專利名稱：一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)及定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦井下安全監(jiān)控與通信領(lǐng)域，特別是一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT煤礦井下人員定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
煤炭是我國(guó)的主要能源物質(zhì)，煤礦在我國(guó)分布廣泛，隨著煤礦井下煤層的開采范圍越來越大，難度越來越大，煤炭開采技術(shù)相對(duì)比較落后，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)礦難，對(duì)于作業(yè)人員的安全問題構(gòu)成了極大的威脅，普及安全意識(shí)和建立健全工作規(guī)章制度固然重要，但是很多不可抗拒因素造成的危害依然層出不窮，當(dāng)?shù)V難出現(xiàn)時(shí)，最重要的就是對(duì)工作人員進(jìn)行營(yíng)救，但是由于礦井這個(gè)特殊的環(huán)境對(duì)營(yíng)救工作人員增加了一定的難度，所以一套完善的煤礦井下人員定位系統(tǒng)就顯得尤為重要了。目前井下人員定位系統(tǒng)種類有很多，測(cè)距方面的主要有TOA、TDOA, AOA和RSSI等，基于到達(dá)時(shí)間的TOA需要精確的時(shí)間同步，無法用于松散耦合型定位，基于到達(dá)時(shí)間差的TDOA需要考慮傳播距離對(duì)超聲波的影響，基于到達(dá)角度的AOA由于受外界環(huán)境影響，需要額外的硬件，基于信號(hào)到達(dá)強(qiáng)度RSSI由于理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓罍y(cè)性質(zhì)，具有較大的定位誤差，另外基于測(cè)距原理的定位方法雖然符合低功率，低成本的要求，但是通信量和計(jì)算量大，節(jié)點(diǎn)造價(jià)高，消耗了有限的電池資源，而且在測(cè)量距離和角度方面需要進(jìn)行大量的研究。非測(cè)距方面主要有質(zhì)心算法、凸規(guī)劃、DV -Hop，它們健壯性差，雖然計(jì)算量和存儲(chǔ)量幾乎不受限制，可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的位置估計(jì)，但是與中心節(jié)點(diǎn)位置較近的節(jié)點(diǎn)因?yàn)橥ㄐ砰_銷大而過早地消耗電能，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與中心信息交流中斷，基于非測(cè)距的APIT定位方法，雖然僅需完成節(jié)點(diǎn)一跳以內(nèi)的通信就能定位，計(jì)算量小，通信開銷小，但是要求信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度和通信范圍都足夠大，而且在重疊區(qū)域的質(zhì)心算法中采用網(wǎng)格掃描算法，算法復(fù)雜，計(jì)算量大、效率低，計(jì)算精度低，所以定位精度也比較低。BP神經(jīng)網(wǎng)路可以對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練得到準(zhǔn)確度高的輸入輸出函數(shù)關(guān)系的模型，目前還沒有將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和APIT定位方法結(jié)合來對(duì)非測(cè)距定位方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一套定位精度高、計(jì)算量小、通信開銷小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、計(jì)算精度高的定位系統(tǒng)就尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，特別是針對(duì)煤礦井下人員定位系統(tǒng)定位精度低、計(jì)算量大、通信開銷大、節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、計(jì)算精度低的問題，本發(fā)明公開了一種定位精度高，算法簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)數(shù)量小的定位方法。該系統(tǒng)及方法將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與非測(cè)距APIT技術(shù)結(jié)合起來，并結(jié)合巷道空間的實(shí)際特點(diǎn)，利用有限的參考節(jié)點(diǎn)和簡(jiǎn)單的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的目標(biāo)定位，滿足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時(shí)救援的需要。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:上述系統(tǒng)是一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)傳輸基站、光纖、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B。
所述地面監(jiān)控中心包括多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，部分安裝有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，部分安裝有PIT測(cè)試系統(tǒng)，并從傳輸基站接收成井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息；所述傳輸基站是本質(zhì)安全型交換機(jī)，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。所述的每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方式和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋半徑布設(shè)在巷道壁上，負(fù)責(zé)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，并將其通過總線傳送到傳輸基站。所述的每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，在巷道內(nèi)固定放置，使每三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以組成一個(gè)三角形，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)射定位信息包括自身位置信息和功率信息，上傳至安裝有BP神經(jīng)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，經(jīng)過訓(xùn)練得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)。所述的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，與井下工作人員的身份相對(duì)應(yīng)，置于井下工作人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作為輔助電源；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A由井下工作人員隨身攜帶；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，并對(duì)接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行處理，移動(dòng)判斷節(jié)點(diǎn)A在不同方向移動(dòng)時(shí)是否同時(shí)遠(yuǎn)離或靠近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，生成相關(guān)的信息上傳至安裝有PIT測(cè)試系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心。所述的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn) B包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)訓(xùn)練得到的輸出位置坐標(biāo)部署，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B由井下機(jī)械移動(dòng)設(shè)備攜帶，具有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的功能。所述井下人員定位系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備，包括傳輸基站、光纖、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B均是本質(zhì)安全型設(shè)備。所述的總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線，負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳輸基站之間的通信；所述的光纖負(fù)責(zé)傳輸基站與地面監(jiān)控中心之間的通信。所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于定位系統(tǒng)的訓(xùn)練階段，安裝在計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入部分、隱層和輸出部分三部分，實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)的輸出和輸入之間的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過多次訓(xùn)練并且不停地進(jìn)行權(quán)值的修正，把不符合實(shí)際結(jié)果的輸入輸出關(guān)系校正，得到最準(zhǔn)確的輸出和輸入之間的關(guān)系，在本系統(tǒng)中以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息包括自身坐標(biāo)作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)作為輸出函數(shù)。所述PIT測(cè)試系統(tǒng)屬于定位系統(tǒng)的精確定位階段，判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或者移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B所組成的三角形中，PIT測(cè)試系統(tǒng)的原理是令一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向一個(gè)方向移動(dòng)，如果同時(shí)遠(yuǎn)離或者靠近三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的位置，判斷這個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于這個(gè)三角形內(nèi)部，反之則處于該三角形外部。上述定位方法分為兩個(gè)階段:訓(xùn)練階段和定位階段。所述訓(xùn)練階段中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線傳送到傳輸基站，傳輸基站通過光纖傳送到計(jì)算機(jī)中作為輸入，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；
