基于模糊自適應(yīng)定位算法的煤礦安全定位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張友能，李成龍，丁 莉

(1.安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程系，安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 理學(xué)院，安徽 淮南 230001)

面對國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)越來越高的要求，建立可靠的井下人員定位系統(tǒng)對改善煤礦的安全生產(chǎn)管理有重要的現(xiàn)實(shí)意義.井下定位系統(tǒng)要求能夠及時、準(zhǔn)確地將井下各個區(qū)域人員和移動設(shè)備情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員和移動設(shè)備的總數(shù)及分布狀況，從而提高生產(chǎn)管理效率.同時，在礦難發(fā)生時，能夠及時為救援提供有效的位置信息，有利于人員的救助.但煤礦井下無線通信環(huán)境差，多路徑效應(yīng)明顯，信號衰落快，目前國內(nèi)普遍使用的井下監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是一種人員的考勤記錄系統(tǒng)，很難滿足目前生產(chǎn)管理和救援的定位需求[1-2].無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究領(lǐng)域.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠直接獲取客觀物理信息，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、救災(zāi)防控、醫(yī)療等很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[3-4]，其自組織、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、抗干擾、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)十分適合井下復(fù)雜多變的通信環(huán)境，成為井下監(jiān)測和定位新的技術(shù)載體.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于模糊自適應(yīng)定位算法的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)以模糊算法作為監(jiān)測定位技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，分為井下監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和井上的控制系統(tǒng).井下監(jiān)測區(qū)域由基于CC2430的N個無線基站組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，直井和井上等長距離數(shù)據(jù)傳輸則采用光纖通信.地面控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端和控制軟件組成，與井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過礦井以太網(wǎng)發(fā)送指令和傳送數(shù)據(jù).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊自適應(yīng)定位算法

定位分站中的射頻芯片CC2430中有一個內(nèi)置的接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)(Received Signal Strength Indicator)，在井下目標(biāo)定位中，通過讀取存儲在RSSI.RSSI＿VAL寄存器中的8bit的表征接收信號強(qiáng)度的數(shù)字化值，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號傳播模型將接收信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為距離，無線信道的數(shù)學(xué)模型如式1所示.

(1)

式中，d是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，d0是參考距離，n是信道衰減指數(shù)，一般取值2～4，Xσ是均值為零、方差σ的高斯隨機(jī)噪聲變量，PL(d0)是距離發(fā)射機(jī)d0處的信號強(qiáng)度，PL(d)是距離發(fā)射機(jī)d處的信號強(qiáng)度；PL(d0)可以通過經(jīng)驗(yàn)得出，或者從硬件規(guī)范協(xié)議得到.由此可以通過信號強(qiáng)度PL(d)求出距離d.信道由于受到多徑衰減和非視距阻擋的影響，具有時變特性，嚴(yán)重偏離上述模型，根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度估計(jì)出距離d一般有很大誤差，可能產(chǎn)生50%的誤差.

對接收到的原始信號RSSI的值模糊化處理，去除信道由于受到多徑衰減和非視距阻擋的影響，提出用模糊自適應(yīng)定位算法提高目標(biāo)定位的精準(zhǔn)性.本文采用包含n個隸屬度值的隸屬度向量y模糊評價原始RSSI信號.隸屬函數(shù)在符合條件的前提下可以自由構(gòu)造[5]，嶺形分布的隸屬函數(shù)構(gòu)造簡單，函數(shù)曲線符合實(shí)踐中RSSI信號的變化規(guī)律，我們采用嶺形分布對實(shí)踐中的RSSI信號進(jìn)行模糊化，模糊集FRk的隸屬函數(shù)記為μFRK(x):

則某RSSI模糊隸屬度向量記為：

y(FR1,FR2,FR3,…,FRn)=(μ1,μ2,μ3,…,μn)

式中μk表示RSSI隸屬于FRk的隸屬度，該組向量的值反映了RSSI在該組隸屬函數(shù)映射下具備的模糊化特征.模糊化過程中的n值反映了模糊化的隸屬度.在保證隸屬函數(shù)對RSSI覆蓋的前提下，設(shè)i

我們在研究問題的過程中，采用自適應(yīng)的方法確定n的值，并最終得到節(jié)點(diǎn)的定位，圖2為確定合適n的定位算法流程，具體算法實(shí)現(xiàn)本文不再描述.

