井下定位計(jì)算引擎設(shè)計(jì)方法研究

摘要：我國煤層賦存條件復(fù)雜，瓦斯?jié)舛雀撸_采難度大，技術(shù)要求高，開采過程中，稍有不慎，便可能引發(fā)重大事故。而煤礦井下工作場(chǎng)所不固定，空間相對(duì)狹小巷道距離長(zhǎng)，日常安全生產(chǎn)過程中工作人員、設(shè)備位置難以實(shí)時(shí)確定。定位分站提供標(biāo)識(shí)卡與其直線距離，要得到標(biāo)識(shí)卡的位置，還需要通過計(jì)算得到。定位計(jì)算方法需要解決三方面問題：盡量減少因計(jì)算誤差導(dǎo)致定位精度變差；數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)無效時(shí)，如何結(jié)合歷史軌跡預(yù)測(cè)移動(dòng)目標(biāo)的當(dāng)前位置；如何提高計(jì)算效率，以適用大量數(shù)據(jù)的要求。本文為了解決上述提出了TOF無線信號(hào)分析方法和噪聲過濾算法，設(shè)計(jì)了計(jì)算引擎進(jìn)行方法研究。

關(guān)鍵詞：定位計(jì)算引擎設(shè)計(jì)；無線信號(hào)分析方法；噪聲過濾算法

一、引言

隨著近幾年國家大力推進(jìn)建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，井下人員定位系統(tǒng)已在煤礦安全管理中得到廣泛應(yīng)用，為提高礦工安全行為管理水平、保障煤礦安全生產(chǎn)和提高事故救援效率發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前在煤炭行業(yè)中，依托井下人員定位搭建多功能的信息系統(tǒng)，提高綜合調(diào)度指揮能力，實(shí)現(xiàn)井下人員安全行為動(dòng)態(tài)管理已逐漸成為新的管理思路，但多數(shù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果不能很好滿足煤礦的管理需求。主要原因如下：定位精度有限，在煤礦日常管理和事故救援處置方面有待完善。國內(nèi)大多數(shù)煤礦人員定位系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)按讀卡器定位，無法提供人員的準(zhǔn)確位置，不能為井下人員行為分析、緊急救援提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。定位引擎是高精度人員定位系統(tǒng)的核心部分之一，采集讀卡器數(shù)據(jù)包、實(shí)現(xiàn)高精度定位算法計(jì)算出位置。高精度定位算法是其中最重要模塊，所以將其設(shè)計(jì)放在定位引擎的整體設(shè)計(jì)中一并考慮。定位引擎通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收讀卡器發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包，經(jīng)過解析、并發(fā)處理和定位運(yùn)算得到識(shí)別卡的位置數(shù)據(jù)，最后將位置數(shù)據(jù)通過約定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送給“數(shù)據(jù)引擎”進(jìn)行下一步處理。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

定位引擎設(shè)計(jì)為TOF數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理緩沖隊(duì)列、定位算法和讀卡器TOF參數(shù)配置五部分。

定位算法的實(shí)現(xiàn)首先基于巷道TOF采樣模型，對(duì)礦井下所有無線定位讀卡器的準(zhǔn)確位置及地理坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，作為人員無線定位的基準(zhǔn)參考點(diǎn)。然后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)無線信號(hào)勘測(cè)采樣，在巷道關(guān)鍵點(diǎn)處采集無線信號(hào)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后，建立礦井巷道的TOF分布模型。讀卡器TOF參數(shù)配置模塊結(jié)構(gòu)化定義巷道TOF采樣模型，將讀卡器的實(shí)際采樣TOF特征參數(shù)保存供定位算法運(yùn)算參考。定位算法模塊，檢測(cè)數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度大于特定預(yù)設(shè)值時(shí)，通過噪聲信號(hào)過濾算法對(duì)數(shù)據(jù)隊(duì)列進(jìn)行噪聲信號(hào)過濾：對(duì)照已確定位置的標(biāo)識(shí)卡的TOF值和坐標(biāo)，對(duì)隊(duì)列中存在TOF值突變和位置突變的信號(hào)進(jìn)行校正或剔除；經(jīng)過濾后的信號(hào)出隊(duì)，作為標(biāo)識(shí)卡的最終位置。

二、高精度定位引擎技術(shù)

（一）TOF無線信號(hào)分析方法

基于TOF的無線信號(hào)分析方法基礎(chǔ)原理如下，需要經(jīng)歷獲取信號(hào)——讀卡器識(shí)別——信息過濾——分布校正——均值測(cè)定——噪聲過濾——輸出結(jié)果的過程。