所述定位階段包括粗略定位和精確定位兩個(gè)階段；所述粗略定位階段中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到之后廣播發(fā)送自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收信息，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A的位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較得到公共區(qū)域的交點(diǎn)坐標(biāo)；所述精確定位階段中，在所述粗略定位階段中得到的交點(diǎn)坐標(biāo)位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，通過PIT測(cè)試系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成的三角形中，分為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形內(nèi)部和外部?jī)煞N情況來進(jìn)行精確定位。上述基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT的煤礦井下人員定位方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:(I)根據(jù)煤礦井下的具體情況部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線和傳輸基站；(2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過總線，傳輸基站，光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有BP神經(jīng)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的任意三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，交點(diǎn)坐標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；(3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A由井下工作人員攜帶，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信號(hào)；(4)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的定位請(qǐng)求后，廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)和功率值；(5)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息后，向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)收到信號(hào)并記錄接收到的定位信號(hào)中的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；(6)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷自身位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域中，并與訓(xùn)練階段數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)信息進(jìn)行對(duì)比找到相應(yīng)區(qū)域的相交點(diǎn)的坐標(biāo)，在相應(yīng)的位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為 M、N、Q ;(7)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B中的M、N、Q分別廣播發(fā)送信息包括自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到該信息，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、Q發(fā)送確認(rèn)信號(hào)并記錄接收到的信號(hào)的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；(8)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于M、N、Q所組成的三角形內(nèi)，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于三角形MNQ內(nèi)部和外部分別進(jìn)行定位。所述步驟(8)包括如下步驟:A.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ中時(shí)，在三角形MNQ中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為P，將三角形MNQ分為三個(gè)三角形，包括三角形MNP、三角形NQP、三角形MPQ，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、P、Q同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收，根據(jù)PIT原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形中；B.確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所處的三角形中時(shí)，繼續(xù)在這個(gè)三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，再次形成三個(gè)小三角形，縮小定位范圍，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形之中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果。
C.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ外時(shí)，即處于外接圓MNQ和三角形MNQ之間，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q廣播發(fā)送自身信息包括功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A同時(shí)接收，根據(jù)到達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度RSSIm、RSSIqa, RSSIna值判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和圓弧之間，如果RSSIma最小，則處于圓弧QN和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q、N形成的區(qū)域中，如果RSSIqa最小，則處于圓弧麗和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N形成的區(qū)域中，如果RSSIna最小，則處于圓弧MQ和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、Q形成的區(qū)域中，然后在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的圓弧上面任意位置部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為R，與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成三角形；D.在圓弧上部署的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)R和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的另兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息和功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收后利用PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷是否處于步驟C所述的三角形中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述的三角形中，在該三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，把三角形分成三個(gè)小三角形，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)小三角形中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述三角形之外，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到的功率到達(dá)強(qiáng)度RSSI值判斷在哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B和圓弧形成的區(qū)域中，判斷方法和步驟C中的一樣，重復(fù)上述步驟，直到要求的定位精度，進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果。本發(fā)明可廣泛用于煤礦井下人員的精確定位，在訓(xùn)練階段利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以大幅度減少判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所處三角形公共部分交點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算量，部署的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)需要增加或者減少，具有一定的靈活性，最后質(zhì)心的計(jì)算縮小到三角形的質(zhì)心計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，而且定位精度極高，容易實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)井下的人員調(diào)度、考勤監(jiān)督等。