邱銀國 張振國 王小兵

(1.安徽科技學(xué)院城建與環(huán)境學(xué)院，安徽滁州233100;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽馬鞍山243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽馬鞍山243000;4.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心，安徽馬鞍山243000)

長期以來，在我國的煤炭開采過程中，井上、井下處于隔離狀態(tài)，井上人員無法及時獲取井下人員的實時位置等信息［1-2］，給日常管理與災(zāi)后救援工作帶來了極大的困難［3］。如何利用信息化技術(shù)提高煤礦企業(yè)對井下人員的管理水平是當前煤礦企業(yè)急需解決的問題［4］?，F(xiàn)有的人員定位系統(tǒng)大多通過將巷道平面分布圖的坐標系與定位分站及人員的坐標進行匹配，利用GIS地圖管理功能描述人員的平面位置。此類二維人員定位系統(tǒng)在一定程度上使得管理人員對井下人員的位置分布情況有所掌握，但由于巷道間的特殊關(guān)系，不同層的巷道在平面圖中有可能存在重疊的情形，因此目前的井下人員定位系統(tǒng)容易造成定位地點不明確、考勤爭議等情況，只能用于下井人員區(qū)域定位和進出登記［5-8］。為滿足煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的需求，本研究基于WiFi、虛擬現(xiàn)實、GIS等技術(shù)，構(gòu)建了煤礦井巷三維人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人員信息管理、實時顯示井下人員分布情況、跟蹤指定人員、動態(tài)展示人員位置及周邊環(huán)境信息等功能，可為災(zāi)后救援、考勤管理、生產(chǎn)調(diào)度等提供決策依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井巷三維人員定位系統(tǒng)基于WiFi、虛擬現(xiàn)實、GIS等技術(shù)實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)主要包括人員定位系統(tǒng)服務(wù)器、人員識別卡、定位分站、WiFi無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸接口、防雷器、數(shù)據(jù)引擎等，如圖1所示。

圖1 井巷三維人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 3D underground personnel positioning system

(1)識別卡。集成于下井人員所佩戴的安全帽中礦燈附近的位置，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，系統(tǒng)確定井下人員的位置實際上是確定人員隨身攜帶的識別卡的位置。當識別卡進入定位分站的識別區(qū)域時，將用于人員識別的數(shù)據(jù)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給定位分站。

(2)定位分站?？梢酝ㄟ^無線連接的方式接收識別區(qū)域內(nèi)識別卡發(fā)送的人員定位信息，并通過礦用通信電纜(CAN總線)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至地面服務(wù)器。

(3)數(shù)據(jù)傳輸接口。通過串口服務(wù)器與礦上局域網(wǎng)－環(huán)網(wǎng)連接，接收井下定位分站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并傳輸給服務(wù)器處理。

(4)服務(wù)器。接收通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳入的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)引擎對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在目標數(shù)據(jù)庫中。

(5)數(shù)據(jù)引擎。存在于服務(wù)器中的一組特定的數(shù)據(jù)處理程序?qū)θ藛T的定位數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范存儲，提高數(shù)據(jù)檢索的效率，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能做好數(shù)據(jù)準備。

1.2 系統(tǒng)工作原理

礦井巷道環(huán)境如圖2所示，巷道的長度可達幾百米甚至上千米，而其寬度和高度不過4～5 m，考慮到這種比例關(guān)系，完全可以忽略高度和寬度方向上的定位誤差，而只用人員在巷道軸向的位置來標識人員的實時位置。

圖2 巷道環(huán)境示意Fig.2 Schematic diagram of roadway environment

井巷三維人員定位系統(tǒng)的工作原理如下。

(1)井巷內(nèi)安置定位分站。安置的原則為在巷道轉(zhuǎn)彎或分叉處必須安置至少1臺分站，對于長度超過定位分站的有效定位距離的巷道，應(yīng)在其中間位置根據(jù)需要放置1個或多個分站以保證沒有定位盲區(qū)，并將其定向天線指向合適的方向，避免信號干擾。

(2)井下實測。在每個分站的定位區(qū)域內(nèi)，分別將識別卡置于距離分站最近與最遠處，測得兩處的信號強度，建立定位分站之間的拓撲關(guān)系表，如表1所示。由于信號強度理論上是呈線性變化的趨勢，因此，當識別卡位于某個定位分站的有效定位區(qū)域時，根據(jù)當前分站和下一分站的坐標所確定的直線的方程，結(jié)合該分站接收信號的強度，利用空間插值技術(shù)確定人員的準確位置。

表1 分站－分站拓撲關(guān)系Table 1 Topological relationship between sub-stations

(3)定位分站定期采集1次數(shù)據(jù)并將其通過礦用通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸至服務(wù)器，該數(shù)據(jù)稱為1個記錄。每個記錄的內(nèi)容由4個部分組成:定位分站中網(wǎng)卡的MAC地址、識別卡的MAC地址、定位分站接收的信號強度以及接收信號的時間。

