改進(jìn)的LANDMARC算法在隧道人員定位中的應(yīng)用

王瑞峰， 席旭寧

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

目前隧道人員安全管理保障手段仍比較落后，加之隧道中的條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致爆炸、倒塌等事件屢屢發(fā)生；特別是在發(fā)生事故時(shí)，由于隧道人員不能及時(shí)溝通，營(yíng)救時(shí)很難掌握隧道下人員的分布狀況，造成搶險(xiǎn)效率低，搜救困難大等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于射頻識(shí)別RFID技術(shù)(Radio Frequency Identification)的隧道安全定位系統(tǒng)以安裝容易、實(shí)時(shí)無線通信、定位精度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，將成為隧道定位管理的發(fā)展趨勢(shì)。該系統(tǒng)不僅可以對(duì)隧道中的溫度、濕度、煙塵等進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警，更主要的是實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的實(shí)時(shí)定位，掌握其位置及活動(dòng)軌跡，對(duì)合理的調(diào)配資源，尤其是發(fā)生隧道事故時(shí)及時(shí)搶救有重要作用。

1 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 RFID的基本原理

通常RFID系統(tǒng)由存儲(chǔ)被識(shí)別物體信息的電子標(biāo)簽、讀寫器和上位機(jī)管理系統(tǒng)組成[1]，按照電子標(biāo)簽本身是否帶有電源，可將其分為有源和無源兩大類[2]。本系統(tǒng)采用無源電子標(biāo)簽存儲(chǔ)人員的基本信息，當(dāng)讀寫器檢測(cè)到其天線范圍內(nèi)有電子標(biāo)簽后，發(fā)送特定頻率的電磁波，產(chǎn)生共振，建立無線通信鏈路后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具體的工作原理見圖1。

1.2 系統(tǒng)的基本構(gòu)架

隧道中人員定位系統(tǒng)主要由地面管理中心、定位讀寫器、電子標(biāo)簽、必要的通信設(shè)備以及各類傳感器組成，總體結(jié)構(gòu)見圖2。地面管理中心由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和通信服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)整個(gè)定位系統(tǒng)的管理與控制，記錄工作人員在隧道內(nèi)的地點(diǎn)、時(shí)間和活動(dòng)軌跡，并顯示隧道的實(shí)時(shí)溫度、濕度、有害氣體濃度等指標(biāo)；定位讀寫器安裝在隧道中，讀取電子標(biāo)簽和其他傳感器的信息；電子標(biāo)簽由隧道工作人員隨身佩戴。

當(dāng)人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域后，攜帶的電子標(biāo)簽被激活，向周圍的讀寫器發(fā)送信號(hào)。根據(jù)讀寫器的位置，可以判斷該標(biāo)簽的大致位置，然后根據(jù)其接收到的信號(hào)回波強(qiáng)度，經(jīng)過相應(yīng)的算法進(jìn)一步精確定位。本文采用的LANDMARCk-鄰居定位算法中，通過設(shè)置額外的參考標(biāo)簽，選取與待定位標(biāo)簽信號(hào)回波強(qiáng)度相近的輔助標(biāo)簽作為最近鄰居，經(jīng)過權(quán)重分配，計(jì)算待定位標(biāo)簽的位置。

2 LANDMARC系統(tǒng)及定位算法

LANDMARC是一種基于RSS的定位系統(tǒng)，通過信號(hào)傳播衰耗模型計(jì)算標(biāo)簽的位置。

2.1 RSS衰耗模型的建立

一般情況下，讀寫器與標(biāo)簽之間的距離越大，信號(hào)衰耗越大，讀寫器收到的回波強(qiáng)度越低，這種衰減稱為信號(hào)的路徑損耗[3]。對(duì)于實(shí)際環(huán)境的路徑損耗，符合常用對(duì)數(shù)-常態(tài)分布模型，根據(jù)該模型，在距離為d的讀寫器與標(biāo)簽之間，路徑損耗的計(jì)算式為

( 1 )

式中：PL(d)為信號(hào)在距離為d的空間傳播時(shí)產(chǎn)生的路徑損耗，dBm；d0為d取1時(shí)的近地參考距離;PL(d0)是讀寫器與標(biāo)簽的距離為d0時(shí)接收到的信號(hào)回波強(qiáng)度;Xσ為平均值為0時(shí)的Gaussian分布隨機(jī)變數(shù)[4];n為路徑長(zhǎng)度和路徑損耗之間的比例因子，范圍為2～5，由障礙物的結(jié)構(gòu)和使用的材料決定。