通過本發(fā)明，可有效的 提高礦山的管理水平和工作效率。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1.本發(fā)明訓(xùn)練階段利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大幅度減少了判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所處三角形公共部分交點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算量。2.本發(fā)明與直接采用APIT定位方法相比，部署的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度要求不高，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B的部署根據(jù)需要增加，具有一定的靈活性。3.本發(fā)明采用PIT原理進(jìn)行位置的判斷可以減少計(jì)算量。4.本發(fā)明各節(jié)點(diǎn)間依賴關(guān)系不強(qiáng)，通信開銷小。5.本發(fā)明移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A的精確位置根據(jù)三角形質(zhì)心計(jì)算，與重疊區(qū)域的質(zhì)心算法中采用網(wǎng)格掃描算法相比，計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算量大幅度減小，并且可大幅度提高定位精度。6.本發(fā)明根據(jù)RSSI接收強(qiáng)度的大小判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，不需要進(jìn)行距離的計(jì)算，
計(jì)算量小。


圖1是本發(fā)明的煤礦井下人員定位原理圖；圖2是本發(fā)明的煤礦井下人員定位原理圖；圖3是本發(fā)明的煤礦井下人員定位系統(tǒng)組成框圖；圖4是本發(fā)明的煤礦井下人員定位技術(shù)流程框圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容和優(yōu)勢(shì)更加清楚明了，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)及方法進(jìn)行進(jìn)一步描述。本發(fā)明的一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)及方法，是一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非測(cè)距APIT的煤礦井下人員定位系統(tǒng)及方法，主要針對(duì)在井下人員定位方面現(xiàn)有技術(shù)存在的測(cè)距方面的計(jì)算量大、能耗大以及傳統(tǒng)非測(cè)距APIT方法中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度高和通信范圍大以及在質(zhì)心計(jì)算階段的采用網(wǎng)格掃描算法的算法復(fù)雜和計(jì)算量大，定位精度低等方面的不足，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和非測(cè)距APIT的井下人員定位系統(tǒng)及方法。定位方法的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)階段:訓(xùn)練階段中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送自身位置信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線傳送到傳輸基站，傳輸基站通過光纖傳送到計(jì)算機(jī)中作為輸入，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。定位階段中分為粗略定位和精確定位兩個(gè)階段，粗略定位階段中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收信息，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A的位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域，與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較得到公共區(qū)域的交點(diǎn)坐標(biāo)。精確定位階段中，在所述粗略定位階段中得到的交點(diǎn)坐標(biāo)位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，通過PIT原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成的三角形中，分為兩種情況來進(jìn)行精確定位。對(duì)定位精度的提高起到了決定性的作用。下面詳細(xì)說明本發(fā)明的煤礦井下人員定位系統(tǒng)及方法。圖1是本發(fā)明的煤礦井下人員定位原理圖。 如圖1所示，在本發(fā)明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT的煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，在定位階段中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)確定處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、N3、Q4所組成的三角形的外接圓中，通過PIT檢測(cè)原理判斷處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q4所組成的三角形中，在三角形中任意位置部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)P5，將三角形分割成三個(gè)小三角形，三角形MNP、三角形MPQ、三角形PQN，縮小了定位范圍，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q4和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)P5同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al接收，通過PIT檢測(cè)原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al所處的三角形區(qū)域，然后再在該區(qū)域部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)R6，重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到所需精度，最后進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果。圖2是本發(fā)明的煤礦井下人員定位原理圖。如圖2所示，在本發(fā)明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT的煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，在定位階段中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)確定處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、N3、Q4所組成的三角形的外接圓中，通過PIT檢測(cè)原理判斷處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q4所組成的三角形之外，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q4廣播發(fā)送自身信息包括功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al同時(shí)接收，根據(jù)到達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度RSSIm、RSSIna, RSSIqa判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al處于哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B和圓弧之間，比如RSSIqa最小，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q4點(diǎn)最遠(yuǎn)，則處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3和圓弧M2N3之間，在圓弧M2N3上任意位置部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)P5，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M2、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N3和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)P5廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息和功率信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al接收，根據(jù)PIT原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Al是否處于三角形MNP中，若不處于則重復(fù)上述步驟，直到所需定位精度，進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算，得到定位結(jié)果，若處于三角形MNP中則重復(fù)圖1的步驟。圖3是本發(fā)明的煤礦井下人員定位系統(tǒng)組成框圖。
