井下精確人員定位系統(tǒng)定位重測機(jī)制研究

唐麗均， 吳畏， 劉世森

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院， 重慶 402260； 2.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院 智能工程學(xué)院， 重慶 401331； 3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

近年來，隨著國家對(duì)煤礦安全的日益重視，保障井下人員生命安全成為煤礦安全的首要任務(wù)。精確人員定位系統(tǒng)[1-3]可及時(shí)掌握井下人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化情況，在很大程度上提高了井下人員作業(yè)安全系數(shù)。

現(xiàn)有精確人員定位系統(tǒng)中，讀卡器采用超幀模式為其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)志卡分配測距時(shí)隙[4-6]，當(dāng)讀卡器與標(biāo)志卡之間的信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，標(biāo)志卡能在固定時(shí)隙里與讀卡器進(jìn)行測距。由于礦井巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在大量懸浮的煤塵、瓦斯及各種設(shè)備的電磁干擾，使得無線信號(hào)在井下傳輸過程中的信號(hào)強(qiáng)度衰減和干擾比在地面?zhèn)鬏敻鼑?yán)重[7-9]，導(dǎo)致讀卡器與標(biāo)志卡之間的信號(hào)強(qiáng)度無法得到保證，從而增加了讀卡器與標(biāo)志卡之間測距失敗的概率。當(dāng)測距失敗后，標(biāo)志卡只能等到下一超幀內(nèi)的固定測距時(shí)隙再次與讀卡器進(jìn)行測距，由于標(biāo)志卡與讀卡器進(jìn)行重新測距的間隔時(shí)間較長，不利于及時(shí)掌控井下人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分布情況。

為解決上述問題，本文提出一種井下精確人員定位系統(tǒng)定位重測機(jī)制。該機(jī)制在標(biāo)志卡測距失敗后使用空閑時(shí)隙進(jìn)行重新測距，可提高標(biāo)志卡的測距成功率，減少讀卡器與標(biāo)志卡進(jìn)行重新測距的延遲時(shí)間。

1 定位重測機(jī)制設(shè)計(jì)

井下精確人員定位系統(tǒng)主要由人員定位服務(wù)器、交換機(jī)、人員管理分站、定位讀卡器和標(biāo)志卡組成，如圖1所示。當(dāng)人員攜帶標(biāo)志卡首次進(jìn)入定位讀卡器覆蓋范圍時(shí)，定位讀卡器采用超幀模式為標(biāo)志卡分配固定的測距時(shí)隙，每張標(biāo)志卡在分配的測距時(shí)隙里與定位讀卡器完成定期測距，定位讀卡器獲取相應(yīng)標(biāo)志卡的位置信息。定位讀卡器將其覆蓋范圍內(nèi)所有標(biāo)志卡的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再將匯總數(shù)據(jù)通過人員管理分站和交換機(jī)上傳至人員定位服務(wù)器。

本文在定位讀卡器為標(biāo)志卡分配測距時(shí)隙的超

圖1 井下精確人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of underground precise personnel positioning system

幀模式中引入一種改進(jìn)的定位重測機(jī)制，用于減少標(biāo)志卡測距失敗時(shí)的重新測距等待時(shí)間。井下精確人員定位系統(tǒng)定位重測機(jī)制原理如圖2所示。

(a) 測距失敗

(b) 第1次重測成功

(c) 第2次重測成功

(d) 重測失敗

(e) 競爭空閑時(shí)隙

假設(shè)定位讀卡器與標(biāo)志卡A測距失敗，如圖2(a)所示，在下一時(shí)隙，標(biāo)志卡A重新發(fā)送測距信號(hào)，如存在空閑時(shí)隙，讀卡器將該空閑時(shí)隙臨時(shí)分配給標(biāo)志卡A，在該時(shí)隙里再次與標(biāo)志卡A進(jìn)行測距，如測距成功，則收回該時(shí)隙，如圖2(b)所示；如測距仍失敗，則根據(jù)設(shè)置的單超幀最大重測次數(shù)，標(biāo)志卡確定是否繼續(xù)進(jìn)行重新測距，如未超過最大重測次數(shù)限制，則繼續(xù)重測直至重測成功，如圖2(c)所示，否則停止重測，如圖2(d)所示。當(dāng)多個(gè)標(biāo)志卡都需重新測距時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)競爭1個(gè)空閑時(shí)隙的情況，如圖2(e)所示，這時(shí)根據(jù)標(biāo)志卡的重測優(yōu)先級(jí)將當(dāng)前空閑時(shí)隙分配給相應(yīng)的標(biāo)志卡。

