基于WSN 的多金屬礦井下人機定位系統(tǒng)設計

杜富瑞 陳國良 谷寶平 祝代偉 戰(zhàn) 凱 張元生

(1.礦冶科技集團有限公司,北京 100160;2.金屬礦山智能開采技術北京市重點實驗室,北京 100160;3.西藏華泰龍礦業(yè)開發(fā)有限公司,西藏 拉薩 850000)

礦業(yè)為工業(yè)和農(nóng)業(yè)提供了源源不斷的原材料和輔助材料,是現(xiàn)代化經(jīng)濟體系中不可替代的基礎產(chǎn)業(yè)[1],是我國國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展與國家安全的重要支柱。隨著各種礦產(chǎn)資源因經(jīng)濟發(fā)展而不斷消耗,深井開采及高海拔開采是未來資源開采的發(fā)展方向。在深井開采及高海拔礦山開采過程中,面臨高地應力、高溫、缺氧等復雜危險環(huán)境,實時獲取井下人員及車輛的高精度位置信息,是實現(xiàn)井下人員日常考勤、危險區(qū)域預警、災后救援規(guī)劃、人機運動軌跡跟蹤的必要條件。礦山井下人員及車輛高精度定位系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)的重要基礎[2]。傳統(tǒng)的受限空間人機定位系統(tǒng)中,主要是利用射頻識別(RFID)或紫峰(ZIGBEE)技術[3-4]。在射頻識別定位系統(tǒng)中,主要是通過在井口、岔路口、采場等場所安裝射頻識別卡,實現(xiàn)對井下人員統(tǒng)計及運動軌跡的跟蹤;紫峰定位系統(tǒng)是利用布設在巷道兩側、人員隨身佩戴及安裝在移動裝備上的通信節(jié)點組網(wǎng)實現(xiàn)人員和裝備的定位及軌跡跟蹤。紫峰定位系統(tǒng)適用于短距離和低速率下的定位,具有傳輸帶寬低、抗干擾性差、信號衰減快、系統(tǒng)響應不高的不足。本研究結合中國黃金華泰龍多金屬礦的特殊工程背景,利用超寬帶通信技術(UWB)、大數(shù)據(jù)(BIG DATA)、高精度地圖(GIS)技術,搭建了井下人機定位無線傳感器網(wǎng)絡,實現(xiàn)了井下人員及車輛高精度位置信息的實時感知。基于實時位置信息,實現(xiàn)了華泰龍井下人員考勤、運動軌跡跟蹤、安全區(qū)域管控。同時,將人機實時位置信息數(shù)據(jù)流與礦山生產(chǎn)大數(shù)據(jù)流有機融合,為行為管控、車輛無人駕駛和科學調(diào)度等礦山智能化建設提供實時高效的數(shù)據(jù)支撐。

1 基于超寬帶通信技術的無線傳感器網(wǎng)絡

超寬帶通信技術(UWB)是由美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)范的可免授權使用的無線通信技術[5],可以為停車場、地下金屬礦巷道、圖書館、大型物流存儲倉庫等密閉受限空間提供高精度定位服務。超寬帶通信技術工作頻帶范圍為3.1 ～10.6 GHz,與現(xiàn)有無線電帶寬資源互不沖突,且信號帶寬可達1 GHz。由于UWB 是通過不基于載波的ns 至μs 級的非正弦波窄脈沖實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,具備功耗低、輻射小、傳輸速率高、抗干擾能力強、功率譜密度低等諸多優(yōu)良技術特性。

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的核心組成部分,融合了智能感知、微電子及網(wǎng)絡通訊等多項先進技術[6]。WSN 由大量靜止或移動的傳感器節(jié)點構成,它們以無線通信的方式自組成一個多跳的無線網(wǎng)絡,在此網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)信息的感知、采集、處理及傳輸?shù)裙ぷ鱗7]。WSN 主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點及管理節(jié)點組成,傳感器節(jié)點負責感知空間環(huán)境信息(位置、溫濕度、振動、音視頻等),并將感知信息實時傳送給匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點接收由傳感器節(jié)點發(fā)來的信息后,將信息進行篩選、分類、歸集并轉發(fā)至管理節(jié)點;管理節(jié)點接收匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)信息,與后臺高精度地圖進行融合并展示。

將UWB 模組嵌入到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中,構成UWB 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。UWB 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點其主要由感知單元、處理單元、UWB 通信單元及能量單元構成。UWB 傳感器節(jié)點結構如圖1所示。

圖1 UWB 傳感器節(jié)點Fig.1 UWB sensor node

UWB 通信單元的作用是負責無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的外發(fā)與接收,可根據(jù)具體工作任務進行功能單元的裁剪與移植。UWB 無線傳感器網(wǎng)絡工作時,按照“傳感器節(jié)點—匯聚節(jié)點—管理節(jié)點”的順序進行雙工數(shù)據(jù)傳輸。融合UWB 的無載波通信及WSN的動態(tài)路由技術與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡相比,具有功耗低、傳輸速率高、網(wǎng)絡動態(tài)自組織、容錯性強等優(yōu)點。典型的UWB 無線傳感器網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 UWB 無線傳感器網(wǎng)絡Fig.2 UWB wireless sensor networks

