改進(jìn)LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應(yīng)用

黃 菊

（南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

改進(jìn)LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應(yīng)用

黃 菊

（南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

針對(duì)船舶修造企業(yè)艙室的特殊工作環(huán)境的安全要求，提出一種以RFID射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的人員定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)船上人員的軌跡分布與精準(zhǔn)定位。采用改進(jìn)的LANDMARC算法，通過(guò)用距離替換RSSI值對(duì)傳統(tǒng)的LANDMARC算法進(jìn)行改進(jìn)，解決在空間定位中的偏差問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)的LANDMARC算法具有更高的定位精度，可用于船舶修造密閉艙室作業(yè)人員的跟蹤定位。

RFID；艙室人員定位；LANDMARC

本文著錄格式：黃菊. 改進(jìn)LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應(yīng)用[J]. 軟件，2016，37（11）：129-132

0 引言

船舶修造艙室內(nèi)作業(yè)是一種有限空間環(huán)境下的、風(fēng)險(xiǎn)較高的作業(yè)，由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，容易出現(xiàn)各種危險(xiǎn)，易燃易爆氣體、有毒氣體、各種機(jī)械傷害和人身傷害等，在安全管理上稍有疏忽，就會(huì)引發(fā)事故[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）開(kāi)始被應(yīng)用于人員定位領(lǐng)域，如倉(cāng)儲(chǔ)貨物定位、圖書(shū)管理、煤礦井下人員定位等。標(biāo)簽、讀卡器和傳遞射頻信號(hào)的天線就可以組成一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)。遠(yuǎn)距離射頻卡和讀卡器被用來(lái)感應(yīng)射頻識(shí)別物體，讀卡距離可達(dá)100米，可同時(shí)識(shí)別100張感應(yīng)卡，讀卡速度達(dá)到100公里/小時(shí)，能夠?qū)焖僖苿?dòng)的物體或人員進(jìn)行遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確識(shí)別。

因此，本文提出了基于改進(jìn)的LANDMARC算法的RFID定位技術(shù)，利用其設(shè)計(jì)一個(gè)適用于船舶修造密閉艙作業(yè)的人員定位系統(tǒng)，以此提高船舶修造企業(yè)的信息化水平，規(guī)范作業(yè)人員的作業(yè)情況，實(shí)時(shí)鎖定作業(yè)人員在有效工作區(qū)域內(nèi)的位置，加強(qiáng)安全防范，為緊急或危險(xiǎn)情況下，快速尋找人員提供有效定位線索。

2 相關(guān)工作

2.1 遠(yuǎn)距離射頻卡的工作原理

遠(yuǎn)距離射頻卡的內(nèi)部有唯一的序列號(hào)，并可以

存儲(chǔ)一系列的數(shù)據(jù)，當(dāng)感應(yīng)卡處于讀卡器的有效讀取范圍內(nèi)時(shí)，遠(yuǎn)距離射頻卡被讀卡器連續(xù)發(fā)射的電磁問(wèn)詢信號(hào)激活，從而反饋給讀卡器一個(gè)攜帶有感應(yīng)卡號(hào)的應(yīng)答信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)距離射頻卡與讀卡器之間的信號(hào)問(wèn)詢與應(yīng)答，讀卡器能夠準(zhǔn)確快速地識(shí)別遠(yuǎn)距離射頻卡內(nèi)攜帶的號(hào)碼，并將讀取到的遠(yuǎn)距離射頻卡號(hào)和內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照一定的輸出格式輸出給計(jì)算機(jī)、外部控制器或其他終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離射頻卡的識(shí)別。

遠(yuǎn)距離射頻卡采用射頻技術(shù)，穿透能力強(qiáng)，可穿透人的身體，因此卡片可隨身攜帶，不必在感應(yīng)范圍內(nèi)人工取卡去對(duì)準(zhǔn)讀頭；無(wú)方向性，只要物體經(jīng)過(guò)感應(yīng)區(qū)范圍就能讀取到；卡片為被動(dòng)式工作，對(duì)人體無(wú)害，只有當(dāng)卡片在讀卡器感應(yīng)范圍內(nèi)，電子卡才工作，省電高效。

