基于GIS的煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)定位技術(shù)分析

劉汝清，逄思宇，李 爽

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.中化地質(zhì)礦山總局化工地質(zhì)調(diào)查總院，北京100013）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對煤炭的需求日益增加，也帶來煤礦生產(chǎn)量的日益增長，因此，煤礦安全生產(chǎn)顯得尤為重要。而煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的定位及安全，是保障安全生產(chǎn)的主要因素。

煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)主要為礦工和機(jī)車。礦工位置對于井上生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)督管理及災(zāi)后救援具有重要意義；機(jī)車是運(yùn)送礦工、生產(chǎn)材料、煤矸等的井下交通工具，合理調(diào)配機(jī)車可以提高礦井生產(chǎn)效率，保障礦工安全。目前，煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)定位系統(tǒng)基本是區(qū)域定位的模式，不能夠?qū)崿F(xiàn)井下任意位置的連續(xù)監(jiān)控定位，更不能在礦井地質(zhì)測繪圖中實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示目標(biāo)位置及運(yùn)動(dòng)軌跡。

將WiFi無線通信技術(shù)、GIS技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位，有效地改善傳統(tǒng)定位方式存在的不足。

1 技術(shù)原理

針對煤礦定位系統(tǒng)的總體要求，以微軟Windows操作系統(tǒng)為平臺，采用目前最新的GIS技術(shù)——地理信息服務(wù)（Geographic Information Service），以ArcGIS Server 9.3為GIS后臺服務(wù)平臺，融入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)中最新的Web Service技術(shù)，構(gòu)建面向礦山物聯(lián)網(wǎng)的井下移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控WebGIS系統(tǒng)（圖1）。該架構(gòu)中，由Web Service獲取并解析感知礦山信息集成與交換平臺發(fā)送的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)UDP包，利用ADO.NET訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫抽取基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，WebGIS系統(tǒng)負(fù)責(zé)融合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和GIS空間數(shù)據(jù)，最終通過IIS發(fā)布到Internet或Intranet，實(shí)現(xiàn)任意地點(diǎn)任意瀏覽器對WebGIS系統(tǒng)的訪問。

圖1 煤礦井下移動(dòng)目標(biāo)定位及管理GIS系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

在井下WiFi無線感知層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，將各種傳感器數(shù)據(jù)在電子礦圖上進(jìn)行定位并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新，為分析井下移動(dòng)目標(biāo)活動(dòng)情況提供歷史軌跡查詢與動(dòng)態(tài)繪制，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)與實(shí)際地理空間數(shù)據(jù)結(jié)合，從而將井下網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)定位到實(shí)際地理環(huán)境中，為感知礦山提供地理可視化與分析平臺。

2.1 基于控制點(diǎn)的井下WiFi實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)與地理參考坐標(biāo)映射技術(shù)

礦山物聯(lián)網(wǎng)在井下布置了龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括固定的AP接入點(diǎn)、移動(dòng)的RFID卡、礦工個(gè)人信息終端等。這些信息均存在于井下復(fù)雜的巷道系統(tǒng)環(huán)境中，所感知到的人員、機(jī)車位置、周圍環(huán)境參數(shù)均處于某一地理位置。傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)，采用區(qū)（段）域式定位，定位結(jié)果的表達(dá)方式采用列表形式或者是在自定義巷道分布圖片中顯示。這種方式將感知數(shù)據(jù)與真實(shí)地理環(huán)境分隔開來，在實(shí)際應(yīng)用中，不能最大程度地發(fā)揮感知網(wǎng)絡(luò)的作用。

將感知數(shù)據(jù)與實(shí)際地理環(huán)境融合，關(guān)鍵是感知數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)要與實(shí)際地理參考系統(tǒng)統(tǒng)一起來。目前，GIS地理參考系統(tǒng)主要包括地理坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系采用經(jīng)度、緯度的形式表達(dá)，屬于球面坐標(biāo)系統(tǒng)；大地坐標(biāo)系又稱投影坐標(biāo)系，是大比例尺地圖常用的坐標(biāo)系統(tǒng)，屬于平面坐標(biāo)系統(tǒng)。我國對地圖坐標(biāo)系統(tǒng)選用有明確的規(guī)定，礦山行業(yè)常用的坐標(biāo)系統(tǒng)為北京54坐標(biāo)系（6度分帶和3度分帶）和西安80坐標(biāo)系（6度分帶和3度分帶）。感知層網(wǎng)絡(luò)中，固定節(jié)點(diǎn)的位置信息可以通過礦山測量的方法獲得。

