基于改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心的井下定位算法研究

莫樹(shù)培 陳 明

（貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書(shū)與信息中心，貴州 貴陽(yáng) 550000）

國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)要求越來(lái)越高，而井下作業(yè)人員安全，關(guān)系煤礦安全生產(chǎn)保障能力。目前部分國(guó)有大中型煤礦開(kāi)始建設(shè)有線無(wú)線一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行井下信息傳輸，而井下人員無(wú)線定位可以在不增加設(shè)備的情況下得以實(shí)現(xiàn)。

無(wú)線定位算法主要有K近鄰算法、質(zhì)心算法和加權(quán)質(zhì)心算法等。其中K近鄰算法是通過(guò)計(jì)算找出最近K個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行估算待測(cè)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)定位，但定位精度不高；質(zhì)心算法通過(guò)計(jì)算找出3個(gè)最近參考點(diǎn)估算待測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行定位，其計(jì)算速度快，但定位效果不好；加權(quán)質(zhì)心算法通過(guò)設(shè)置加權(quán)值提升網(wǎng)絡(luò)中的信息利用率，提高定位精度，但在井下復(fù)雜的電磁環(huán)境中，會(huì)干擾有用信息從而影響到定位精度。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心井下定位算法，試驗(yàn)表明，在模擬井下環(huán)境中該算法提高定位精度。

1 加權(quán)質(zhì)心定位算法

質(zhì)心定位算法是通過(guò)建立距離d與RSSI的關(guān)系模型，已知3個(gè)AP節(jié)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)的距離，就可以計(jì)算出帶測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

因井下巷道只考慮二維平面，設(shè)3個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為 A(xa，ya), B(xb，yb), C(xc，yc)；質(zhì)心定位算法計(jì)算公式為：

式中xh，yh為待測(cè)點(diǎn)H的坐標(biāo)位置。質(zhì)心定位算法模型如圖1所示。

圖1 質(zhì)心定位算法模型

質(zhì)心定位算法定位精度不高，因此有學(xué)者提出加權(quán)質(zhì)心定位算法。該算法是用加權(quán)值表示AP節(jié)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)之間的關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)是間距越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的加權(quán)值越小，間距越近的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的加權(quán)值越大。加權(quán)質(zhì)心定位算法計(jì)算公式為：

式 中，1/(ra+rb)，1/(rb+rc)，1/(ra+rc)為 節(jié) 點(diǎn)ABC的加權(quán)值。

2 改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法

加權(quán)質(zhì)心定位算法的加權(quán)值有不合理之處，如ra和rb值較大將會(huì)在加權(quán)值中起到很大比重，使得較小值rc對(duì)應(yīng)加權(quán)值比重較小，從而違背加權(quán)質(zhì)心定位算法原本的思想。

本文利用信號(hào)強(qiáng)度信息RSSI的差值之比，改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法。具體來(lái)說(shuō)是帶測(cè)點(diǎn)通過(guò)歐式距離計(jì)算出最近的3個(gè)AP節(jié)點(diǎn)A、B、C，再利用接收到3個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的RSSI值，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)RSSI之差，用其差值計(jì)算出加權(quán)值。改進(jìn)后的算法能很好地實(shí)現(xiàn)，間距越近的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值較大，間距越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)加權(quán)值較小。

假 設(shè)ABC的RSSI值 為RSSIa、RSSIb、RSSIc，其ABC點(diǎn)的RSSI值差為：

由式（5）～（7）得到改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法公式為：

式 中，1/(ΔRa+ΔRb)，1/(ΔRb+ΔRc)，1/(ΔRa+ΔRc)為節(jié)點(diǎn)ABC的加權(quán)值。

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)場(chǎng)地在貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)樓負(fù)二層地下停車場(chǎng)進(jìn)行，選取150m×4m的試驗(yàn)區(qū)域模擬井下巷道環(huán)境。負(fù)二層地下停車場(chǎng)因未啟用，在場(chǎng)地內(nèi)沒(méi)有其他電磁信息，利用電磁干擾器模擬井下機(jī)電設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，完全可以模擬井下工作環(huán)境。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安裝7個(gè)AP終端間距在25m內(nèi)，可滿足600m2無(wú)線信號(hào)全覆蓋。選用終端設(shè)備為華為Mate10手機(jī)，利用Java在安卓系統(tǒng)上編寫程序，其程序主要功能為掃描無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接收該掃描點(diǎn)處的各個(gè)AP節(jié)點(diǎn)RSSI值、MAC地址和IP地址，并將這些信息發(fā)送到服務(wù)器，并接收服務(wù)器通過(guò)改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法計(jì)算出定位信息，在手機(jī)的電子地圖上顯示其所在具體位置坐標(biāo)。

定位流程：先搭建好無(wú)線局域網(wǎng)，把7個(gè)AP終端分別放在間距在25m的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，記錄其AP終端的IP地址、MAC地址和坐標(biāo)位置，存入服務(wù)器中；再適當(dāng)位置安放4個(gè)電磁干擾器，完成模擬搭建煤礦井下巷道的試驗(yàn)環(huán)境。

由測(cè)試人員帶著定位終端從起點(diǎn)（0，0）處開(kāi)始隨機(jī)勻速移動(dòng)到終點(diǎn)（4，150），通過(guò)改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法實(shí)時(shí)把測(cè)試人員的位置計(jì)算出來(lái)。通過(guò)測(cè)試，定位終端得到29個(gè)帶測(cè)點(diǎn)有效定位信息。

為檢測(cè)定位算法的性能，將得到帶測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)用質(zhì)心定位算法、加權(quán)質(zhì)心定位算法和改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法進(jìn)行定位計(jì)算，得到算法定位對(duì)比如圖2所示。

圖2 算法定位對(duì)比圖

由圖2可知質(zhì)心定位算法定位誤差較大，加權(quán)質(zhì)心定位算法比質(zhì)心定位算法定位效果好，而改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心定位算法定位效果最好。具體定位算法定位平均誤差值如表1所示。

表1 算法定位平均誤差

從表1中可看出，本文算法定位平均誤差在2.15m，比質(zhì)心定位算法定位精度提高51.36%，比質(zhì)心定位算法定位精度提高34.45%。

4 結(jié)論

針對(duì)煤礦井下無(wú)線定位算法的不足，將加權(quán)質(zhì)心定位算法中加權(quán)值進(jìn)行改進(jìn)，把AP節(jié)點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)距離改進(jìn)為RSSI的差值進(jìn)行計(jì)算出加權(quán)值，改進(jìn)后的算法定位效果較好。本文提出基于改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心井下定位算法，通過(guò)試驗(yàn)表明，在模擬井下環(huán)境中該算法定位精度比加權(quán)質(zhì)心定位算法提高了34.45%，所以該算法定位更適合煤礦井下人員定位。