2.2 LANDMARC介紹

本文采用的是LANDMARC定位系統(tǒng)，其受環(huán)境影響小，且系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單。LANDMARC是基于有源RFID動(dòng)態(tài)校驗(yàn)的定位算法，采用固定位置的參考標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行輔助定位。當(dāng)待定位標(biāo)簽位于RFID讀寫器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，獲取其到達(dá)讀寫器的信號(hào)強(qiáng)度。信號(hào)強(qiáng)度與距離具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，LANDMARC定位算法通過(guò)待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度與參考標(biāo)簽發(fā)送到讀寫器的信號(hào)強(qiáng)度做相應(yīng)的計(jì)算，得到兩者的距離關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助定位。其核心思想是采用額外的固定參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度與待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度反映距離信息，依據(jù)“最近鄰居”思想，結(jié)合參考標(biāo)簽的權(quán)值和坐標(biāo)，計(jì)算出待定位標(biāo)簽的位置。

2.3 改進(jìn)的LANDMARC算法

LANDMARC定位算法應(yīng)用于船舶修造密閉艙這一特殊工作環(huán)境下，在某些情況下會(huì)出現(xiàn)偏差。在修造艙中有位置確定的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，在這些確定位置上依次布置好標(biāo)簽作為定位區(qū)域的參考標(biāo)簽．但在實(shí)際的定位實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，作業(yè)人員并不是固定在船艙地面工作，而是工作在三維空間，某些區(qū)域無(wú)法合理的布置參考標(biāo)簽。而傳統(tǒng)的LANDMARC設(shè)計(jì)是應(yīng)用于平面的，因此需將定位模型構(gòu)建在空間中。

考慮到多數(shù)作業(yè)人員會(huì)將標(biāo)簽佩戴于胸前，為了使讀寫器更可靠的讀到人員的標(biāo)簽信息，因此確定天線的安裝位置為距離地面一米的高度處。天線位置確定后，需設(shè)計(jì)參考標(biāo)簽的具體位置。為了適應(yīng)天線安裝的高度，確保算法的精確性，參考標(biāo)簽需要設(shè)定在整個(gè)空間中。但在實(shí)際應(yīng)用中，在整個(gè)空間分布多層標(biāo)簽既不合理，也不可行。傳統(tǒng)的LANDMARC算法是基于信號(hào)強(qiáng)度的，因此為了得到參考標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度信息，參考標(biāo)簽的設(shè)定是必不可少的。在本次設(shè)計(jì)中，將算法依靠的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離，來(lái)解決上述問(wèn)題。

將傳統(tǒng)LANDMARC系統(tǒng)中參考標(biāo)簽的位置用相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)替換，即參考標(biāo)簽的坐標(biāo)為已知的。在已知天線坐標(biāo)的情況下，可求出參考標(biāo)簽到天線的距離。然后通過(guò)獲得待定位標(biāo)簽到天線的距離，用所獲得的所有距離代替信號(hào)強(qiáng)度，其他原理相同，則可以根據(jù)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)以及計(jì)算所得的權(quán)值，計(jì)算得出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。

（1）參考標(biāo)簽到讀寫器的距離

根據(jù)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)，計(jì)算其到讀寫器的距離：

（2）待定位標(biāo)簽到讀寫器的距離

待定位標(biāo)簽到讀寫器的距離為：

（3）參考坐標(biāo)與待定位標(biāo)簽的歐式距離

參考坐標(biāo)jCT和待定位標(biāo)簽iDT之間的歐式距離為：

（4）參考標(biāo)簽的權(quán)值

選取最小的k個(gè)LRE（k<20），組成集合LRE=同時(shí)確定與選出的k個(gè)E相對(duì)LR應(yīng)的參考標(biāo)簽。按照LRE的大小賦予相應(yīng)參考標(biāo)簽在定位過(guò)程中不同的權(quán)值。參考標(biāo)簽的權(quán)值為：

（5）計(jì)算待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)

待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)計(jì)算公式為：

下面要解決的問(wèn)題就是確定待定位標(biāo)簽到天線的距離。現(xiàn)在已知待定位標(biāo)簽到達(dá)讀寫器的信號(hào)強(qiáng)

度，因此只需將接收到的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離，就能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的定位功能。