2 定位重測機(jī)制實(shí)現(xiàn)

2.1 定位重測機(jī)制的分析模型

在定位重測機(jī)制中，為了避免多個(gè)標(biāo)志卡搶占空閑時(shí)隙進(jìn)行重測導(dǎo)致無序競爭，讀卡器根據(jù)覆蓋區(qū)域內(nèi)標(biāo)志卡平均測距成功率、平均重測延時(shí)及平均時(shí)隙利用率來對(duì)重測標(biāo)志卡確定優(yōu)先級(jí)，從而根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行空閑時(shí)隙重測分配。為了能更加直接體現(xiàn)各標(biāo)志卡重測條件的差異，本定位重測機(jī)制以各標(biāo)志卡的累計(jì)重測次數(shù)、信號(hào)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度替代平均測距成功率、平均重測延時(shí)及平均時(shí)隙利用率來計(jì)算各標(biāo)志卡搶占空閑時(shí)隙的重測優(yōu)先級(jí)。

通過層次分析法建立定位重測機(jī)制的分析模型[10-13]，確定標(biāo)志卡的累計(jì)重測次數(shù)、信號(hào)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度在重測優(yōu)先級(jí)中所占權(quán)重，如圖3所示。

圖3 定位重測機(jī)制的分析模型Fig.3 Analysis model of positioning re-measurement mechanism

根據(jù)定位重測機(jī)制的分析模型，按以下流程計(jì)算標(biāo)志卡的重測優(yōu)先級(jí)。

(1) 構(gòu)建方案層的累計(jì)重測次數(shù)因素S1、信號(hào)強(qiáng)度因素S2、運(yùn)動(dòng)速度因素S3對(duì)于準(zhǔn)則層判斷矩陣Tj。

(1)

式中tij為Si與Sj相對(duì)平均測距成功率的重要性之比，tij>0，tji=1/tij，tii=1，i，j=1，2，3。

(2) 獲取判斷矩陣Tj的最大特征值λmax及特征向量Wj。

(2)

(3)

(4)

(3) 為了確保特征向量的不一致性程度在容許范圍內(nèi)，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

Xi=λmax-r/r-1

(5)

Yi=Xi/Zi

(6)

式中：Xi為一致性指標(biāo)；Yi為一致性比率，當(dāng)Yi<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性；Zi為隨機(jī)平均一致性指標(biāo)，當(dāng)r=3時(shí)，Zi=0.58。

(5) 當(dāng)平均測距成功率、平均重測延時(shí)及平均時(shí)隙利用率在重測優(yōu)先級(jí)中所占權(quán)重確定之后，對(duì)其一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。分別計(jì)算平均測距成功率、平均重測延時(shí)及平均時(shí)隙利用率對(duì)于方案層一致性指標(biāo)X1,X2，X3，同時(shí)得到其隨機(jī)平均一致性指標(biāo)Z1，Z2，Z3，分別計(jì)算總體一致性指標(biāo)X及總體隨機(jī)平均一致性指標(biāo)Z。

(7)

(8)

計(jì)算總體一致性比率Y,Y=X/Z，當(dāng)Y<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。

(6) 按照步驟(1)—(5)分別獲得累計(jì)重測次數(shù)、信號(hào)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度在重測優(yōu)先級(jí)中所占權(quán)重(h1,h2,h3)。

(7) 計(jì)算標(biāo)志卡的重測優(yōu)先級(jí)Ck。

Ck=Lkh1+Pkh2+Vkh3

(9)

式中：Lk為歸一化后的累計(jì)重測次數(shù)，該參數(shù)值越大，表示標(biāo)志卡所處位置的環(huán)境越惡劣，重測優(yōu)先級(jí)越高；Pk為歸一化后的信號(hào)強(qiáng)度，該參數(shù)值越大，表示標(biāo)志卡重測成功率越高，重測優(yōu)先級(jí)越高；Vk為歸一化后的運(yùn)動(dòng)速度，該參數(shù)值越大，表示在相同時(shí)間內(nèi)，標(biāo)志卡的測距值變化越大，對(duì)延時(shí)要求越高，重測優(yōu)先級(jí)也就越高。

(8) 生成標(biāo)志卡的重測集合C。

C={C1,C2,…,Cm}

(10)

