基于慣性導(dǎo)航和Wi-Fi 6的礦井人員融合定位管控

王夢佳， 張光權(quán)

(1.武漢科技大學(xué)，資源與環(huán)境工程學(xué)院, 湖北，武漢 430081;2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心， 湖北，武漢 430081)

0 引言

安全生產(chǎn)是產(chǎn)量的保證。我國95%的煤礦是地下開采，煤層條件復(fù)雜多變，災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了非常嚴(yán)重的影響。為了進(jìn)一步保證礦山的安全生產(chǎn),國家要求完善六大系統(tǒng)以防范風(fēng)險，尤其是人員定位系統(tǒng)，使人身安全得到有效保障。

至今人員定位技術(shù)已經(jīng)取得了豐富成果。根據(jù)原理劃分有基于到達(dá)時間的TOA/TDOA[1]定位和基于RSSI[2]的AOA定位[3]。根據(jù)無線硬件裝置劃分有GPS定位[4]、Wi-Fi定位[5]、ZigBee定位[6-7]和RFID[8]定位等。常用的室內(nèi)定位技術(shù)見表1。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)各有優(yōu)劣，慣性導(dǎo)航只和自身有關(guān)而不依賴外部信號，由于存在慣性漂移的問題，因此采用外部固定的Wi-Fi 6提供位置信息進(jìn)行修正，以提高定位精度。故設(shè)計將Wi-Fi 6定位與慣性導(dǎo)航定位的信息作融合計算，以此來提高礦井人員定位的可靠性。

1 基于Wi-Fi 6和慣性導(dǎo)航的人員定位系統(tǒng)

1.1 Wi-Fi 6技術(shù)

Wi-Fi定位算法主要包含兩種：基于TDOA的定位算法和基于RSSI的指示定位算法。兩種算法均需不少于3個接入點(AP)，這導(dǎo)致地下巷道的工作崗位增加，給網(wǎng)絡(luò)的建立帶來了問題。鑒此采用的是一種基于接收信號強(qiáng)度(RSSI)的指示定位算法。在Wi-Fi 6[9]時代，選擇SR(space reuse)技術(shù)以及2套NAV機(jī)制，依靠AP設(shè)置，AP運(yùn)行于相鄰AP時仍然做到穩(wěn)定無線傳輸，促使網(wǎng)絡(luò)容量明顯增加。

1.2 慣性導(dǎo)航算法模型

慣性導(dǎo)航是一種推算式導(dǎo)航，可轉(zhuǎn)化為找尋定位點與目的地之間的可行路徑[10]。由于所得結(jié)果來自積分運(yùn)算，隨著時間和位置的不斷推移，誤差會不斷累積[11-12],因此需借助Wi-Fi外部固定點來修正[13]。慣性導(dǎo)航的相對位置可以從載體的運(yùn)動中推斷出來，獨立于外部信息，適用復(fù)雜的井下環(huán)境。

算法包含3種。

(1) 返回運(yùn)動判斷。需要判斷正方向，初始化信息，各標(biāo)簽朝向?qū)傩跃O(shè)定成true。判斷的數(shù)量設(shè)置為3個，使用當(dāng)前位置p0與后3個時刻p1、p2和p3相對比，如果這些都是反向的，則標(biāo)簽是返回。假定p0正向運(yùn)動，則t1時有p1>p0，在實測數(shù)據(jù)方面，發(fā)現(xiàn)p1、p2、p3均不超過p0，那么忽略p1、p2、p3的大小，判斷標(biāo)簽折返。判斷程序偽代碼為：

if(flag=false)){

if(after>before){

countPos+=finalSpeed;

count=0;}

else{

count+=1;

}

}else if(flag=true){

……}

(2) 靜止判斷。必須和上個時刻位置進(jìn)行比較，若連續(xù)3個時間間隔位置保持相應(yīng)區(qū)域中，則判斷為靜止。相關(guān)代碼為：

if(abs(tempPos-lastPos)

stopFlag+=1;

if(stopFlag≥3){

countPos = lastPos ;

return countPos ;

}

}

(3) 分時段的速度計算。首先計算距離導(dǎo)數(shù)速度,然后計算速度對時間的積分,加上基站的各個時期測量標(biāo)簽的初始位置，求和，從而得到該標(biāo)簽的最終計算位置，然后將計算的位置與實際測量的位置進(jìn)行比較，修正標(biāo)簽的最終顯示位置。為了計算給定標(biāo)簽的速度Vt，使用恒定長度的等待窗口對測量到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后根據(jù)隊列中實時變化的數(shù)據(jù)計算totalVt與dn。程序偽代碼如下：

point point=(node*)malloc();

p1.data=lastPos;

node *begin=head;

node *after=begin.next;

int i=0;

while(i

if(lastPos≥next.data){

if(after.next)

begin=begin.next;

after=after.next;

