改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心算法在井下人員定位中的應(yīng)用研究

朱 光

(長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130011)

0 引 言

煤礦產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展給井下人員作業(yè)安全提出了新的要求，人員目標(biāo)的精確定位對(duì)于煤礦安全十分重要，可以幫助管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員出勤情況，對(duì)于緊急事故中的人員快速救援也能夠提供救援方案依據(jù)，及時(shí)減少損失[1]。人員定位是物聯(lián)網(wǎng)研究方向之一，采用礦山物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)人員定位[2-3]。

1 巷道概況

本文以長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)長(zhǎng)嶺煤礦1303回采工作面運(yùn)料巷實(shí)際井下環(huán)境為測(cè)試模擬環(huán)境，1303工作面東部為三采區(qū)膠帶巷(里段)，南臨安城正斷層，西距井田邊界200 m，北部為實(shí)煤體。1303運(yùn)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2 248.657 m(中-中)，巷道為1-1斷面，寬為5.2 m，高為3.2 m，斷面積為16.64 m2。1303運(yùn)巷開口位置位于三采區(qū)膠帶巷(里段)與1303運(yùn)聯(lián)巷立交點(diǎn)風(fēng)橋以北88.247 m(中-中)處西幫，采用機(jī)掘方式進(jìn)行開口。整個(gè)巷道采用錨(錨桿、錨索)、網(wǎng)、梁、槽鋼聯(lián)合進(jìn)行支護(hù)。1303運(yùn)巷沿3#煤層采用底板掘進(jìn)。

1303工作面運(yùn)料巷平面布置如圖1所示。

2 井下人員定位總體方案

煤礦井下工作場(chǎng)所封閉程度高，外界信號(hào)干擾少，信號(hào)頻段選擇范圍廣，無(wú)線定位通信技術(shù)較多，常用的通信技術(shù)有WiFi通信技術(shù)、RFID識(shí)別通信技術(shù)、UWB通信技術(shù)以及ZigBee通信技術(shù)等[4-6]。其通信技術(shù)性能參數(shù)對(duì)比見表1。

圖1 1303工作面運(yùn)料巷平面布置圖

表1 常用無(wú)線傳輸技術(shù)比較

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)其他幾種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗和低成本，其自身具備的自組網(wǎng)性能對(duì)于井下復(fù)雜環(huán)境更加適用。

基于ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)的煤礦井下人員定位數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器，三種設(shè)備在井下人員定位系統(tǒng)中分別稱作定位節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。井下數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 基于改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位技術(shù)

3.1 基于RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度)測(cè)距技術(shù)

基于RSSI的定位是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于封閉環(huán)境的定位技術(shù)，以室內(nèi)與井下應(yīng)用為主[7]。RSSI主要是已知定位節(jié)點(diǎn)發(fā)射出信號(hào)時(shí)的功率以及信號(hào)被接收之后的功率，然后通過(guò)帶入路徑損耗模型公式計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)之間的距離。通過(guò)在井下定位區(qū)域安放固定無(wú)線接入點(diǎn)，依據(jù)相應(yīng)規(guī)則在該區(qū)域選取參考點(diǎn)，當(dāng)參考點(diǎn)接收井下人員攜帶定位儀的信號(hào)強(qiáng)度值(RSSI)滿足各接入點(diǎn)要求時(shí)，搜索全部參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與信號(hào)強(qiáng)度完成映射，進(jìn)而計(jì)算出接收端(參考節(jié)點(diǎn))與發(fā)射端(定位節(jié)點(diǎn))的距離。

通過(guò)采集參考點(diǎn)各無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度形成人員位置信號(hào)強(qiáng)度值，井下巷道環(huán)境復(fù)雜多變，無(wú)線接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值變化頻率高，因此有必要通過(guò)卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行過(guò)濾，使信號(hào)干擾影響降低，增加信號(hào)波形的精確可靠性[8-9]。波形過(guò)濾過(guò)程如圖3所示，對(duì)其突變和隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行了過(guò)濾，濾波處理后的信號(hào)強(qiáng)度值更加平順。

圖2 井下人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 RSSI值的卡爾曼濾波處理

3.2 改進(jìn)RSSI定位算法

本文將路徑損耗(Pass Loss)模型進(jìn)行測(cè)距計(jì)算：P(r0)為已知發(fā)射端(定位節(jié)點(diǎn))發(fā)射到接收端的信號(hào)功率；r0為接收端(參考節(jié)點(diǎn))與發(fā)射端的距離；P(r)為距離發(fā)送端為r處的信號(hào)功率;r為接收端(定位節(jié)點(diǎn))與發(fā)射端的距離，則信號(hào)損耗的表達(dá)式見式(1)。

(1)

式中，β為信號(hào)傳輸路徑的功率損耗系數(shù)取值范圍為2<β<6,具體數(shù)值以專家經(jīng)驗(yàn)取值為準(zhǔn)。

由式(1)可得接收端與發(fā)射端(定位節(jié)點(diǎn))最終距離r的表達(dá)式見式(2)。

(2)