經(jīng)過距離d的衰減后，讀寫器接收到的信號(hào)回波強(qiáng)度Pr(d)與系統(tǒng)發(fā)射功率Pr的關(guān)系為

Pr(d)=Pr-PL(d)

( 2 )

為了得到RSS與距離間的關(guān)系，將式(1)代入式(2)，整理可得Pr(d)與d的關(guān)系為

( 3 )

式中:Pr(d0)表示參考點(diǎn)d0處的信號(hào)回波強(qiáng)度。在LANDMARC定位算法中，讀寫器根據(jù)接收到的Pr(d)計(jì)算待定位標(biāo)簽的位置。

2.2 LANDMARC定位算法

LANDMARC定位系統(tǒng)的最近k-鄰居算法采用固定參考標(biāo)簽作為參考點(diǎn)進(jìn)行定位，用讀寫器接收到的回波強(qiáng)度計(jì)算幾何距離[5]，其讀寫器和標(biāo)簽分布見圖3。讀寫器接收到的相鄰標(biāo)簽的RSS相近[6]，據(jù)此，LANDMARCk-鄰居定位算法利用關(guān)聯(lián)度公式求得最近的幾個(gè)已知坐標(biāo)的參考標(biāo)簽，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)權(quán)重公式，便求得待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

設(shè)有M個(gè)閱讀器、L個(gè)參考標(biāo)簽和N個(gè)待定位標(biāo)簽。定義參考標(biāo)簽信號(hào)的RSS矩陣為

其中，Sij(i=1,2,…,L;j=1,2,…,M)表示第j個(gè)讀寫器接收到的第i個(gè)參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)。

定義待定位標(biāo)簽的RSS矩陣為

其中，Tij(i=1,2,…,N;j=1,2,…,M)表示第j個(gè)讀寫器接收到的第i個(gè)待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)；另外，為了確定參考標(biāo)簽的權(quán)重，定義待定位標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)矩陣為

設(shè)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)為(xi,yi)，則待定位標(biāo)簽的理論坐標(biāo)計(jì)算式為

( 4 )

式中：Wi為第i(i=1，2，3…，k,k≤N)個(gè)最近鄰居標(biāo)簽的權(quán)重，通常用經(jīng)驗(yàn)式

( 5 )

由圖4中見，參考標(biāo)簽的個(gè)數(shù)對(duì)定位的精度有很大的影響，并不是k越大，誤差越小，當(dāng)k取4時(shí)結(jié)果最理想，平均誤差為0.85 m。

3 算法的改進(jìn)

LANDMARCk-鄰居定位算法利用額外的參考標(biāo)簽估算待定位標(biāo)簽的位置，有效地減少了讀寫器的數(shù)量，降低了成本，是一種經(jīng)典的RFID定位算法，具有更好的實(shí)時(shí)性、精確性和可靠性，但隧道中場(chǎng)強(qiáng)的實(shí)際分布狀況與理想狀態(tài)有一定的差距，存在多徑效應(yīng)、折射、反射，場(chǎng)強(qiáng)衰耗等多種干擾因素[8]，因此，本文對(duì)原有的算法進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 權(quán)重的修訂

在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境因素的影響，某些參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)會(huì)發(fā)生偏離甚至失效，如果這些標(biāo)簽恰好是距離待定位標(biāo)簽比較近或者產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與待定位標(biāo)簽接近，勢(shì)必造成較大的誤差。為了減小這種誤差，引入了標(biāo)簽可信度的概念，對(duì)標(biāo)簽的權(quán)重進(jìn)行重新修訂。對(duì)于某個(gè)特定的參考標(biāo)簽，某個(gè)讀寫器接收到的信號(hào)回波強(qiáng)度應(yīng)該介于其上下左右4個(gè)標(biāo)簽之間。設(shè)某個(gè)參考標(biāo)簽在第j個(gè)讀寫器上的信號(hào)強(qiáng)度為x(j)，并用min(j)和max(j)表示該參考標(biāo)簽上下左右4個(gè)標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度的最小值和最大值。假設(shè)x(j)∈[min(j),max(j)]的j值有m個(gè)，則參考標(biāo)簽的可信度Y可以表示為[9-10]

( 6 )