WiFi定位系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位原理，主要采用基于距離的定位模式，即獲取未知節(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，再由特定的算法計(jì)算相對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。計(jì)算距離的傳感器參數(shù)，通常包括到達(dá)時(shí)間TOA、到達(dá)時(shí)間差TDOA、接收信號強(qiáng)度指示RSSI等。計(jì)算相對坐標(biāo)的算法，包括三邊測量、三角測量、最大似然等算法?；赗SSI計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)距離，采用信號傳播的理論模型（式1）結(jié)合實(shí)際測量參數(shù)計(jì)算：

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)。

計(jì)算定位目標(biāo)與無線接入設(shè)備的相對距離作為該點(diǎn)坐標(biāo)，屬于自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，直接使用造成坐標(biāo)與地理參考坐標(biāo)的不一致，帶來諸多不便。煤礦井下巷道往往十分復(fù)雜，井下WiFi實(shí)時(shí)定位同樣存在定位坐標(biāo)與礦山測量坐標(biāo)（地理參考坐標(biāo)，如北京54、西安80）不一致的問題，造成無法建立井下定位目標(biāo)與礦山測繪成果的空間對應(yīng)關(guān)系。為解決該問題，提出了采用無線接入設(shè)備作為控制點(diǎn)，通過礦山測量獲取無線接入設(shè)備的地理參考坐標(biāo)作為控制點(diǎn)坐標(biāo)，依據(jù)定位時(shí)采用的無線設(shè)備編號及相對坐標(biāo)，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將相對坐標(biāo)映射為地理參考坐標(biāo)。經(jīng)過分析，定位引擎計(jì)算的相對坐標(biāo)為二維平面笛卡爾坐標(biāo)，與地理參考系統(tǒng)中投影后的大地坐標(biāo)系表達(dá)方式一致，但是坐標(biāo)系原點(diǎn)不同，同時(shí)還要考慮坐標(biāo)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)。

公式如下：

式中，（x，y）為礦圖坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；（x0，y0）為控制點(diǎn)在礦圖坐標(biāo)系統(tǒng)中坐標(biāo)；θ為自定義坐標(biāo)系與礦圖坐標(biāo)系間旋轉(zhuǎn)角度。

基于這一思想，開發(fā)了映射計(jì)算程序，實(shí)際應(yīng)用效果良好。井下定位目標(biāo)位置能夠?qū)崟r(shí)定位在采掘工程圖、井上下對照圖等礦山測繪成果上，而無需對其進(jìn)行任何處理。

2.2 實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)地理二維可視化技術(shù)

2.2.1 信息聚合技術(shù)

在實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)與礦山空間數(shù)據(jù)融合于同一的地理參考系統(tǒng)之后，將實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)在地理空間上進(jìn)行可視化（二維），實(shí)際上是目前GIS研究領(lǐng)域提出的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下空間與非空間信息的聚合（Mashup）。所謂信息聚合，是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，Web GIS功能通常以 Web服務(wù)的形式提供，這使得用戶在新建一個(gè)包含有GIS功能的頁面程序時(shí)，通過專門的API進(jìn)行調(diào)用。如Google Maps、Yahoo！Maps等都提供了API供開發(fā)人員使用，讓用戶在自己的業(yè)務(wù)流程中嵌入地圖、文本、流媒體等多種內(nèi)容，這種過程被稱為“Mashup”。

