基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法技术

本发明专利技术公开了一种用于煤矿井下的基于最大似然估计法压缩感知的人员定位方法。本方法根据巷道的空间结构和电磁波的本身属性特点，在井上设备有监控中心(PC机)，运行人员定位管理软件，通过已有的网络与井下设备相连；井下设备包括定位分站和移动目标。在矿井的巷道内每隔一段距离放置一个定位分站。根据已知定位分站的位置以及定位分站到移动目标的距离，以定位分站为圆心，定位分站到移动目标的距离为半径，三圆交点即为移动目标位置。在信号的传输过程中，使用压缩感知算法，通过对原始信号的压缩采样以及精确重构，得到目标位置的精确坐标，实现精确定位。本发明专利技术的定位系统定位精度高，成本低，并且耗能少，系统设备结构简单。

【技术实现步骤摘要】
基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法
本专利技术涉及煤矿井下安全监控领域，具体地说，是涉及一种基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法。
技术介绍
煤炭是我国的主要能源，但由于我国煤田地质条件复杂，生产条件恶劣，井下作业人员的生命安全受到严重威胁。一旦发生事故，地面人员需及时掌握井下人员的具体位置。因此，研究煤矿井下目标精确定位方法与系统，对于保障井下安全生产、应急救援都具有重要的现实意义，井下目标定位系统精度的提高将极大地促进煤矿井下安全生产水平的提升。由于巷道相对密闭，无法借助GPS等地面已有的卫星定位来辅助井下的目标定位；矿井定位目标是在限定空间内，定位设备的体积不能太大；井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，井下定位装置必须是防爆型电气设备；巷道内的无线信道环境恶劣，存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。这些使地面成熟的定位方法不能直接应用于煤矿井下。目前国内外目标定位技术采用的无线传输介质主要以电磁波为主。以电磁波为传输介质的定位方法主要分为基于测距(Range-based)的方法和基于非测距(Range-free)方法。Range-based方法通过测量点到点的距离和角度，使用三边测量(Trilateration)、三角测量(Triangulation)或最大似然估计(Multilateration)算法计算节点的位置；Range-free方法则根据网络的连通属性估算节点位置。Range-based方法主要有接收信号强度指示(ReceicedSignalStrengthIndiction,RSSI)、到达时间(TimeofArrival，TOF)、到达时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)和到达角度(AngleofArrival，AOA)等，后三种方法对硬件的要求都非常高，从成本角度考虑，不适合应用于煤矿井下，基于RSSI方法进行测距时，当距离较小时对接收机的灵敏度要求很高，误差难以保证。典型的Range-free定位算法包括DV-Hop、凸规划、MDS-MAP等，Range-free方法无需测量节点间的距离和到达角度，在无线节点的成本和功耗方面有一定的优势，但是定位精度与定位分站的密度和布置策略有关，提高精度就需要增加定位分站的密度，但定位分站的布置受巷道和工作环境限制，一方面，狭窄的空间内无法保证定位分站的随意布置，另一方面，增加定位分站的数量除了意味着成本的提高外，还导致故障率的升高和可靠性的降低。目前国内取得矿用产品安全标志证的井下目标定位系统(有些称为位置检测系统或作业人员管理系统等)，均采用电磁波作为无线传输介质，有基于RFID、蓝牙、WiFi和ZigBee等不同技术和协议，其中以RFID技术最普遍，但RFID的技术特点决定了定位精度取决于读卡器的密度，这就限制了定位精度的提高，所以很多基于RFID技术的系统严格地说并不具备“定位”功能，而只是“位置检测”，只能确定井下人员的大致区域；蓝牙技术传输距离短，抗干扰能力差，矿井环境中稳定性较差；目前，在国内使用的目标定位系统的精度均大于5米，目前国内矿井巷道的宽度一般不大于10米，也就是说，目前矿井目标定位系统只能给出定位目标在巷道纵向上的信息。压缩感知理论(CompressiveSensing，CS)自2006年正式提出以来，在信号处理、通信、无线传感网络(WirelessSensorNetwork，WSN)等领域中的应用迅速成为学术热点。WSN主要特点是传感器节点的能量、计算能力、通信能力受限，而融合中心有相对强大的计算能力，能量不受限。基于压缩感知的系统特点是：传感器节点直接采样少量数据，同时完成采样和压缩，不需要基于香农-奈奎斯特定理进行大量、高速采样再额外运行复杂的压缩算法。这使得传感器节点变得简单、廉价，付出的代价是信号恢复时的重构算法运算量较大，而信号重构是在融合中心进行，融合中心没有能量、计算能力的苛刻限制。压缩感知的这种“天然特性”是为WSN“量身定制”的。综上所述，将WSN的基于RSSI的定位问题转换为压缩感知问题大大降低了系统的通信开销，可以显著提高定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对井下目标定位技术存在的精度不够，且精度的提高受到井下环境和成本限制严重的问题，并考虑目前大多应用与研究需要大量计算量，不能综合利用各种资源的现状，公开一种结构简单计算量少的井下目标定位系统和一种定位精度高，算法简单的基于压缩感知的煤矿井下人员定位方法。该系统及方法根据压缩感知的特性，并结合巷道的空间结构特点，利用少量的定位分站和简单的算法实现实时精确的目标定位，可以很好的满足矿井目标定位的需要。本专利技术的基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法的实现思想如下：根据已知定位分站的位置以及定位分站到移动目标的距离，以定位分站为圆心，定位分站到移动目标的距离为半径，三圆交点即为移动目标位置。本专利技术的定位系统是一种基于无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)的井下目标定位系统，包括地面监控中心、上层终端、井下中心站、网关节点，定位分站，移动目标。在系统中涉及的井下设备包括：井下中心站，网关节点，定位分站，移动目标，全部是本质安全型设备。所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包，并且，地面监控中心通过Internet网络连接上层终端，将实时的监测数据传送给上层终端。所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据。所述井下中心站是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。所述网关节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源及总线模块。网关节点布设在每条支巷道的末端负责接收锚节点转发的定位数据包，并将其通过总线传送到井下中心站。所述定位分站包括：处理器存储器单元、信号处理单元、电磁波收发单元、传感器、电源。定位分站悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；定位分站向移动目标发射定位信号，接收移动目标发射的定位请求信号和定位数据包，将移动目标的定位数据包发送至相邻定位分站或网关节点，每个定位分站接收相邻定位分站的数据包并存储转发至相邻的另一个定位分站，接力转发数据包直至到网关节点，每个定位分站分配一个数字编号N，数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；所述网关节点、定位分站和移动目标上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心。所述移动目标包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源。每个移动目标分配一个识别码，与人员唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动目标向周围定位分站发射信号并接收反射回波，测量其与定位分站的距离，与定位分站进行通信，获取定位分站发射信号的接收强度和定位分站的数字编号，处理形成定位数据包；移动目标将定位数据包发送给最近的定位分站，定位数据包经过定位分站间的存储转发至地面监控中心。所述基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位系统的网关节点、定位分站、移动目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，包括地面监控中心，上层终端，井下中心站，网关节点，定位分站，移动目标；所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据；所述井下中心站是交换机，汇聚网关节点发过来的定位数据包，传输到地面监控中心；所述网关节点布设在支巷道的端点，接收定位分站转发的移动目标发射的定位数据包，传送到井下中心站；所述每个移动目标分配一个识别码，与人员唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动目标向周围定位分站发射信号并接收反射回波，测量其与定位分站的距离，与定位分站进行通信，获取定位分站发射信号的接收强度和定位分站的数字编号，处理形成定位数据包；移动目标将定位数据包发送给最近的定位分站，定位数据包经过定位分站间的存储转发至地面监控中心；所述定位分站悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；定位分站向移动目标发射定位信号，接收移动目标发射的定位请求信号和定位数据包，将移动目标的定位数据包发送至相邻定位分站或网关节点，每个定位分站接收相邻定位分站的数据包并存储转发至相邻的另一个定位分站，接力转发数据包直至到网关节点，每个定位分站分配一个数字编号N，数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；所述网关节点、定位分站和移动目标上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心；所述井下人员定位系统中的井下设备,包括网关节点、定位分站、移动目标，全是本质安全型设备。...

