在同一個(gè)參照系下，礦井實(shí)際坐標(biāo)系統(tǒng)為地理空間坐標(biāo)系，如西安80和北京54坐標(biāo)系，將定位坐標(biāo)影射到地理空間坐標(biāo)系下，對于災(zāi)后人員搜救、井上調(diào)度等具有實(shí)用價(jià)值。本文采用井下無線接入節(jié)點(diǎn)（Wireless Access Point，無線AP）作為控制點(diǎn)，即信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，事先測定其地理坐標(biāo)，建立坐標(biāo)影射關(guān)系數(shù)據(jù)庫，定位時(shí)獲取目標(biāo)相對位置坐標(biāo)及對應(yīng)的無線AP編號，由式（2）進(jìn)行坐標(biāo)影射。

式中：（x＇i，y＇i）為定位目標(biāo)地理參照系下的坐標(biāo)，（xi，yi）為按編號查找影射關(guān)系數(shù)據(jù)庫所得無線AP的地理坐標(biāo)，（Δx＇i，Δy＇i）為定位目標(biāo)與無線AP間的相對坐標(biāo)。

2 海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)歷史軌跡提取

Wi-Fi定位系統(tǒng)每5s產(chǎn)生1對坐標(biāo)值，按每人每天工作6～8h計(jì)算，則對應(yīng)4 000～6 000對以上的坐標(biāo)記錄，而對于24h工作的機(jī)車目標(biāo)，則對應(yīng)17 280對坐標(biāo)記錄，直接由這些坐標(biāo)點(diǎn)生成軌跡，一方面會造成路線混亂，另一方面將耗費(fèi)大量時(shí)間和系統(tǒng)資源。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這些海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)中包括大量位置相近的偽重疊點(diǎn)。為此，本文提出一種基于GIS路徑分析的海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)歷史軌跡提取算法。

首先篩選原始?xì)v史記錄，根據(jù)查詢的時(shí)間尺度移除相應(yīng)空間粒度下的偽重疊點(diǎn)。按時(shí)間順序計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)與前一時(shí)刻點(diǎn)之間的笛卡爾距離d，當(dāng)d大于設(shè)定閾值dm，歸入篩選結(jié)果數(shù)據(jù)集，并替換當(dāng)前點(diǎn)進(jìn)行下個(gè)點(diǎn)的篩選。起始和結(jié)束時(shí)刻的坐標(biāo)點(diǎn)直接歸入篩選結(jié)果集，距離閾值設(shè)定如下：

式中：Δt為查詢時(shí)間尺度（h），考慮日常使用及系統(tǒng)負(fù)荷，設(shè)置查詢最大時(shí)間尺度為48h；dm為距離閾值（m）。

大時(shí)間尺度下提取歷史軌跡，篩選結(jié)果集可能漏掉巷道拐點(diǎn)，直接連線生成軌跡（直接軌跡）會造成部分線段處于巷道外（圖1）。由于巷道很窄，可不考慮巷道內(nèi)偏離中線的運(yùn)動，由此將歷史軌跡概化為巷道中線，而篩選結(jié)果集是落在巷道中線上或附近的點(diǎn)集，因此提取歷史軌跡就轉(zhuǎn)變?yōu)橛上锏谰W(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算按時(shí)間順序經(jīng)過這些點(diǎn)的最短路徑（間接軌跡）。圖1說明以間接軌跡作為歷史軌跡更合乎實(shí)際需要。

圖1 直接與間接軌跡比較

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 井下Wi-Fi定位網(wǎng)絡(luò)

以徐州某煤礦為例，選擇該礦井下人員、機(jī)車主要工作區(qū)域，共安裝58個(gè)無線AP，包括－600水平大巷、－600絞車房、－600及－800猴車道上下滑板、－1 010車場及石門，7 426掘進(jìn)面運(yùn)輸巷，2 447采煤面皮帶機(jī)巷。對井下人員和井下機(jī)車配備定位卡，進(jìn)入井下Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)即可實(shí)時(shí)定位，獲取的定位數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至井上應(yīng)用子系統(tǒng)。

3.2 實(shí)時(shí)定位

底層定位數(shù)據(jù)傳輸至井上服務(wù)器，由獨(dú)立的數(shù)據(jù)接收程序完成坐標(biāo)影射，再由Sockets通信機(jī)制將影射數(shù)據(jù)推送至WebGIS，該系統(tǒng)采用Web Service架構(gòu)，以ArcGIS Server為地圖服務(wù)平臺，由獨(dú)立的Web Service接收Sockets數(shù)據(jù)包，前臺采用ASP.NET和異步交互式網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)Ajax，實(shí)現(xiàn)地圖上移動目標(biāo)位置的動態(tài)更新（圖2）。

圖2 實(shí)時(shí)定位

3.3 歷史軌跡提取

在Web模式下實(shí)現(xiàn)海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)提取歷史軌跡，客戶端負(fù)責(zé)向服務(wù)器端發(fā)送查詢條件（時(shí)間段、目標(biāo)名稱）和接收服務(wù)器返回的路徑結(jié)果，在前臺地圖中動態(tài)繪制軌跡線，服務(wù)器端針對客戶端查詢條件，篩選歷史記錄，分析最短路徑，并在路徑中提取點(diǎn)發(fā)送至客戶端。運(yùn)算流程見圖3。

圖3 海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)歷史軌跡提取算法流程

為實(shí)現(xiàn)上述算法，采用ArcGIS Server將巷道網(wǎng)絡(luò)及其路徑分析圖層發(fā)布為網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)，將NAServer-RouteParams.Stops設(shè)為篩選結(jié)果，調(diào)用NAServerPoxy.Solve方法生成路徑，提取路徑中的點(diǎn)發(fā)送至前臺，由ArcGIS Server ADF Javascript繪制軌跡（圖4）。

圖4 歷史軌跡繪制效果

4 結(jié)論

將Wi-Fi定位傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線AP作為控制點(diǎn)，建立實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)與地理坐標(biāo)之間的影射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在地理空間參照系下井下目標(biāo)的動態(tài)連續(xù)定位，提升了Wi-Fi定位數(shù)據(jù)的實(shí)用價(jià)值。針對Wi-Fi海量實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的基于路徑分析的歷史軌跡提取算法，顯著減少了參與計(jì)算的數(shù)據(jù)量，提升了系統(tǒng)效率，更清晰地表達(dá)了目標(biāo)運(yùn)動軌跡。該算法還需要進(jìn)一步改進(jìn)，包括在歷史記錄篩選過程中，如何針對不同查詢時(shí)間尺度合理確定篩選距離閾值，即參與提取軌跡的坐標(biāo)點(diǎn)集空間粒度的優(yōu)選問題。同時(shí)，由于井下巷道系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，二維投影坐標(biāo)系下存在巷道交疊區(qū)域，基于GIS三維巷道模型的目標(biāo)定位也是下一步研究的重點(diǎn)。

［1］ 謝曉佳，程麗君，王勇.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)平臺的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（8）：884－888.

［2］ 蔣峰，張凌濤，賀超英.Wi-Fi技術(shù)在礦井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2010（3）：62－65.

［3］ 李培煊，強(qiáng)蕊.基于Wi-Fi的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（4）：139－143.

［4］ 丁恩杰，劉學(xué)瑞，黃艷秋，等.基于Wi-Fi的巷道離層和變形監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（1）：75－79.

［5］ 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

2011－12－01；

2012－02－13

孟磊（1982－），男，博士，講師，研究方向?yàn)槊旱VGIS及其在感知礦山中的應(yīng)用。E－mail：mengleicumt＠126.com