如圖3所示，本發(fā)明的一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)，包括安裝有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)I和安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控系統(tǒng)9、傳輸基站2、光纖3、總線4、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8。地面監(jiān)控中心可以是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它擁有一個(gè)大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以使用Microsoft SQL Server作為管理系統(tǒng)，根據(jù)分工不同具備不同的數(shù)據(jù)處理功能，地面監(jiān)控系統(tǒng)I根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6的坐標(biāo)位置得到由任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，地面監(jiān)控系統(tǒng)9用來判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7所處的位置，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7的位置的不同采用不同的定位方法進(jìn)行精確定位。訓(xùn)練階段，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7接收，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5匯聚后通過總線4傳送到傳輸基站2，傳輸基站2通過光纖3傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)I中，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7所在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域的交點(diǎn)坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。定位階段，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7發(fā)出定位請(qǐng)求，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6接收后廣播發(fā)送自身信息,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7接收，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5匯聚后通過總線4傳送到傳輸基站2，傳輸基站2通過光纖3傳送到地面監(jiān)控系統(tǒng)9中，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)9判斷處于哪三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域，并與地面監(jiān)控系統(tǒng)I中數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息比較在那個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)坐標(biāo)部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8，三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)9判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7是否處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8所組成的三角形中，如果處于則在三角形中部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8，將三角形分割成為三個(gè)小三角形，重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到所需定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到定位結(jié)果。如果不處于則移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7廣播發(fā)送自身信息包括功率信息，比較移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7接收到的RSSI值判斷處于哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8和對(duì)應(yīng)圓弧之間，再次在圓弧上任意位置部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8，形成一個(gè)三角形， 這兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8和圓弧上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B8同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A7接收后利用PIT檢測(cè)原理判斷是否處于這個(gè)三角形中，如果不處于重復(fù)上述步驟直到達(dá)到所需定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到定位結(jié)果。圖4是本發(fā)明的煤礦井下人員定位技術(shù)流程框圖。如圖4所示，本發(fā)明的一種煤礦井下人員定位方法，步驟如下:(I)根據(jù)煤礦井下的具體情況部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線和傳輸基站；(2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過總線，傳輸基站，光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有BP神經(jīng)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的任意三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，交點(diǎn)坐標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中；(3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A由井下工作人員攜帶，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信號(hào)；(4)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的定位請(qǐng)求后，廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)和功率值；(5)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息后，向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)收到信號(hào)并記錄接收到的定位信號(hào)中的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；(6)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷自身位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域中，并與訓(xùn)練階段數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)信息進(jìn)行對(duì)比找到相應(yīng)區(qū)域的相交點(diǎn)的坐標(biāo)，在相應(yīng)的位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為 M、N、Q ;(7)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B中的M、N、Q分別廣播發(fā)送信息包括自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到該信息，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、Q發(fā)送確認(rèn)信號(hào)并記錄接收到的信號(hào)的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；(8)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于M、N、Q所組成的三角形內(nèi)，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于三角形MNQ內(nèi)部和外部分別進(jìn)行定位。所述步驟(8)包括如下步驟:A.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ中時(shí)，在三角形MNQ中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為P，將三角形MNQ分為三個(gè)三角形，包括三角形MNP、三角形NQP、三角形MPQ，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、P、Q同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收，根據(jù)PIT原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形中；
B.確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所處的三角形中時(shí)，繼續(xù)在這個(gè)三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，再次形成三個(gè)小三角形，縮小定位范圍，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形之中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果；C.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ外時(shí)，即處于外接圓MNQ和三角形MNQ之間，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q廣播發(fā)送自身信息包括功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A同時(shí)接收，根據(jù)到達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度RSSIm、RSSIqa, RSSIna值判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和圓弧之間，如果RSSIma最小，則處于圓弧QN和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q、N形成的區(qū)域中，如果RSSIqa最小，則處于圓弧麗和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N形成的區(qū)域中，如果RSSIna最小，則處于圓弧MQ和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、Q形成的區(qū)域中，然后在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的圓弧上面任意位置部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為R，與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成三角形；D.