（6）RSSI測(cè)距

無(wú)線信號(hào)在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)受到多種環(huán)境因素的影響，測(cè)量RSSI時(shí)，模型的選取直接影響測(cè)距的精度。在無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)程中，讀寫器接收到的待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度與兩者之間的距離轉(zhuǎn)換，一般采用的理論模型為漸變模型，為了便于計(jì)算，參考距離一般選擇為1 m。

其中：A為發(fā)射端和接收端相隔1米時(shí)的RSSI；n為環(huán)境衰減因子，與溫度、濕度等環(huán)境相關(guān)；d為當(dāng)前距離。

當(dāng)A和n確定時(shí)，在已知信號(hào)強(qiáng)度的情況下，可知讀寫器與待定位標(biāo)簽之間的距離。

3 作業(yè)人員軌跡定位功能的實(shí)現(xiàn)

作業(yè)人員軌跡分析是依據(jù)人員定位所得的結(jié)果確定的。定位系統(tǒng)主要由讀寫器和天線組成。采用改進(jìn)的LANDMARC算法實(shí)現(xiàn)人員的定位。

3.1 RFID架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)RFID設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于人員行蹤的掌握。在艙室的四個(gè)角分別安裝四個(gè)讀寫器，位置安裝在距離地面一米的地方。參考標(biāo)簽設(shè)定為三層，呈矩形分別擺放在讀寫器上下。使用RFID技術(shù)對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行定位，并記錄不同時(shí)間段內(nèi)，作業(yè)人員的不同坐標(biāo)，將坐標(biāo)與時(shí)間匯總，便可得到人員的行蹤。系統(tǒng)同時(shí)記錄下讀寫器的編號(hào)、人員ID號(hào)和讀寫器狀態(tài)等相關(guān)信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

通過(guò)RFID設(shè)備所獲取的信號(hào)強(qiáng)度信息實(shí)現(xiàn)人員的行蹤定位。因此要實(shí)現(xiàn)人員定位，所需的數(shù)據(jù)包括被定位標(biāo)簽的ID號(hào)，采集數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，不同的天線采集到的信號(hào)強(qiáng)度，和信號(hào)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的天線號(hào)以及經(jīng)過(guò)計(jì)算所得的距離。

在數(shù)據(jù)采集完畢后，系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離，與其他數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)到表相應(yīng)的列中。

3.3 基于改進(jìn)的LANMDARC算法實(shí)現(xiàn)人員定位功能

根據(jù)2.3中得到的測(cè)距模型，測(cè)得天線接收到標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度信息，然后將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離，進(jìn)而應(yīng)用改進(jìn)的LANDMARC算法，對(duì)作業(yè)人員實(shí)現(xiàn)定位功能。

參數(shù)A和n在不同的環(huán)境，具有不同的值。A和n的值決定了接收信號(hào)強(qiáng)度和傳輸距離的關(guān)系，分析這兩個(gè)常數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸距離的影響。在中遠(yuǎn)船舶的舾裝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲得相應(yīng)的參數(shù)值。

根據(jù)擬合程序得A為-45.8，n為2.61。代入測(cè)距模型得：

表1 定位信息表

四個(gè)天線檢測(cè)到標(biāo)簽時(shí)，將獲取的標(biāo)簽ID號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度RSSI和獲取時(shí)間，傳輸?shù)阶x寫器中。在Visual studio2010中將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離，并將轉(zhuǎn)換后的信息，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的表TagInfo中。通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中表TagInfo的Tag_Distance，結(jié)合改進(jìn)后的LANMDARC算法，實(shí)現(xiàn)人員的定位功能。其中將RSSI轉(zhuǎn)換成距離的關(guān)鍵代碼如下：