通過提出設(shè)想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及回歸測(cè)試的各步驟，不斷獲取更精確合理的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)信息，使得算法結(jié)果盡量和實(shí)際相匹配，是實(shí)現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵因素。

（二）噪聲過濾算法

實(shí)現(xiàn)高精度定位，需要去除雜質(zhì)信號(hào)的干擾，其中關(guān)鍵的內(nèi)容就是噪聲過濾算法。噪聲過濾算法步驟如下：依次取噪聲過濾隊(duì)列中的位置信息包，根據(jù)各信息包與讀卡器的相對(duì)距離，得出移動(dòng)終端相對(duì)讀卡器的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；如果包的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致，如都為遠(yuǎn)離讀卡器或靠近讀卡器，則認(rèn)為本組數(shù)據(jù)噪聲干擾較小，滿足定位要求，可以輸出為定位結(jié)果；否則，如各包的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不同，部分遠(yuǎn)離讀卡器，部分靠近讀卡器，則說明存在噪聲干擾或移動(dòng)終端的真實(shí)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生了改變，需要進(jìn)一步處理。

三、高精度定位引擎技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（一）TOF無線信號(hào)分析方法實(shí)現(xiàn)

利用礦井TOF模型對(duì)理論距離進(jìn)行校準(zhǔn)，并利用讀卡器的位置坐標(biāo)計(jì)算移動(dòng)終端的可能所在位置，如圖2所示。利用兩個(gè)讀卡器分別計(jì)算得到的位置的平均值作為本次計(jì)算的移動(dòng)終端的位置坐標(biāo)，并加入本移動(dòng)終端的位置隊(duì)列中。檢測(cè)移動(dòng)終端位置隊(duì)列，當(dāng)隊(duì)列長(zhǎng)度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，采用本方法中的噪聲信號(hào)過濾算法對(duì)位置隊(duì)列進(jìn)行噪聲信號(hào)過濾：對(duì)照已確定位置的移動(dòng)終端的TOF、RSSI值和坐標(biāo)，對(duì)隊(duì)列中存在TOF、RSSI值突變和位置突變的信號(hào)進(jìn)行校正或剔除；經(jīng)過濾后的信號(hào)出隊(duì)，作為移動(dòng)終端的最終位置。

（二）噪聲過濾算法實(shí)現(xiàn)

取運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生改變的第一個(gè)位置信息包作為參照信息包，其后的第一個(gè)位置信息包為比較信息包，如比較信息包與參照信息包的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不同，而與參照信息包之前的位置信息包的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相同，則認(rèn)為參照信息存在較大的噪聲干擾從而導(dǎo)致其計(jì)算位置偏離真實(shí)位置較大，根據(jù)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和平均運(yùn)動(dòng)速率，將參照信息包的位置校正在其前后包的位置之間；如果參照信息之后的多個(gè)位置信息包的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與參照信息包一致，則認(rèn)為移動(dòng)終端的真實(shí)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生了改變。

（三）有無計(jì)算引擎精確度對(duì)比

如圖4所示，通過獲取標(biāo)識(shí)卡3個(gè)移動(dòng)不同的位置信息，獲取位置數(shù)據(jù)。把這些位置信息通過定位計(jì)算引擎的方式加工處理后顯示的位置信息做對(duì)比，如表1、2所示。

通過對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過定位計(jì)算引擎處理后的定位數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)量更少，更清晰。

四、結(jié)束語

通過噪聲信號(hào)過濾算法對(duì)數(shù)據(jù)隊(duì)列進(jìn)行噪聲信號(hào)過濾：對(duì)照已確定位置的標(biāo)識(shí)卡的TOF值和坐標(biāo)，對(duì)隊(duì)列中存在TOF值突變和位置突變的信號(hào)進(jìn)行校正或剔除；經(jīng)過濾后的信號(hào)出隊(duì)，作為標(biāo)識(shí)卡的最終位置。

作者單位：王世杰 張建斌 中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X分公司

吳曉彤 遼寧瑞華實(shí)業(yè)集團(tuán)高新科技有限公司

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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王世杰（1967.02-），男，漢族，山西臨猗，本科，中級(jí)工程師，研究方向：煤礦開采技術(shù)及管理；

張建斌（1970.10-），男，漢族，山西清徐，研究生，高級(jí)工程師，研究方向：煤礦安全管理；

吳曉彤（1985.06-），男，漢族，黑龍江五常市，本科，工程師，研究方向：礦山智能化軟硬件研發(fā)及數(shù)據(jù)分析。