郭 東

（晉煤集團(tuán)寺河礦，山西晉城 048200）

0 引言

目前礦井常采用RSSI 定位算法對(duì)信號(hào)節(jié)點(diǎn)接收到的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，估算出礦井人員距離節(jié)點(diǎn)信號(hào)的位置，通常采用3個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)在空間范圍內(nèi)聯(lián)合完成對(duì)礦井人員的定位。該定位方法的經(jīng)濟(jì)性較好、人機(jī)交互操作性較強(qiáng)[1]。但礦井巷道內(nèi)實(shí)際作業(yè)環(huán)境較為惡劣，信號(hào)的傳送在巷道內(nèi)會(huì)發(fā)生衰減，通過各種巷道壁形式的折射，信號(hào)衰減嚴(yán)重。研究人員通過各種方法對(duì)RSSI算法進(jìn)行了優(yōu)化，但未從根本上解決上述問題，信號(hào)衰減嚴(yán)重、覆蓋范圍存在盲區(qū)的問題仍然存在。因此有必要借助輔助定位的方法聯(lián)合RSSI定位算法使用，提高對(duì)礦井人員的定位精度和效率。采用了一種礦井地理信息輔助位置信號(hào)節(jié)點(diǎn)的方法完成定位精度的提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效提高井下位置信號(hào)節(jié)點(diǎn)的定位，消除信號(hào)盲區(qū)[2]。

1 應(yīng)用背景分析

1.1 輔助定位的必要性

礦井下布置的信號(hào)節(jié)點(diǎn)很多，各個(gè)巷道均布置有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)工作有難度，作業(yè)環(huán)境也較惡劣。下列情況對(duì)最常用的定位方法結(jié)果精確性有較大影響[3]：

（1）對(duì)于位置的定位需要不小于3 個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)，如果一些礦井巷道的信號(hào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障，就容易造成信號(hào)覆蓋范圍不足，造成信號(hào)定位僅停留于平面，而未在空間上產(chǎn)生定位效應(yīng)；

（2）由于礦井巷道空間狹窄，現(xiàn)有定位信號(hào)容易出現(xiàn)相互干擾，造成定位失效。

從礦井巷道空間狹窄的環(huán)境角度出發(fā)，采用服務(wù)器端基于地理信息的輔助定位分析方法，根據(jù)巷道內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，借助礦井內(nèi)地理信息，通過GIS系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)分布信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋范圍未涉及到的區(qū)域進(jìn)行定位輔助，提高礦井人員定位的精準(zhǔn)度。

1.2 礦用GIS系統(tǒng)輔助應(yīng)用

隨著現(xiàn)代化煤礦企業(yè)的發(fā)展，每一個(gè)礦井都會(huì)建立起企業(yè)礦用地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供煤礦在空間上的信息并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，GIS系統(tǒng)不僅用于煤礦還可用于其他領(lǐng)域，包括災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[4]。

GIS系統(tǒng)的可集成模塊較多并且拓展性較強(qiáng)，可將巷道布置的無線傳感器傳輸節(jié)點(diǎn)的分布圖集成于GIS系統(tǒng)中，與其他井下設(shè)備分布圖、安全檢測數(shù)據(jù)信息等模塊共同服務(wù)于礦井安全管理。當(dāng)井下信號(hào)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍不足，信息傳送發(fā)生障礙時(shí)，煤礦企業(yè)的后臺(tái)控制中心就可調(diào)用出GIS 系統(tǒng)原有保存的節(jié)點(diǎn)分布信息圖，輔助完成定位過程，提高節(jié)點(diǎn)的精確度。

2 輔助定位方法

2.1 輔助定位過程

根據(jù)上述分析，一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)需要不小于3 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位[5]，當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量不足時(shí)，就需要采用輔助定位的方法取代傳統(tǒng)的定位，具體的輔助定位過程如下：

（1）當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)數(shù)目不足時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)接收僅有的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)傳送至煤礦企業(yè)的后臺(tái)控制中心，通過后臺(tái)控制中心的數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)行輔助定位；

（2）控制中心收到未知結(jié)局發(fā)出的指令后，調(diào)用出GIS系統(tǒng)搜索存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分布圖，采用輔助定位的優(yōu)化算法，模擬出未知節(jié)點(diǎn)在一個(gè)礦井巷道內(nèi)的實(shí)際位置；

（3）后臺(tái)控制中心將未知節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行記錄，方便后期再次從GIS系統(tǒng)中調(diào)用。

2.2 輔助定位算法原理

后臺(tái)控制中心根據(jù)位置節(jié)點(diǎn)提供的數(shù)據(jù)，采用GIS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)分析制圖的方法模擬畫出位置節(jié)點(diǎn)的位置。通常可將定位的類型分為3大類，根據(jù)定位節(jié)點(diǎn)被信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋的數(shù)目進(jìn)行劃分，可分為2 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋、1 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋、0 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋，以下對(duì)上述3種類型的定位節(jié)點(diǎn)算法進(jìn)行分析[6]。

（1）2個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋定位節(jié)點(diǎn)