4 定位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 人員定位測(cè)試

選取中遠(yuǎn)船務(wù)的船舶底邊艙為作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在艙室的四個(gè)角安裝四個(gè)讀寫器，任選10個(gè)位置，作為待定位標(biāo)簽的放置位置。作業(yè)人員攜帶RFID標(biāo)簽，當(dāng)進(jìn)入讀寫器的有效工作范圍內(nèi)時(shí)，標(biāo)簽自動(dòng)將卡內(nèi)儲(chǔ)存的信息和標(biāo)簽的ID號(hào)發(fā)射出去；讀寫器接收標(biāo)簽發(fā)射來(lái)的射頻信號(hào)，內(nèi)部MCU處理并提取信息經(jīng)傳輸線傳送至監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)通過(guò)內(nèi)部設(shè)定軟件和定位算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終由顯示屏顯示艙內(nèi)作業(yè)人員的基本信息、作業(yè)位置、作業(yè)時(shí)間及移動(dòng)軌跡等實(shí)時(shí)信息。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為矩形模型布局下的LANDMARC算法和改進(jìn)的LANDMARC 算法對(duì)選取的10個(gè)待定位標(biāo)簽進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。將兩種算法得到的坐標(biāo)與10個(gè)位置的實(shí)際坐標(biāo)相比較，得出定位誤差比較圖。在底邊艙中，傳統(tǒng)LANDMARC算法的估計(jì)誤差在0.48 m-1.9 m之間，平均誤差為1.29 m。而改進(jìn)的算法，其估計(jì)誤差在0.29 m-1.59 m之間，平均誤差為0.96 m，結(jié)果證明改進(jìn)的LANDMARC算法比傳統(tǒng)LANDMARC算法定位精度有明顯改善。

圖1 種算法的估計(jì)誤差比較

圖2 為L(zhǎng)ANDMARC算法和改進(jìn)的LANDMARC 算法的誤差累積概率分布曲線（CDF）。通過(guò)計(jì)算處于某個(gè)定位精度之上的測(cè)量次數(shù)占總測(cè)量次數(shù)的比例，來(lái)評(píng)價(jià)改進(jìn)算法的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的LANDMARC算法應(yīng)用于空間定位時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。改進(jìn)后的LANDMARC算法的估計(jì)誤差EE在1.5米后趨于穩(wěn)定，定位精度收斂速度相對(duì)較慢，但穩(wěn)定性較好。

圖2 CDF曲線比較

5 結(jié)論

本文針對(duì)船舶修造企業(yè)艙室的特殊工作環(huán)境的安全要求，提出一種以RFID射頻技術(shù)為基礎(chǔ)的人員定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)船上人員的軌跡分布與精準(zhǔn)定位。針對(duì)LANDMARC算法在實(shí)際空間定位中存在一定誤差的問(wèn)題，對(duì)LANDMARC算法進(jìn)行改進(jìn)，使其與RSSI與距離轉(zhuǎn)換模型相結(jié)合，將LANDMARC算法建立在距離的基礎(chǔ)上，用測(cè)試距離代替信號(hào)強(qiáng)度，減少參考標(biāo)簽。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，改進(jìn)的LANDMARC算法具有更高的定位精度，穩(wěn)定性也較好。

[1] 徐昆倫, 王世強(qiáng). 船舶修造密閉艙室作業(yè)危害因素分析及預(yù)防措施[J]. 安全, 2015, 02: 35-38.

[2] 殷紅. 改進(jìn)LANDMARC算法在列檢員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 34(6): 95-100

[3] 董永峰. 基于RFID的虛擬參考標(biāo)簽三維室內(nèi)定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2015, 36(6): 1535-1539.

[4] 汪冬, 葛萬(wàn)成. 基于參考標(biāo)簽可信度和偏差自校正的RFID室內(nèi)定位算法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2014, 34(11): 3170-3172.

Application of Improved LANDMARC Algorithm to Personnel Location on Field Cabin

HUANG Ju
(Nantong science and technology Career Academy, Nantong, Jiangsu 226007)

Aiming at the safety requirements of the special working environment of ship building enterprise cabins, a personnel positioning system based on RFID radio technology is proposed to realize the trajectory distribution and precise positioning of ship personnel. By using the improved LANDMARC algorithm, the traditional LANDMARC algorithm is improved by replacing the RSSI value with distance to solve the problem of spatial localization. The results show that the improved LANDMARC algorithm has higher positioning accuracy and can be used in the tracking and positioning of ship building and confined cabin crews in the experimental environment.

RFID; Cabin personnel positioning; LANDMARC

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.028

南通市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于RFID技術(shù)的軌跡分析考勤系統(tǒng)”(AA2013042)

黃菊(1981-)，女，碩士，講師，研究方向計(jì)算機(jī)軟件與理論、物聯(lián)網(wǎng)。