式中m為標(biāo)志卡總數(shù)。

2.2 定位重測機(jī)制流程

(1) 初始化相關(guān)參數(shù)。配置超幀的測距時(shí)隙總數(shù)、單超幀最大重測次數(shù)、層次分析法的判斷矩陣。

(2) 獲取標(biāo)志卡的重測集合。計(jì)算平均時(shí)隙利用率、平均測距成功率及平均重測延時(shí)在重測優(yōu)先級(jí)中所占權(quán)重；獲取各標(biāo)志卡的Lk,Pk,Vk，計(jì)算標(biāo)志卡的重測優(yōu)先值Ck，生成標(biāo)志卡的重測集合C。

(3) 重新測距。當(dāng)標(biāo)志卡測距失敗時(shí)，讀卡器分配空閑時(shí)隙用于重測；當(dāng)多張標(biāo)志卡均要搶占該時(shí)隙進(jìn)行重測，則將該時(shí)隙分配給優(yōu)先級(jí)最高的標(biāo)志卡，其余標(biāo)志卡則認(rèn)為重測失?。蝗绻販y仍失敗，且該標(biāo)志卡在本超幀內(nèi)的重測次數(shù)不超過單超幀最大重測次數(shù)，則繼續(xù)重新測距，否則標(biāo)志卡在本超幀內(nèi)的重測結(jié)束。

(4) 如標(biāo)志卡未離開讀卡器覆蓋區(qū)域，則獲取標(biāo)志卡的重測集合，否則，重測結(jié)束。

3 測試驗(yàn)證

在黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司某煤礦搭建精確人員定位系統(tǒng)，對(duì)定位重測機(jī)制的性能進(jìn)行驗(yàn)證。定位系統(tǒng)包括1臺(tái)測試電腦、1個(gè)定位讀卡器、100張標(biāo)志卡，測試參數(shù)見表1。

表1 測試參數(shù)Table 1 Test parameters

邀請專家根據(jù)影響井下精確人員定位系統(tǒng)無線通信的因素及各因素之間的關(guān)系[14-15]，對(duì)各因素進(jìn)行打分，以確定判斷矩陣，并通過一致性檢驗(yàn)。

準(zhǔn)則層-目標(biāo)層的判斷矩陣見表2。通信可靠性是無線通信的重要指標(biāo)，通過提高平均測距成功率可提升定位系統(tǒng)無線通信的可靠性，因此平均測距成功率相對(duì)重測優(yōu)先級(jí)的重要性高于平均重測延時(shí)和平均時(shí)隙利用率;降低平均重測延時(shí)可提升定位系統(tǒng)無線通信的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性對(duì)定位系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測人員運(yùn)動(dòng)軌跡的性能有較大影響，相對(duì)重測優(yōu)先級(jí)的重要性次于平均測距成功率，高于平均時(shí)隙利用率；提高平均時(shí)隙利用率可改善定位系統(tǒng)無線通信的QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)，重要性最低。

表2 準(zhǔn)則層-目標(biāo)層的判斷矩陣Table 2 Criterion layer-target layer judgment matrix

平均測距成功率-方案層的判斷矩陣見表3。信號(hào)強(qiáng)度直接影響讀卡器與標(biāo)志卡的通信是否成功，對(duì)平均測距成功率影響最大，因此其相對(duì)平均測距成功率的重要性高于累計(jì)重測次數(shù)和運(yùn)動(dòng)速度；累計(jì)重測次數(shù)間接反映標(biāo)志卡與讀卡器通信質(zhì)量，其相對(duì)平均測距成功率的重要性次于信號(hào)強(qiáng)度，高于運(yùn)動(dòng)速度；運(yùn)動(dòng)速度對(duì)平均測距成功率影響很小，其重要性最低。

表3 平均測距成功率-方案層的判斷矩陣Table 3 Average measurement success rate-schematic layer judgment matrix

平均重測延時(shí)-方案層的判斷矩陣見表4。累計(jì)重測次數(shù)越多，會(huì)直接增加平均重測延時(shí)，因此累計(jì)重測次數(shù)相對(duì)平均重測延時(shí)的重要性高于運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)強(qiáng)度；標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)速度越快，相同時(shí)間內(nèi)標(biāo)志卡位置變化越大，監(jiān)測到快速移動(dòng)的軌跡點(diǎn)所需平均重測延時(shí)越短，運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)平均重測延時(shí)的重要性次于累計(jì)重測次數(shù)，高于信號(hào)強(qiáng)度；信號(hào)強(qiáng)度間接影響平均重測延時(shí)，其重要性最低。