2 人機定位系統(tǒng)組成及定位方法

2.1 系統(tǒng)架構

綜合運用UWB 超寬帶通信、高速工業(yè)以太網(wǎng)絡、井下高精度地圖及計算機三維展示技術,構建華泰龍多金屬礦井下人員及車輛定位系統(tǒng)。人機定位系統(tǒng)主要由地面控制中心、高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、UWB井下無線傳感器定位網(wǎng)絡組成,井下人機定位系統(tǒng)架構如圖3所示。作為無線傳感器人機定位網(wǎng)絡的管理節(jié)點,地面控制中心由數(shù)據(jù)服務器、客戶端、GIS 融合展示平臺組成,通過收取井下無線傳感器定位網(wǎng)絡發(fā)來的定位信息,將信息進行歸集、分析處理并與GIS 平臺融合展示;高速工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)是數(shù)據(jù)傳輸鏈路,將人機時空定位信息傳送至地面控制中心;UWB井下無線傳感器定位網(wǎng)絡主要包括作為匯聚節(jié)點使用的固定于巷道兩側的定位基站以及作為傳感器節(jié)點的人員隨身攜帶及固定于車輛上的人機定位節(jié)點。

圖3 井下人機定位系統(tǒng)架構Fig.3 Underground personnel and vehicle positioning system architecture

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)及有線與無線耦合技術,整個網(wǎng)絡分為三級拓撲。地表千兆光纖以太環(huán)網(wǎng)為第一級有線拓撲網(wǎng)絡,聯(lián)接地表定位展示平臺、核心交換機及數(shù)據(jù)服務器;井下千兆光纖以太環(huán)網(wǎng)為第二級有線拓撲網(wǎng)絡,聯(lián)接井下定位基站及各自動化控制子系統(tǒng),具體布置方式為威樂4532 中段—威樂4479 中段—威樂4508 中段—銅山4560 中段—銅山4585 中段—銅山4610 中段—4610 中段斜坡道—威樂4532 中段;人員及運動車輛構成第三級無線拓撲網(wǎng)絡,通過配置UWB 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)與第二級網(wǎng)絡中的定位基站數(shù)據(jù)互傳。該網(wǎng)絡拓撲架構采用有線+無線的方式,具有延展性強、魯棒性好、可靠性高的特點,可有效適應井下惡劣的工作環(huán)境。

通過建立基于GIS 技術的井下高精度地圖,將井下人員及運動車輛活動區(qū)域坐標化。分布于井下監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的人員及運動車輛傳感器節(jié)點,利用UWB無線收發(fā)裝置實時將包含位置坐標、身份ID 的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡內(nèi)的其他節(jié)點以多跳轉發(fā)的方式發(fā)送到匯聚節(jié)點,匯聚節(jié)點將接收到的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息通過有線光纖網(wǎng)絡傳輸至地面控制中心的管理節(jié)點。地面控制中心管理節(jié)點對接收數(shù)據(jù)進行清洗校正、聚類統(tǒng)計、高精度地圖GIS 平臺融合,從而展示井下人員及車輛的時空分布,監(jiān)控人員及車輛的運動軌跡,實現(xiàn)井下人員及車輛的高精度實時定位。

2.2 定位模型及方法

無線傳感器網(wǎng)絡定位是利用WSN 中已知節(jié)點的位置信息,通過定位模型解算出網(wǎng)絡中未知節(jié)點的位置信息[8]。在井下無線傳感器網(wǎng)絡中,固定于巷道兩側的定位基站位置信息已知,稱為錨節(jié)點;人員及車輛傳感器節(jié)點位置信息未知,稱為傳感器節(jié)點。要確定節(jié)點的位置信息,首先應獲取錨節(jié)點與傳感器節(jié)點之間的距離信息?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點測距方法主要有信號強度測距法(RSSI)、到達時間差(TDOA)、到達角度(AOA)、到達時間(TOA)等方法[9-10]。

在各類測距方法中,RSSI 測距方法依賴信道參數(shù)模型和定位基站至傳感器節(jié)點的距離,且不能充分利用UWB 的大帶寬特性;AOA 需配置專門的天線陣列,不適合狹窄井下人機定位環(huán)境;TDOA 測距方法需要保證所有基站之間嚴格的時鐘同步,這需要增加額外的硬件設備和算法開銷?；赨WB 無線通信具有高帶寬、時間分辨率高的特性,選擇TOA 測距方法。

