井下精確人員定位系統定位重測機制研究

唐麗均， 吳畏， 劉世森

(1.重慶工程職業技術學院 大數據與物聯網學院， 重慶 402260； 2.重慶城市管理職業學院 智能工程學院， 重慶 401331； 3.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

近年來，隨著國家對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。精確人員定位系統[1-3]可及時掌握井下人員實時動態變化情況，在很大程度上提高了井下人員作業安全系數。

現有精確人員定位系統中，讀卡器采用超幀模式為其覆蓋范圍內的標志卡分配測距時隙[4-6]，當讀卡器與標志卡之間的信號強度較強時，標志卡能在固定時隙里與讀卡器進行測距。由于礦井巷道結構復雜，同時存在大量懸浮的煤塵、瓦斯及各種設備的電磁干擾，使得無線信號在井下傳輸過程中的信號強度衰減和干擾比在地面傳輸更嚴重[7-9]，導致讀卡器與標志卡之間的信號強度無法得到保證，從而增加了讀卡器與標志卡之間測距失敗的概率。當測距失敗后，標志卡只能等到下一超幀內的固定測距時隙再次與讀卡器進行測距，由于標志卡與讀卡器進行重新測距的間隔時間較長，不利于及時掌控井下人員實時動態分布情況。

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

1 定位重測機制設計

井下精確人員定位系統主要由人員定位服務器、交換機、人員管理分站、定位讀卡器和標志卡組成，如圖1所示。當人員攜帶標志卡首次進入定位讀卡器覆蓋范圍時，定位讀卡器采用超幀模式為標志卡分配固定的測距時隙，每張標志卡在分配的測距時隙里與定位讀卡器完成定期測距，定位讀卡器獲取相應標志卡的位置信息。定位讀卡器將其覆蓋范圍內所有標志卡的位置數據進行匯總，再將匯總數據通過人員管理分站和交換機上傳至人員定位服務器。

本文在定位讀卡器為標志卡分配測距時隙的超

圖1 井下精確人員定位系統結構Fig.1 Architecture of underground precise personnel positioning system

幀模式中引入一種改進的定位重測機制，用于減少標志卡測距失敗時的重新測距等待時間。井下精確人員定位系統定位重測機制原理如圖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) 競爭空閑時隙

假設定位讀卡器與標志卡A測距失敗，如圖2(a)所示，在下一時隙，標志卡A重新發送測距信號，如存在空閑時隙，讀卡器將該空閑時隙臨時分配給標志卡A，在該時隙里再次與標志卡A進行測距，如測距成功，則收回該時隙，如圖2(b)所示；如測距仍失敗，則根據設置的單超幀最大重測次數，標志卡確定是否繼續進行重新測距，如未超過最大重測次數限制，則繼續重測直至重測成功，如圖2(c)所示，否則停止重測，如圖2(d)所示。當多個標志卡都需重新測距時，會出現同時競爭1個空閑時隙的情況，如圖2(e)所示，這時根據標志卡的重測優先級將當前空閑時隙分配給相應的標志卡。

2 定位重測機制實現

2.1 定位重測機制的分析模型

在定位重測機制中，為了避免多個標志卡搶占空閑時隙進行重測導致無序競爭，讀卡器根據覆蓋區域內標志卡平均測距成功率、平均重測延時及平均時隙利用率來對重測標志卡確定優先級，從而根據優先級進行空閑時隙重測分配。為了能更加直接體現各標志卡重測條件的差異，本定位重測機制以各標志卡的累計重測次數、信號強度、運動速度替代平均測距成功率、平均重測延時及平均時隙利用率來計算各標志卡搶占空閑時隙的重測優先級。

通過層次分析法建立定位重測機制的分析模型[10-13]，確定標志卡的累計重測次數、信號強度、運動速度在重測優先級中所占權重，如圖3所示。

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

根據定位重測機制的分析模型，按以下流程計算標志卡的重測優先級。

(1) 構建方案層的累計重測次數因素S1、信號強度因素S2、運動速度因素S3對于準則層判斷矩陣Tj。

(1)

式中tij為Si與Sj相對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，需對判斷矩陣進行一致性檢驗。

Xi=λmax-r/r-1

(5)

Yi=Xi/Zi

(6)

式中：Xi為一致性指標；Yi為一致性比率，當Yi<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性；Zi為隨機平均一致性指標，當r=3時，Zi=0.58。

(5) 當平均測距成功率、平均重測延時及平均時隙利用率在重測優先級中所占權重確定之后，對其一致性進行檢驗。分別計算平均測距成功率、平均重測延時及平均時隙利用率對于方案層一致性指標X1,X2，X3，同時得到其隨機平均一致性指標Z1，Z2，Z3，分別計算總體一致性指標X及總體隨機平均一致性指標Z。

(7)

(8)

計算總體一致性比率Y,Y=X/Z，當Y<0.1時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性。

(6) 按照步驟(1)—(5)分別獲得累計重測次數、信號強度、運動速度在重測優先級中所占權重(h1,h2,h3)。

(7) 計算標志卡的重測優先級Ck。

Ck=Lkh1+Pkh2+Vkh3

(9)

式中：Lk為歸一化后的累計重測次數，該參數值越大，表示標志卡所處位置的環境越惡劣，重測優先級越高；Pk為歸一化后的信號強度，該參數值越大，表示標志卡重測成功率越高，重測優先級越高；Vk為歸一化后的運動速度，該參數值越大，表示在相同時間內，標志卡的測距值變化越大，對延時要求越高，重測優先級也就越高。

(8) 生成標志卡的重測集合C。

C={C1,C2,…,Cm}

(10)