}

else{

after.next=point;

point.next=null;

break;

}

else{

begin.next=point;

point.next=after;

after=point;

break;

}

}

1.3 組合定位系統(tǒng)

將慣性導(dǎo)航與Wi-Fi構(gòu)成組合定位系統(tǒng)[14]融合可以促使定位更準(zhǔn)確。步態(tài)判斷是利用慣性導(dǎo)航中的加速度傳感器，能夠感測x，y，z軸方向加速度狀況，界面如圖1所示。

圖1 慣性定位系統(tǒng)

本文采用慣性導(dǎo)航定位和Wi-Fi 6定位中的RSSI模型定位信息組合[15]，在Wi-Fi 6系統(tǒng)測得輸出量的基礎(chǔ)上，利用相似度加權(quán)融合算法與RSSI模型計算相似度是否大于1去校正。相似加權(quán)融合算法計算過程如下:①定位開始獲取設(shè)備傳感器的信息，定位通過慣性測量指示步長、步長和行走方向信息；②通過RSSI模型的定位計算得到定位起點的位置，計算RSSI參數(shù)得到信號強(qiáng)度；③同時獲取掃描到的礦井下AP，選取由AP定位,然后記錄AP和信息的信號,并計算出位置用模型的RSSI定位算法；④計算當(dāng)前固定點與前一個固定點信號的相似性，以及前一個固定點信號強(qiáng)度的可靠性，然后使用融合算法計算最終位置；⑤人員在井下的位置是通過第2、3、4步的重復(fù)循環(huán)來實現(xiàn)的。組合定位流程圖如圖2所示。

圖2 組合定位流程圖

1.4 電子地圖標(biāo)注

電子地址地圖是指各種格式的礦井二維平面圖。標(biāo)注的過程是探究室內(nèi)各個子空間的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，找出其位置及相互之間的拓?fù)潢P(guān)系。標(biāo)注的信息形成一個txt文本文件，供定位算法使用。室內(nèi)地圖的標(biāo)注和處理是整個室內(nèi)定位的基礎(chǔ)，目的是顯示井下礦工的位置和行走軌跡，使用地圖信息的內(nèi)部定位算法。

通過標(biāo)注軟件對地圖進(jìn)行標(biāo)注,用人工操作的方式把重要的子單元標(biāo)注出來。有兩種主要類型:可訪問區(qū)域和不可訪問區(qū)域。標(biāo)注子單元時，也標(biāo)注各個單元間的拓?fù)潢P(guān)系。標(biāo)注完成后形成txt文本文件并上傳至服務(wù)器，與此同時，原始礦井二維平面圖也上傳至服務(wù)器。

2 融合導(dǎo)航與礦難救援

2.1 遠(yuǎn)程控制

慣性導(dǎo)航和Wi-Fi 6綜合定位系統(tǒng)，礦井工作人員的位置信息是實時更新的，借此實現(xiàn)精確定位。還能接入視頻通信與監(jiān)控，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 綜合風(fēng)險管理

融合定位系統(tǒng)可以有效地幫助企業(yè)管理風(fēng)險。能夠選擇危險或重要區(qū)域部署電子圍欄，通過權(quán)限規(guī)劃與管控，避免相關(guān)人員誤入；也能夠?qū)崟r監(jiān)測相關(guān)人員行為，譬如超時、靜止等，避免出現(xiàn)事故問題，真正做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處理。

2.3 應(yīng)急應(yīng)變管理

若出現(xiàn)安全事故，礦工能夠通過簡單操作定位終端。管理層也可以利用本系統(tǒng)顯示各礦工位置信息，發(fā)送有效引導(dǎo)，促使礦工全部進(jìn)入安全區(qū)。救援者能夠基于電子地圖，按照礦工當(dāng)前位置展開救援，提高施救效率。

3 總結(jié)

礦井下環(huán)境惡劣,地點封閉，人員定位需求迫切，因此開展礦井人員定位管控與礦難救援系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。本文結(jié)合RSSI模型在慣性定位和Wi-Fi 6定位中的定位信息，通過電子地圖標(biāo)注可以顯示井下礦工的位置和行走軌跡，實現(xiàn)了人員精確定位與管理，提升了礦井減災(zāi)和應(yīng)急救援的能力，具有十分重要的意義。