圖4所示為TOA 測距方法的測距流程,信號由傳感器節(jié)點發(fā)起,在t0時刻向基站節(jié)點發(fā)送通信請求信息幀F(xiàn)rame1,基站節(jié)點t1時刻接收到信息幀;基站節(jié)點經(jīng)過Tdelay1時長延時后在t2時刻向傳感器節(jié)點發(fā)送回傳信息幀F(xiàn)rame2,傳感器節(jié)點在t3時刻接收到信息幀。傳感器節(jié)點經(jīng)Tdelay2時長延時后在t4時刻向基站節(jié)點發(fā)送Frame3 信息幀,基站節(jié)點在t5時刻接收到信息幀。有如下計算公式:

圖4 TOA 測距流程Fig.4 TOA ranging process

式中,TF為電磁波在傳感器節(jié)點與基站節(jié)點之間的飛行耗時測量值。

井下受限空間受巷道結構、生產(chǎn)設備、環(huán)境粉塵等影響,有著不同于地面空曠環(huán)境的復雜性和特殊性。在實際無線傳感器網(wǎng)絡測距過程中,存在非視距時延、多址干擾、多徑效應等現(xiàn)象,影響測距精度。為了降低噪聲、提高測距精度,利用卡爾曼濾波(Kalman filtering)對測距數(shù)據(jù)進行處理?？柭鼮V波利用某一時刻測量值和上一時刻估計值來預測當前值,具有良好的動態(tài)跟蹤定位的效果,遞歸計算復雜度低[11-12]。

對于井下無線傳感器網(wǎng)絡定位,傳感器節(jié)點的坐標(x,y)和速度是狀態(tài)變量,設定狀態(tài)向量Xk=[xk,vxk,yk,vyk,Ttrk,vΔk]T。其中,(xk,yk)是傳感器節(jié)點的坐標,(vxk,vyk)是傳感器節(jié)點的速度。卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和觀測方程分別為

式中,Xk為k時刻系統(tǒng)狀態(tài)的估計值;F、G分別表示狀態(tài)轉換矩陣和噪聲耦合矩陣;H為測量轉換矩陣,H=[1,0],Mk為均值為0、協(xié)方差為Qk服從獨立多元正態(tài)分布的過程噪聲,Qk～cov(Mk);Nk為均值0、協(xié)方差Rk服從獨立多元正態(tài)分布的觀測噪聲,Rk～cov(Nk)。

其標準卡爾曼濾波過程為

式中,Pk,k-1和Pk為預測協(xié)方差矩陣;I為單位矩陣;Kk為卡爾曼增益矩陣;Rk為觀測噪聲協(xié)方差矩陣。

由增益矩陣可知,當Rk噪聲增大,卡爾曼增益Kk相應減小。根據(jù)觀測方程(5),Nk=Zk-HXk,Nk的協(xié)方差矩陣Rk=HPk,k-1HT。若基站與傳感器節(jié)點之間不存在遮擋、電磁波直線傳播,Nk服從均值為零的高斯分布;但井下實際環(huán)境中遮擋物較多,受多徑效應和非視距因素影響較大,Nk服從均值Nk=Zk-dk的高斯分布;dk為基站節(jié)點與傳感器節(jié)點之間距離的實際測量值。

3 功能實現(xiàn)

利用井下高精度地圖及計算機三維展示技術,搭建華泰龍多金屬礦井下人員及車輛定位系統(tǒng),主要功能如下。

(1)監(jiān)測井下人員及車輛的時空分布。在地面控制中心利用3D GIS 平臺實時動態(tài)顯示作業(yè)人員及車輛分布情況,統(tǒng)計作業(yè)人員及車輛數(shù)量,監(jiān)測各作業(yè)面人員及車輛的數(shù)量,展示人員及車輛的所在位置及運動方向(圖5)。

圖5 人員及車輛實時位置Fig.5 Real-time location of personnel and vehicle

(2) 查詢及預警。人員及車輛位置歷史軌跡查詢,人員考勤、特種作業(yè)人員行進路線查詢,人員進入重點區(qū)域及人員超時、區(qū)域超員及缺員預警。

(3)設備狀態(tài)在線自診斷。系統(tǒng)設備具有在線自診斷功能,可以實時收集設備狀態(tài)信息并上傳,主要包括基站工作狀態(tài)(正常、故障)、工作位置、MAC地址及供電狀態(tài)等信息。

4 結 語

金屬礦山井下巷道結構復雜、人員車輛流動性大、障礙物多,基于無線傳感器網(wǎng)絡模型構建了華泰龍多金屬礦井下人員車輛定位系統(tǒng)。系統(tǒng)利用超寬帶通信和卡爾曼濾波實現(xiàn)了基站節(jié)點和傳感器節(jié)點之間距離信息的精確感知,基于距離信息及井下高精度地圖,實現(xiàn)了人員及車輛位置信息的精確測定。系統(tǒng)可實現(xiàn)人員及車輛位置信息實時感知、歷史軌跡查詢及設備狀態(tài)在線監(jiān)測。結合礦山大數(shù)據(jù)分析、礦山智能調(diào)度系統(tǒng)及井下環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng),可以實現(xiàn)危險區(qū)域管控、安全預警及應急快速救援。