式中m為標志卡總數。

2.2 定位重測機制流程

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

(2) 獲取標志卡的重測集合。計算平均時隙利用率、平均測距成功率及平均重測延時在重測優先級中所占權重；獲取各標志卡的Lk,Pk,Vk，計算標志卡的重測優先值Ck，生成標志卡的重測集合C。

(3) 重新測距。當標志卡測距失敗時，讀卡器分配空閑時隙用于重測；當多張標志卡均要搶占該時隙進行重測，則將該時隙分配給優先級最高的標志卡，其余標志卡則認為重測失??；如果重測仍失敗，且該標志卡在本超幀內的重測次數不超過單超幀最大重測次數，則繼續重新測距，否則標志卡在本超幀內的重測結束。

(4) 如標志卡未離開讀卡器覆蓋區域，則獲取標志卡的重測集合，否則，重測結束。

3 測試驗證

在黑龍江龍煤礦業集團股份有限公司某煤礦搭建精確人員定位系統，對定位重測機制的性能進行驗證。定位系統包括1臺測試電腦、1個定位讀卡器、100張標志卡，測試參數見表1。

表1 測試參數Table 1 Test parameters

邀請專家根據影響井下精確人員定位系統無線通信的因素及各因素之間的關系[14-15]，對各因素進行打分，以確定判斷矩陣，并通過一致性檢驗。

準則層-目標層的判斷矩陣見表2。通信可靠性是無線通信的重要指標，通過提高平均測距成功率可提升定位系統無線通信的可靠性，因此平均測距成功率相對重測優先級的重要性高于平均重測延時和平均時隙利用率;降低平均重測延時可提升定位系統無線通信的實時性，實時性對定位系統及時準確監測人員運動軌跡的性能有較大影響，相對重測優先級的重要性次于平均測距成功率，高于平均時隙利用率；提高平均時隙利用率可改善定位系統無線通信的QoS(Quality of Service，服務質量)，重要性最低。

表2 準則層-目標層的判斷矩陣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。信號強度直接影響讀卡器與標志卡的通信是否成功，對平均測距成功率影響最大，因此其相對平均測距成功率的重要性高于累計重測次數和運動速度；累計重測次數間接反映標志卡與讀卡器通信質量，其相對平均測距成功率的重要性次于信號強度，高于運動速度；運動速度對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-方案層的判斷矩陣見表4。累計重測次數越多，會直接增加平均重測延時，因此累計重測次數相對平均重測延時的重要性高于運動速度和信號強度；標志卡運動速度越快，相同時間內標志卡位置變化越大，監測到快速移動的軌跡點所需平均重測延時越短，運動速度相對平均重測延時的重要性次于累計重測次數，高于信號強度；信號強度間接影響平均重測延時，其重要性最低。

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

平均時隙利用率-方案層的判斷矩陣見表5。跟蹤快速運動標志卡的完整軌跡需要保證足夠多的成功測距點，則需要占用更多的時隙來確保重測成功，因此運動速度相對平均時隙利用率的重要性高于累計重測次數和信號強度；累計重測次數越多，累計占用的時隙也越多，對平均時隙利用率的影響越大，累計重測次數相對平均時隙利用率的重要性次于運動速度，高于信號強度；信號強度間接影響平均時隙利用率，其重要性最低。

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

有無定位重測機制下井下精確人員定位系統平均時隙利用率、平均測距成功率和平均重測延時的對比如圖4—圖6所示。

圖4 平均時隙利用率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Fig.6 Average re-measurement delay

從圖4可看出，當標志卡數量少于70張時，定位重測機制能提高平均時隙利用率20%～25%;但當標識卡數量超過70張后，定位重測機制平均時隙利用率提高幅度低于20%。從圖5可看出，當標志卡數量少于70張時，定位重測機制能提高平均測距成功率10%～20%；當標志卡數量超過70張后，定位重測機制平均測距成功率提高幅度低于10%。從圖6可看出，當標志卡數量少于70張時，定位重測機制能使平均重測延時從2.6～2.9 s降低到0.05～1 s；當標志卡數量超過70張后，平均重測延時從2.6～3 s只能降低到1.4～2.8 s。

無定位重測機制的標志卡運動軌跡如圖7所示?？煽闯鰳酥究ˋ在16，36 s這2個時間點處測距失敗，標志卡B在8，16，28，30 s這4個時間點處測距失敗，導致標志卡的運動軌跡不連續。有定位重測機制的標志卡運動軌跡如圖8所示?？煽闯鰳酥究˙在4個測距失敗時間點處重測均成功，其運動軌跡在全時段內均連續；標志卡A在16 s處重測失敗，因為在該時間點，標志卡A的重測優先級低于標志卡B，但在36 s處重測成功，其在16～38 s內的運動軌跡未出現中斷。

圖7 無定位重測機制的標志卡運動軌跡Fig.7 The trajectory of flag card without positioning and re-measurement mechanism

圖8 有定位重測機制的標志卡運動軌跡Fig.8 The trajectory of marker card with positioning and re-measurement mechanism

4 結論

(1) 提出了標志卡在測距失敗后利用空閑時隙進行重新測距的井下精確人員定位系統定位重測機制，并采用層次分析法根據標志卡的累計重測次數、信號強度、運動速度，計算標志卡的重測優先級。

(2) 定位讀卡器根據標志卡的重測優先級為標志卡分配重測時隙，重測優先級高的標志卡優先進行重測。測試結果表明，當標志卡數量少于70張時，定位重測機制能提高井下精確人員定位系統的平均測距成功率、降低平均重測延時、提升平均時隙利用率，從而能實時監測到不間斷的標志卡運動軌跡。