顯然，Y的值在0到1之間，j滿足min(j)

( 7 )

通過引入可信度的概念，對(duì)參考標(biāo)簽的權(quán)重重新修訂后，可有效地解決隧道中復(fù)雜環(huán)境中個(gè)別參考標(biāo)簽失效或信號(hào)強(qiáng)度讀取錯(cuò)誤的弊端。

3.2 最近鄰居k的動(dòng)態(tài)設(shè)置

在原LANDMARCk-鄰居算法中，參考標(biāo)簽的數(shù)目k一般取理想狀態(tài)下的最優(yōu)值4，但是，LANDMARC是基于場(chǎng)強(qiáng)的定位算法，而信號(hào)在空間傳輸時(shí)還存在一定的衰耗；另外，參考標(biāo)簽的擺放位置，讀寫器的數(shù)量、擺放位置等都會(huì)影響定位精度，在不同的環(huán)境下，這些因素都時(shí)刻變化，并不能保證k取4時(shí)定位誤差最小，所以不能采用固定的k值[11]。本文將k設(shè)為變量，通過設(shè)置主參考標(biāo)簽，并比較與其它參考標(biāo)簽的定位誤差來確定k值，具體步驟為：

Step1計(jì)算待定位標(biāo)簽(TT)的關(guān)聯(lián)矩陣E，找出其參考標(biāo)簽(RT)，并把關(guān)聯(lián)度最大的一個(gè)參考標(biāo)簽標(biāo)記為主參考標(biāo)簽(KEY-RT)；

Step2計(jì)算主參考標(biāo)簽和其它參考標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)度矩陣E′，找出k(1

Step4確定k′以后，修訂參考標(biāo)簽的權(quán)重，并使用坐標(biāo)公式計(jì)算待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

3.3 改進(jìn)算法的流程

經(jīng)過權(quán)重的修正和動(dòng)態(tài)k值的選取后，改進(jìn)算法的流程見圖5。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)的硬件為Intel公司的R1000射頻識(shí)別開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合本文的改進(jìn)算法，建立定位系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，圖6為改進(jìn)算法與原有算法誤差比較。橫坐標(biāo)表示定位的誤差，縱坐標(biāo)表示待定位標(biāo)簽的累積誤差百分比。

從圖6可見，和理想狀態(tài)下相比，在實(shí)際應(yīng)用中，原來的LANDMARCk-鄰居定位算法(k=4)時(shí)的定位精度有所降低，最大誤差變大。運(yùn)用了改進(jìn)的算法之后，25%的待定位標(biāo)簽定位誤差在0.5 m以內(nèi)，70%的在1 m以內(nèi)，95%的在1.5 m以內(nèi)，定位精度較原有算法有所提高，并且最大定位誤差由原來的2.5 m減小到2.0 m。

圖7為原有改進(jìn)LANDMARC算法和本文改進(jìn)LANDMARC算法定位誤差比較，從圖7可見，在參考標(biāo)簽個(gè)數(shù)相同時(shí)，現(xiàn)有改進(jìn)LANDMARC算法定位誤差明顯低于原有改進(jìn)算法。隨著參考標(biāo)簽個(gè)數(shù)的增加，兩種定位算法誤差都明顯降低，但原有改進(jìn)算法可能會(huì)由于個(gè)別標(biāo)簽失效等原因，定位誤差可能會(huì)有上升的趨勢(shì)，本文采用的改進(jìn)LANDMARC算法通過引入?yún)⒖紭?biāo)簽可信度的概念，對(duì)其權(quán)重重新修訂，可以有效地解個(gè)別參考標(biāo)簽失效情況，減小定位誤差。

5 結(jié)束語

本文介紹了RFID的基本原理，在分析信號(hào)回波強(qiáng)度的空間損耗模型及LARNDMAC定位算法基本步驟的基礎(chǔ)上，綜合考慮隧道中信號(hào)強(qiáng)度的復(fù)雜性，引入?yún)⒖紭?biāo)簽可信度的概念，對(duì)其權(quán)重進(jìn)行修訂，有效地解決了標(biāo)簽的失效和信號(hào)強(qiáng)度讀取錯(cuò)誤的弊端，并通過動(dòng)態(tài)的設(shè)置參考標(biāo)簽的數(shù)目，以取得最優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)的算法具有更高的定位精度，為隧道人員精確定位提供了理論依據(jù)，具有較高的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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