在圓弧上部署的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)R和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的另兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息和功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收后利用PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷是否處于步驟C所述的三角形中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述的三角形中，在該三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，把三角形分成三個(gè)小三角形，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)小三角形中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述三角形之外，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到的功率到達(dá)強(qiáng)度RSSI值判斷在哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B和圓弧形成的區(qū)域中，判斷方法和步驟C中的一樣，重復(fù)上述步驟，直到要求的定位精度，進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于:包括地面監(jiān)控中心，傳輸基站、光纖、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B ； 所述地面監(jiān)控中心包括多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，部分安裝有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，部分安裝有PIT測(cè)試系統(tǒng)，并從傳輸基站接收成井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息； 所述傳輸基站是本質(zhì)安全型交換機(jī)，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心；所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，通過總線傳送到傳輸基站；所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)固定放置，使每三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以組成一個(gè)三角形，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)射定位信息包括自身位置信息和功率信息，上傳至安裝有BP神經(jīng)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，經(jīng)過訓(xùn)練得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)； 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A與井下工作人員的身份相對(duì)應(yīng)，置于井下工作人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作為輔助電源；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A由井下工作人員隨身攜帶；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，并對(duì)接 收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行處理，判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A在不同方向移動(dòng)時(shí)是否同時(shí)遠(yuǎn)離或靠近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，生成相關(guān)的信息上傳至安裝有PIT測(cè)試系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心； 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)訓(xùn)練得到的輸出坐標(biāo)位置部署，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B由井下機(jī)械移動(dòng)設(shè)備攜帶，具有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的功能； 所述井下人員定位系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備，包括傳輸基站、光纖、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B均是本質(zhì)安全型設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于:所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于定位系統(tǒng)的訓(xùn)練階段，安裝在計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器中，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息包括自身坐標(biāo)作為輸入進(jìn)行訓(xùn)練得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)并且作為輸出并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
3.如權(quán)利要求1所述的井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于:所述PIT測(cè)試系統(tǒng)屬于定位系統(tǒng)的精確定位階段，判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)或者移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B所組成的三角形中。
4.如權(quán)利要求1所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于:所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊； 所述總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線； 所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源； 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線接收發(fā)器、傳感器、電源； 所述移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B包括:微處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。
5.如權(quán)利要求1所述的一種煤礦井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B中的傳感器、無線收發(fā)器以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元相連；各節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)器接收和發(fā)送無線電磁波；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B中的傳感器感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息；各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制其它單元的運(yùn)行；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與總線相連；各節(jié)點(diǎn)中的電源提供電能。
6.一種煤礦井下人員定位方法，其實(shí)現(xiàn)過程包括兩個(gè)階段:訓(xùn)練階段和定位階段； 所述訓(xùn)練階段中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線傳送到傳輸基站，傳輸基站通過光纖傳送到計(jì)算機(jī)中作為輸入，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到任意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中； 所述定位階段包括粗略定位和精確定位兩個(gè)階段； 所述粗略定位階段中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到之后廣播發(fā)送自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收信息，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A的位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比較得到公共區(qū)域的交點(diǎn)坐標(biāo)； 所述精確定位階段中，在所述粗略定位階段中得到的交點(diǎn)坐標(biāo)位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，通過PIT測(cè)試系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成的三角形中。