基于信息聚合的思想，首先通過地圖制圖與圖形處理將原始礦圖轉(zhuǎn)換為電子礦圖，并在ArcGIS Server中發(fā)布GIS地圖服務(wù)，之后通過 Web Service的方式建立獲取統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)服務(wù)。Web Service是基于網(wǎng)絡(luò)的、自包含的、松散耦合的分布式模塊化組件，可以在網(wǎng)絡(luò)中被描述、發(fā)布、查找和調(diào)用。它最大的優(yōu)勢在于有效地解決了Internet的分布式計(jì)算、資源共享和跨平臺問題，實(shí)現(xiàn)Web程序的互操作，從而真正實(shí)現(xiàn)了Web環(huán)境下的分布式計(jì)算。目前，Web Service體系結(jié)構(gòu)成為面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)的合理發(fā)展模式，并且成為面向服務(wù)（Service Oriented Architecture，SOA）的架構(gòu)體系主要實(shí)現(xiàn)方式。因此，在本系統(tǒng)中，將獲取實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)封裝成 Web Service，對外暴露一個(gè)通過 Web進(jìn)行調(diào)用的API，同時(shí)調(diào)用ArcGIS Server中的GIS地圖服務(wù)。通過添加GraphicsLayer圖層，將對實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染（點(diǎn)樣式），從而在電子礦圖中顯示出來，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)與礦山空間數(shù)據(jù)的信息聚合及實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的二維地理可視化。

2.2.2 異步交互技術(shù)AJAX

煤礦底層感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新頻率較高，傳送至GIS服務(wù)器的數(shù)據(jù)約5s間隔就更新一次。相應(yīng)地，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與礦山空間數(shù)據(jù)聚合就需要進(jìn)行同步更新，但是，更新的范圍僅限于實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，地圖數(shù)據(jù)作為底圖則不需要刷新。傳統(tǒng)的web應(yīng)用允許用戶填寫表單（form），當(dāng)提交表單時(shí)，就向web服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請求。服務(wù)器接收并處理傳來的表單，然后返回一個(gè)新的網(wǎng)頁。這樣做，導(dǎo)致客戶端整個(gè)界面進(jìn)行了刷新，一方面占用了許多帶寬，另一方面頻繁刷新使用戶視覺難以忍受。每次應(yīng)用的交互，都需要向服務(wù)器發(fā)送請求，應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間就依賴于服務(wù)器的響應(yīng)時(shí)間，這導(dǎo)致了用戶界面的響應(yīng)比本地應(yīng)用慢得多。因此，本系統(tǒng)采用目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)較為成熟的AJAX技術(shù)，僅提交需要更新的數(shù)據(jù)請求，對頁面局部進(jìn)行刷新，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。

AJAX即“Asynchronous JavaScript and XML”（異步JavaScript和XML），與傳統(tǒng)的 Web應(yīng)用不同。AJAX應(yīng)用可以僅向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù)，它使用SOAP或其它一些基于XML的web service接口，并在客戶端采用JavaScript處理來自服務(wù)器的響應(yīng)。因此，在服務(wù)器和瀏覽器之間交換的數(shù)據(jù)大量減少，結(jié)果看到響應(yīng)更快的應(yīng)用。同時(shí)，很多的處理工作可以在發(fā)出請求的客戶端機(jī)器上完成，所以Web服務(wù)器的處理時(shí)間也減少了。本系統(tǒng)中采用ArcGIS Server提供的AJAX框架，通過Callback機(jī)制實(shí)現(xiàn)，在客戶端編寫Javascript腳本，發(fā)送請求，在服務(wù)器端通過繼承ICallbackEventHandler接口編寫處理函數(shù)，將需要更新的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，添加并生成CallBackResult?？蛻舳私邮蘸螅蓪?yīng)的Javascript進(jìn)行前臺界面更新，從而減少數(shù)據(jù)量，提高客戶端響應(yīng)速率。

2.3 海量定位數(shù)據(jù)的歷史軌跡重繪技術(shù)