表4 平均重測延時(shí)-方案層的判斷矩陣Table 4 Average re-measurement delay-schematic layer judgment matrix

平均時(shí)隙利用率-方案層的判斷矩陣見表5。跟蹤快速運(yùn)動(dòng)標(biāo)志卡的完整軌跡需要保證足夠多的成功測距點(diǎn)，則需要占用更多的時(shí)隙來確保重測成功，因此運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)平均時(shí)隙利用率的重要性高于累計(jì)重測次數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度；累計(jì)重測次數(shù)越多，累計(jì)占用的時(shí)隙也越多，對(duì)平均時(shí)隙利用率的影響越大，累計(jì)重測次數(shù)相對(duì)平均時(shí)隙利用率的重要性次于運(yùn)動(dòng)速度，高于信號(hào)強(qiáng)度；信號(hào)強(qiáng)度間接影響平均時(shí)隙利用率，其重要性最低。

表5 平均時(shí)隙利用率-方案層的判斷矩陣Table 5 Average slot utilization-schematic layer judgment matrix

有無定位重測機(jī)制下井下精確人員定位系統(tǒng)平均時(shí)隙利用率、平均測距成功率和平均重測延時(shí)的對(duì)比如圖4—圖6所示。

圖4 平均時(shí)隙利用率Fig.4 Average slot utilization

圖5 平均測距成功率Fig.5 Average measurement success rate

圖6 平均重測延時(shí)Fig.6 Average re-measurement delay

從圖4可看出，當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量少于70張時(shí)，定位重測機(jī)制能提高平均時(shí)隙利用率20%～25%;但當(dāng)標(biāo)識(shí)卡數(shù)量超過70張后，定位重測機(jī)制平均時(shí)隙利用率提高幅度低于20%。從圖5可看出，當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量少于70張時(shí)，定位重測機(jī)制能提高平均測距成功率10%～20%；當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量超過70張后，定位重測機(jī)制平均測距成功率提高幅度低于10%。從圖6可看出，當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量少于70張時(shí)，定位重測機(jī)制能使平均重測延時(shí)從2.6～2.9 s降低到0.05～1 s；當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量超過70張后，平均重測延時(shí)從2.6～3 s只能降低到1.4～2.8 s。

無定位重測機(jī)制的標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。可看出標(biāo)志卡A在16，36 s這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)處測距失敗，標(biāo)志卡B在8，16，28，30 s這4個(gè)時(shí)間點(diǎn)處測距失敗，導(dǎo)致標(biāo)志卡的運(yùn)動(dòng)軌跡不連續(xù)。有定位重測機(jī)制的標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。可看出標(biāo)志卡B在4個(gè)測距失敗時(shí)間點(diǎn)處重測均成功，其運(yùn)動(dòng)軌跡在全時(shí)段內(nèi)均連續(xù)；標(biāo)志卡A在16 s處重測失敗，因?yàn)樵谠摃r(shí)間點(diǎn)，標(biāo)志卡A的重測優(yōu)先級(jí)低于標(biāo)志卡B，但在36 s處重測成功，其在16～38 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡未出現(xiàn)中斷。

圖7 無定位重測機(jī)制的標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 The trajectory of flag card without positioning and re-measurement mechanism

圖8 有定位重測機(jī)制的標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 The trajectory of marker card with positioning and re-measurement mechanism

4 結(jié)論

(1) 提出了標(biāo)志卡在測距失敗后利用空閑時(shí)隙進(jìn)行重新測距的井下精確人員定位系統(tǒng)定位重測機(jī)制，并采用層次分析法根據(jù)標(biāo)志卡的累計(jì)重測次數(shù)、信號(hào)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算標(biāo)志卡的重測優(yōu)先級(jí)。

(2) 定位讀卡器根據(jù)標(biāo)志卡的重測優(yōu)先級(jí)為標(biāo)志卡分配重測時(shí)隙，重測優(yōu)先級(jí)高的標(biāo)志卡優(yōu)先進(jìn)行重測。測試結(jié)果表明，當(dāng)標(biāo)志卡數(shù)量少于70張時(shí)，定位重測機(jī)制能提高井下精確人員定位系統(tǒng)的平均測距成功率、降低平均重測延時(shí)、提升平均時(shí)隙利用率，從而能實(shí)時(shí)監(jiān)測到不間斷的標(biāo)志卡運(yùn)動(dòng)軌跡。