7.一種煤礦井下人員定位方法，其特征在于:步驟如下: (1)根據(jù)煤礦井下的具體情況部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線和傳輸基站； (2)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的 數(shù)據(jù)，通過總線，傳輸基站，光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有BP神經(jīng)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的任意三個(gè)相交三角形的每個(gè)三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，交點(diǎn)坐標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中； (3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A由井下工作人員攜帶，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求信號(hào)； (4)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A發(fā)出的定位請(qǐng)求后，廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)和功率值； (5)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信息后，向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)收到信號(hào)并記錄接收到的定位信號(hào)中的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)； (6)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷自身位置處于哪些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成的三個(gè)三角形的三個(gè)外接圓兩兩相交形成的公共區(qū)域中，并與訓(xùn)練階段數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)信息進(jìn)行對(duì)比找到相應(yīng)區(qū)域的相交點(diǎn)的坐標(biāo)，在相應(yīng)的位置部署三個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為M、N、Q ; (7)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B中的M、N、Q分別廣播發(fā)送信息包括自身位置信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到該信息，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、Q發(fā)送確認(rèn)信號(hào)并記錄接收到的信號(hào)的坐標(biāo)位置和信號(hào)強(qiáng)度，發(fā)送到鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)； (8)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝有PIT檢測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心，通過PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A是否處于M、N、Q所組成的三角形內(nèi)，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于三角形MNQ內(nèi)部和外部分別進(jìn)行定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種煤礦井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟(8)如下: A.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ中時(shí)，在三角形MNQ中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為P，將三角形MNQ分為三個(gè)三角形，包括三角形MNP、三角形NQP、三角形MPQ，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N、P、Q同時(shí)廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收，根據(jù)PIT原理判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形中； B.確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所處的三角形中時(shí)，繼續(xù)在這個(gè)三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，再次形成三個(gè)小三角形，縮小定位范圍，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)三角形之中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果； C.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于三角形MNQ外時(shí)，即處于外接圓MNQ和三角形MNQ之間，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)N和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q廣播發(fā)送自身信息包括功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A同時(shí)接收，根據(jù)到達(dá)的信號(hào)強(qiáng)度RSSIm、RSSIqa、RSSIna信判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和圓弧之間，如果RSSIma最小，則處于圓弧QN和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)Q、N形成的區(qū)域中，如果RSSIqa最小，則處于圓弧MN和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、N形成的區(qū)域中，如果RSSIna最小，則處于圓弧MQ和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M、Q形成的區(qū)域中，然后在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的圓弧上面任意位置部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，記為R，與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B組成三角形； D.在圓弧上部署的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)R和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A所在區(qū)域的另兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B廣播發(fā)送自身信息包括坐標(biāo)信息和功率值，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收后利用PIT檢測(cè)系統(tǒng)判斷是否處于步驟C所述的三角形中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述的三角形中，在該三角形中任意部署一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B，把三角形分成三個(gè)小三角形，繼續(xù)判斷移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于哪個(gè)小三角形中，重復(fù)上述步驟，直到所要求的定位精度，進(jìn)行三角形質(zhì)心的計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A處于步驟C所述三角形之外，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A接收到的功率到達(dá)強(qiáng)度RSSI值判斷在哪兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)B和圓弧形成的區(qū)域中，判斷方法和步驟C中的一樣，重復(fù)上述步驟，直到要求的定位精度，進(jìn)行質(zhì) 心計(jì)算，得到精確的定位結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于煤礦井下的人員定位系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括設(shè)在井上的地面監(jiān)控中心，設(shè)在井下的傳輸基站，多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型的。本方法是一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非測(cè)距APIT的井下人員定位方法，根據(jù)井下巷道的結(jié)構(gòu)部署信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在訓(xùn)練階段，通過訓(xùn)練生成利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三個(gè)相交三角形的外接圓兩兩相交的交點(diǎn)坐標(biāo)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，在定位階段，根據(jù)PIT測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，得到未知節(jié)點(diǎn)的粗略位置，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息比較并在相應(yīng)的坐標(biāo)位置部署移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，利用PIT測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，進(jìn)行精確定位。本發(fā)明方法定位精度高、計(jì)算量小、受信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度影響小。
文檔編號(hào)E21F17/18GK103228041SQ20131005907
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者田子建, 姜燁 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)