3.3 加權(quán)質(zhì)心定位算法研究

質(zhì)心定位算法的理論依據(jù)：在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，參考節(jié)點(diǎn)以一定的頻率向定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含參考節(jié)點(diǎn)ID及其距離信息的信號(hào)[10-11]。定位節(jié)點(diǎn)記錄所有參考節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)，在經(jīng)過(guò)時(shí)間間隔t后，測(cè)量通信成功率k，根據(jù)定位節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置通信成功率k的閾值。若測(cè)量的k值大于設(shè)定的閾值，就可以認(rèn)為定位節(jié)點(diǎn)處在通信范圍以內(nèi)，即定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間連通，否則不連通。因此，定位節(jié)點(diǎn)位置為所有連通狀態(tài)下參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多邊形的質(zhì)心(圖4)。

圖4 多邊形模型

定位節(jié)點(diǎn)的位置的計(jì)算表達(dá)式見式(3)。

(Xt，Yt)=

(3)

式中：(Xt，Yt)為定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；i為連通狀態(tài)下參考節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)。

通過(guò)測(cè)量參考節(jié)點(diǎn)所接收到的定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度RSSI數(shù)值，來(lái)確定參考節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，權(quán)值越大，代表參考節(jié)點(diǎn)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)的影響越大[12]，加權(quán)質(zhì)心定位算法可以表示為式(4)。

(4)

式中：(Xet，Yet)為定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；N為參考節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)；Wi為權(quán)值，權(quán)值大小受參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的距離影響[13-14]。如果定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)不連通，那么Wi=0。加權(quán)質(zhì)心定位算法提升了質(zhì)心定位算法的定位精度，但對(duì)煤礦井下復(fù)雜多變的環(huán)境還是不能很好地實(shí)現(xiàn)人員的定位，因此本文提出了基于改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位的方法。

3.4 改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法

基于改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法的理論思想，令參考節(jié)點(diǎn)A1(X1,Y1)、A2(X2,Y2)、A3(X3,Y3),定位節(jié)點(diǎn)tgi，設(shè)定參考節(jié)點(diǎn)以一定頻率向網(wǎng)絡(luò)傳輸射頻信號(hào)。通過(guò)式(2)分別計(jì)算出參考節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離。選擇所有與定位節(jié)點(diǎn)連通的參考節(jié)點(diǎn)中，距離定位節(jié)點(diǎn)最近的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為定位算法的定位節(jié)點(diǎn)，分別表示為：rg1、rg2、rg3。分別用其作為圓心，以rg1、rg2、rg3半徑做圓，所得圓兩兩相交，求出圓的交點(diǎn)。然后把交點(diǎn)構(gòu)成三角形，計(jì)算出三角形的質(zhì)心。最后求出質(zhì)心的加權(quán)值確定定位節(jié)點(diǎn)位置，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法模型

以參考節(jié)點(diǎn)A1、A2、A3為圓心，以rg1、rg2、rg3為半徑做圓，得到兩兩相交的三個(gè)圓，計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo)O1、O2、O3,見式(5)。

(5)

式中，(XO1,YO1)為交點(diǎn)O1坐標(biāo)。

由式(6)同理得出O2、O3的坐標(biāo)。

(6)

式中，(Xt，Yt)為ΔO1O2O3的質(zhì)心坐標(biāo)。

4 定位結(jié)果分析

本文以長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)長(zhǎng)嶺煤礦1303回采工作面運(yùn)料巷實(shí)際井下環(huán)境作為研究背景，選取巷道中段部分，取長(zhǎng)、寬、高分別為50 m、3.2 m、5.2 m，延巷道兩側(cè)分別均勻布置5組參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)距離巷道壁距離為0.5 m。

在實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)以巷道寬度為x軸，樓道長(zhǎng)度為y軸，進(jìn)行五組不同實(shí)驗(yàn)，分別利用RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法、改進(jìn)RSSI定位算法、改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值對(duì)比見表2。

從表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的加權(quán)質(zhì)心定位算法對(duì)定位結(jié)果更準(zhǔn)確。

在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真，在一個(gè)100 m×100 m的實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，將100個(gè)參考節(jié)點(diǎn)均勻分布在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，設(shè)置定位節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50個(gè)，分別對(duì)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法與改RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法進(jìn)行300次的仿真實(shí)驗(yàn)，得兩種定位算法誤差對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著定位時(shí)間增長(zhǎng)，兩種定位算法誤差都有不同程度的波動(dòng)。在整個(gè)定位過(guò)程中基于改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法都有更高的定位精度。

表2 定位算法測(cè)量結(jié)果比較

圖6 兩種定位算法誤差對(duì)比結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦井下作業(yè)人員定位技術(shù)進(jìn)行了分析，通過(guò)將人員定位儀信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)距離，并對(duì)RSSI 加權(quán)質(zhì)心定位算法進(jìn)行分析研究，指出其實(shí)際應(yīng)用中不足，同時(shí)提出改進(jìn)RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法，該算法重點(diǎn)從信號(hào)傳播損耗模型上分析信號(hào)強(qiáng)度定位誤差的來(lái)源，解決了因隨機(jī)變量的不確定性影響定位誤差問(wèn)題。通過(guò)定位實(shí)驗(yàn)對(duì)比RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法與改RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法的定位準(zhǔn)確性，結(jié)果表明改RSSI加權(quán)質(zhì)心定位算法的定位誤差明顯減小，定位準(zhǔn)確穩(wěn)定程度更高，能更好滿足井下人員定位要求。