當(dāng)未知定位節(jié)點(diǎn)被2 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的輻射信號(hào)范圍覆蓋時(shí)，該類情況較為簡單。將2個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別設(shè)為S1、S2，根據(jù)空間位置的分布范圍，未知節(jié)點(diǎn)與2個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離可設(shè)置為d1、d2，以d1、d2距離為半徑，S1、S2為圓心畫出2 個(gè)圓形，可根據(jù)2個(gè)圓的相交節(jié)點(diǎn)確定未知節(jié)點(diǎn)的位置，兩圓相交后的相交點(diǎn)就為未知節(jié)點(diǎn)的位置，具體示意圖如圖1所示。

圖1 兩圓相切時(shí)的兩點(diǎn)定位

圖2 與巷道中線交點(diǎn)定位示意圖

（2） 1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋定位節(jié)點(diǎn)

當(dāng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只有1個(gè)信號(hào)時(shí)，此時(shí)需要根據(jù)后臺(tái)GIS系統(tǒng)中所存儲(chǔ)的礦井巷道內(nèi)，原信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的分布圖去定估算出定位節(jié)點(diǎn)的位置。同樣采用2個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定義方法進(jìn)行分析，將1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)為S1，未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離可設(shè)置為d1，以d1距離為半徑，S1為圓心畫出圓形，判斷出圓形與巷道中心線的相交情況。

如圖2 所示，由于礦井下巷道四通八達(dá)，研究考慮最復(fù)雜的定位環(huán)境，以十字交叉巷道為研究對(duì)象。圖中顯示出圓心與巷道中線相交點(diǎn)為A、B、C、D。該工況條件下信號(hào)接收情況可分為2種情況進(jìn)行分析：

（1）檢查點(diǎn)A、B、C、D的4個(gè)節(jié)點(diǎn)位置是否能接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)，如圖2 所示，巷道通道的邊緣上分布有A、B與S1圓心的連線，說明點(diǎn)A、B沒有信號(hào)覆蓋，可將點(diǎn)A、B進(jìn)行排除；

（2）圖2中點(diǎn)A共同被信標(biāo)節(jié)點(diǎn)S1、S2共同覆蓋，可將點(diǎn)A的位置進(jìn)行排除，然而點(diǎn)C為僅剩的1個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)空間位置計(jì)算分析可知點(diǎn)C 所需的位置。此外，還可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡來判斷出其位置。

（3）0個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)覆蓋定位節(jié)點(diǎn)

當(dāng)未知信號(hào)節(jié)點(diǎn)沒有被信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)所覆蓋時(shí)，只收到非信標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸過來的信號(hào)時(shí)應(yīng)針對(duì)非信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，將其升級(jí)為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)并傳輸位置信息的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)至煤礦后臺(tái)控制中心，采取前述的定位方法對(duì)其進(jìn)行定位。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用MATLAB 數(shù)值分析軟件對(duì)上述定位輔助的方法進(jìn)行驗(yàn)證，巷道工況模擬參數(shù)數(shù)據(jù)如下：

（1）巷道寬度設(shè)置為15 m、10 m、5 m；

（2）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間隔距離為12 m、22 m、35 m、42 m；

（3）信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸通訊距離半徑為55 m。

2 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表1 所示?？梢钥闯?，通過輔助定位方法在2 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位共同作用條件下，巷道寬度在15 m時(shí)，誤差在2.24 m左右，巷道寬度在10 m時(shí)，誤差在2.22 m 左右，巷道寬度在5 m時(shí)，誤差在1.9 m左右，相比原有方法的定位精確性提高了36.8%，對(duì)于礦井下人員的定位精度大幅度提升。

表1 2個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

1 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表2 所示。由表可知，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)只收到1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)，其定位精度相比受到2 個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)時(shí)要大。巷道寬度在15 m時(shí)，誤差在3.9 m 左右，巷道寬度在10 m時(shí)，誤差在2.5 m 左右，巷道寬度在5 m時(shí)，誤差在1.2 m左右，相比原有的定位方法，定位精準(zhǔn)度上升了32.1%。當(dāng)?shù)V井巷道的空間范圍越小時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)會(huì)距離巷道中線更近，有助于提高定位的精準(zhǔn)度。

表2 1個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)輔助定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

礦井內(nèi)部地理環(huán)境較為復(fù)雜，巷道內(nèi)部空間狹小，各種復(fù)雜因素集合在一起，容易對(duì)人員定位傳送信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致井下部分區(qū)域的定位傳輸信號(hào)覆蓋范圍不足。針對(duì)地下空間受限的特點(diǎn)，提出了用井下地理信息結(jié)合信標(biāo)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合輔助定位的方法，通過煤礦企業(yè)后臺(tái)控制中心計(jì)算機(jī)分析出沒有受到信號(hào)覆蓋的未知節(jié)點(diǎn)位置，提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位成功率，可及時(shí)掌控井下作業(yè)人員的位置和相關(guān)信息，保障作業(yè)人員的安全健康。通過在實(shí)際現(xiàn)場作業(yè)中的應(yīng)用顯示出地理信息輔助定位的方法，可有效提升礦井作業(yè)人員的定位精度。