煤礦基于WiFi的實(shí)時(shí)定位引擎，每5s就產(chǎn)生1條坐標(biāo)數(shù)據(jù)并記錄在歷史庫中。在查詢歷史軌跡時(shí)，往往設(shè)置6～8h以上的時(shí)間段，即處理4000～6000條以上的數(shù)據(jù)，查詢一次將耗費(fèi)大量服務(wù)器資源，造成客戶端響應(yīng)緩慢。并且通過對全部的歷史記錄分析，發(fā)現(xiàn)很多記錄坐標(biāo)位置近乎重疊（與礦工、機(jī)車活動(dòng)情況有關(guān)），而歷史軌跡側(cè)重于大范圍的運(yùn)動(dòng)路線（趨勢），忽略細(xì)微的動(dòng)作。因此，應(yīng)當(dāng)對查詢得到的歷史記錄進(jìn)行篩選，這樣既保留了目標(biāo)總的運(yùn)動(dòng)趨勢，又大幅減少了數(shù)據(jù)量，提升了系統(tǒng)響應(yīng)效率。但是，篩選后的結(jié)果有可能漏掉關(guān)鍵的拐點(diǎn)，采用直接連線生成軌跡的方法，會造成軌跡落到巷道之外的情況。為此，提出將人員軌跡概化巷道中線，基于GIS空間分析算法，將篩選結(jié)果作為路徑必經(jīng)的站點(diǎn)（Stops），按照時(shí)間順序生成運(yùn)動(dòng)路線（軌跡），從而保證歷史軌跡的合理性。

整個(gè)計(jì)算流程中，服務(wù)器端處理主要是歷史數(shù)據(jù)篩選和基于GIS空間分析的路徑計(jì)算，其中，空間分析采用網(wǎng)絡(luò)分析算法實(shí)現(xiàn)。歷史數(shù)據(jù)篩選算法，具體是先將查得的歷史記錄按時(shí)間順序進(jìn)行排序，起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的坐標(biāo)數(shù)據(jù)作為重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)直接歸入篩選結(jié)果。從起始時(shí)刻的下一條記錄開始，計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)與起始時(shí)刻坐標(biāo)之間的笛卡爾距離（d），當(dāng)距離大于設(shè)定閾值（dm）時(shí)，歸入篩選結(jié)果，否則繼續(xù)向下尋找，直至找到符合條件的記錄。之后，將該記錄作為“起始”時(shí)刻，繼續(xù)對余下的數(shù)據(jù)按上述閾值進(jìn)行篩選，直至結(jié)束時(shí)刻。當(dāng)前待篩選坐標(biāo)（x，y）與篩選結(jié)果中當(dāng)前坐標(biāo)（xs，ys）之間的笛卡爾距離為d為：

距離閾值條件，根據(jù)用戶設(shè)置的查詢時(shí)間段長短而異。設(shè)用戶輸入查詢時(shí)間段為Δt，單位為h，距離閾值為dm，單位為m，則dm為Δt的分段函數(shù)f（Δt）。客戶端歷史軌跡查詢設(shè)置了最大查詢時(shí)間間隔為48h。

整個(gè)流程中，客戶端主要是接受分析結(jié)果和繪制軌跡線。由結(jié)果提取節(jié)點(diǎn)并繪制軌跡線，通過ArcGIS Server ADF Javascript腳本實(shí)現(xiàn)。為了產(chǎn)生更好的客戶體驗(yàn)，整個(gè)流程采用Ajax異步處理與Callback機(jī)制進(jìn)行開發(fā)。

3 結(jié)語

采取WiFi技術(shù)構(gòu)建無線感知網(wǎng)絡(luò)，對井下移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)定位，并且感知礦工周圍環(huán)境信息?？赏黄苽鹘y(tǒng)定位系統(tǒng)的缺陷，將實(shí)時(shí)感知的位置信息、周圍環(huán)境信息和地理空間位置融合，基于GIS地理信息技術(shù)，在礦井實(shí)際測繪成果圖中，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地定位人員及機(jī)車位置。查詢目標(biāo)歷史軌跡并動(dòng)態(tài)回放于電子礦圖上，為煤礦安監(jiān)、調(diào)度部門提供實(shí)時(shí)監(jiān)控井下礦工、機(jī)車等移動(dòng)目標(biāo)的活動(dòng)狀態(tài)及周圍環(huán)境狀況的信息平臺，為分析井下移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)行情況、災(zāi)后應(yīng)急救援提供歷史資料，從而有效地提高礦井安全生產(chǎn)水平與合理調(diào)配資源的能力。

［1］王占全，趙斯思，徐慧.地理信息系統(tǒng)（GIS）開發(fā)工程案例精選［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［2］魏長寬，李然.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦山安全生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.山東通信技術(shù)，2011（2）：41－43.

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