圖2 自適應(yīng)定位算法流程

3 模糊自適應(yīng)定位算法仿真實(shí)驗(yàn)

將所有實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)布置在400×400的正方形區(qū)域內(nèi)，確定6個錨節(jié)點(diǎn)，按規(guī)則布置節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)兩種方式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中，理論通訊半徑取值120，在VS.NET2008下構(gòu)建模擬平臺OMNET++4.07，選擇Shadowing模型作為我們實(shí)驗(yàn)算法中的信號衰減模型，即

式中Pr(d0)是距離為d0的平均信號強(qiáng)度，β為路徑衰減指數(shù)(一般取值為2.5)，XdB是均值.圖3是在規(guī)則布置節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)布置節(jié)點(diǎn)的兩種情況下，模糊自適應(yīng)定位算法不同節(jié)點(diǎn)密度與定位精度的關(guān)系.

圖3 模糊自適應(yīng)定位算法不同節(jié)點(diǎn)密度與定位精度的關(guān)系

仿真實(shí)驗(yàn)表明，在環(huán)境干擾、節(jié)點(diǎn)稀疏的環(huán)境下，模糊自適應(yīng)定位算法獲得了相對精確且穩(wěn)定的定位結(jié)果.

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對于一個礦井來說，有多個“U”字形的定位區(qū)域，但由于它們彼此是獨(dú)立的，不同定位區(qū)域節(jié)點(diǎn)通過射頻信號難以實(shí)現(xiàn)互相通信，圖4為淮南顧北煤礦某礦井的平面截圖.選取1312(1)工作面，根據(jù)工作條件，在300m×10m的二維區(qū)域內(nèi)，布置800個無線節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)布置示意圖如圖5所示，除了信標(biāo)點(diǎn)固定位置布設(shè)之外，其余待測節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，測定15%，25%，35%三種信標(biāo)點(diǎn)分布情況，節(jié)點(diǎn)無線通信半徑R設(shè)為50m，在測距誤差分別為15%，25%，35%，45%，55%，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖4 淮南顧北煤礦某礦井平面截圖

圖5 無線節(jié)點(diǎn)布置示意圖

圖6 礦井下無線定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模糊自適應(yīng)算法定位的煤礦安全監(jiān)測定位系統(tǒng)，能夠較為精確地確定定位的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度提升的情況下，定位誤差較小，滿足生產(chǎn)實(shí)踐中的定位要求.

5 結(jié)論

本文提出基于模糊自適應(yīng)算法定位的煤礦安全監(jiān)測定位系統(tǒng)的建構(gòu)方案，提高了以傳統(tǒng)定位算法為基礎(chǔ)的煤礦安全監(jiān)測定位系統(tǒng)的定位精度和抗干擾能力.方案中通過引入zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)，大大拓展了監(jiān)測覆蓋面、無線節(jié)點(diǎn)布置的海量性和無規(guī)則性，減少了監(jiān)控死角，嵌入了模糊控制算法提高了定位精度，真正實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)定位，提高了安全生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)管效率.但對于井下移動節(jié)點(diǎn)分布不均的情況下，當(dāng)某一區(qū)域的若干移動節(jié)點(diǎn)同時向同一信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號時，可能會造成通信阻塞或者數(shù)據(jù)丟失，這將是我們后續(xù)研究工作的重點(diǎn).

參考文獻(xiàn)：

[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，2007(8):884-888.

[2]路坦，王志斌，張記龍.基于Zigbee的煤礦安全監(jiān)測及人員定位系統(tǒng)[J].煤礦安全，2009(11):77-81.

[3]孫繼平，樊京.井下主動超聲定位系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報，2009(7):993-996.

[4]王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學(xué)報，2005，16(5)：857-968.

[5]陳水利，李敬功，王向公，等.模糊集理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008.