【技术特征摘要】
1.一种基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，包括地面监控中心，上层终端，井下中心站，网关节点，定位分站，移动目标；所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心从井下中心站接收从井下发来的定位数据包，处理定位数据包；所述上层终端是处在远地的监控中心，通过Internet网络与地面监控中心连接，获取实时监测数据；所述井下中心站是交换机，汇聚网关节点发过来的定位数据包，传输到地面监控中心；所述网关节点布设在支巷道的端点，接收定位分站转发的移动目标发射的定位数据包，传送到井下中心站；所述每个移动目标分配一个识别码，与人员唯一对应，对应关系存储于地面监控中心；移动目标向周围定位分站发射信号并接收反射回波，测量其与定位分站的距离，与定位分站进行通信，获取定位分站发射信号的接收强度和定位分站的数字编号，处理形成定位数据包；移动目标将定位数据包发送给最近的定位分站，定位数据包经过定位分站间的存储转发至地面监控中心；所述定位分站悬挂于巷道顶板，距两侧巷道壁距离相等；定位分站向移动目标发射定位信号，接收移动目标发射的定位请求信号和定位数据包，将移动目标的定位数据包发送至相邻定位分站或网关节点，每个定位分站接收相邻定位分站的数据包并存储转发至相邻的另一个定位分站，接力转发数据包直至到网关节点，每个定位分站分配一个数字编号N，数字编号与其位置坐标对应，对应关系存储于地面监控中心；所述网关节点、定位分站和移动目标上安装传感器，检测周围的环境信息，采用与定位数据信息相同的传输方式，将数据传送到地面监控中心；所述井下人员定位系统中的井下设备,包括网关节点、定位分站、移动目标，全是本质安全型设备。2.根据权利要求1所述基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，所述网关节点包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源、总线模块；所述定位分站包括：处理器存储器单元、信号处理单元、电磁波收发单元、传感器、电源；3.所述移动目标包括：处理器存储器单元、电磁波收发单元、传感器、电源。根据权利要求2所述基于压缩感知的井下人员定位系统，其特征在于，网关节点、定位分站、移动目标中的传感器、电磁波收发单元和网关节点中的总线模块分别与各节点中的处理器存储器单元相连；各节点的电磁波收发单元接收和发送无线电磁波信号；网关节点、定位分站和移动目标中的传感器检测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息，检测结果用与定位数据相同的传输方式，传送到地面监控中心；各节点中的处理器存储器单元存储、处理接收的数据，控制其它单元的运行；网关节点中的总线模块连接总线；各节点中的电源提供电能。4.一种基于最大似然估计法压缩感知的煤矿井下人员定位方法，其特征在于，包括下列步骤：A.根据巷道空间结构和工作环境，布设定位分站、网关节点及井下中心站；B.移动目标周期性向周围定位分站发射电磁波定位请求信号,信号中包含移动目标的识别码；C.接收到移动目标发送的请求信号的定位分站予以响应，利用压缩感知对请求信号进行处理再向移动目标发射包含移动目标识别码和定位分站数字编号的电磁波定位信号；D.移动目标选择接收附近定位分站响应其请求信号发射的电磁波定位信号中包含自己识别码的定位信号，处理形成定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：田子建，刘婷，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11