(4)調(diào)度中心的計算機根據(jù)記錄中定位分站的MAC地址確定該分站及其下一分站的空間坐標，結(jié)合記錄中的信號強度可以確定識別卡(人員)的具體位置。在三維場景中，根據(jù)人員的坐標，應(yīng)用攝像機遮擋檢測算法，更新主攝像機的空間位置與方向。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

井巷三維人員定位系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)有無線實時定位、真三維顯示、改進的攝像機遮擋檢測技術(shù)。無線實時定位可實現(xiàn)對人員的實時跟蹤，真三維顯示可準確直觀地顯示人員的具體空間位置及周邊環(huán)境信息，改進的攝像機遮擋檢測算法可避免三維場景中障礙物遮擋攝像機視線情況的發(fā)生，確保人員周邊環(huán)境信息的實時全方位展示。

2.1 WiFi無線實時定位

WiFi是當前流行的一種無線局域網(wǎng)技術(shù)，又稱802.11標準［9］，是IEEE定義的一個無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標準，具有覆蓋范圍廣、可靠性高、傳輸速度快、有效距離長等特點［10-12］。該標準定義了2種工作模式［13］:ad hoc模式和infrastructure模式。前者為點對點模式，包含2個無線站點;后者即AP(Access Point，無線網(wǎng)絡(luò)接入點)模式，無線站點通過AP與現(xiàn)有的骨干網(wǎng)相連接，組成1個基本服務(wù)組(BSS)。

在無線局域網(wǎng)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，井下工作人員隨身攜帶的WiFi識別卡周期性地向AP發(fā)出信號，與定位分站進行信息交流。以圖2為例，在基站1的有效定位區(qū)域內(nèi)，實時定位過程如下。

設(shè)基站1的空間坐標為(x1，y1，z1)，基站2的空間坐標為(x2，y2，z2)，由這2個基站的坐標可確定的空間直線L的“點向式”方程為

由于基站1與基站2的空間坐標已知，因此，在3個未知數(shù)x、y、z中，若其中1個為已知，則另外2個是唯一確定的。由表1數(shù)據(jù)可知，在當前區(qū)域內(nèi)，信號最強度、最弱度分別為d1、d2，設(shè)人員實時位置為(x，y，z)，則坐標求解公式為

即

其中，d為接收到識別卡信號的強度。根據(jù)每一時刻的d值可確定x，同理可以求解出y和z，進而確定人員的實時位置。其他基站的定位原理與基站1的相同，不再贅述。

2.2 三維展示與攝像機遮擋檢測

系統(tǒng)采用優(yōu)秀建模工具3ds Max和實時仿真軟件Unity3d實現(xiàn)井巷人員周邊環(huán)境三維視景表現(xiàn)。視景表現(xiàn)系統(tǒng)由3個部分構(gòu)成:場景建模、視景生成和實時定位，如圖3所示。

圖3 井巷三維定位視景展示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of 3D underground positioning and scene displaying system

場景建模部分包括整理巷道平面分布圖紙(CAD格式)、素材采集，并以之為基準，輔以巷道中一定數(shù)量控制點的實測高程數(shù)據(jù)、井巷中物體的空間坐標數(shù)據(jù)、拓撲關(guān)系數(shù)據(jù)等，利用3ds Max軟件建立井巷環(huán)境的三維立體模型，效果如圖4所示。

圖4 井巷三維建模效果Fig.4 Effect of 3D roadway modeling

視景生成部分使用Unity3d的三維驅(qū)動接口實現(xiàn)虛擬場景的生成和驅(qū)動，包括虛擬定位分站對象構(gòu)建、井巷模型構(gòu)建、其他場景元素構(gòu)建、煤礦場景的虛擬裝配等，并實現(xiàn)基礎(chǔ)的人機交互功能;實時定位部分可實時生成人員角色模型，并通過定位模塊接口對人員進行實時定位顯示。

在系統(tǒng)實時展示人員的位置信息及其周邊三維場景信息時，應(yīng)用攝像機防遮擋技術(shù)可有效避免由于攝像機與人員之間存在障礙物而導(dǎo)致攝像機視線被遮擋的問題。即在每一次人員定位時，根據(jù)人員與攝像機之間的通視情況適當調(diào)整攝像機的位置以保證目標人員恒位于攝像機的視野之內(nèi)。設(shè)在定位過程中，系統(tǒng)預(yù)設(shè)的攝像機與人員間的距離為D且方向為恒定量。在計算獲得人員坐標數(shù)據(jù)后，先按恒定的方向與D確定攝像機的坐標與方向，然后根據(jù)攝像機與人員之間的通視性調(diào)整攝像機的坐標。通視性檢測方法為:以攝像機坐標為起點，發(fā)射1條經(jīng)過人員坐標位置的射線，并計算位于攝像機與目標人員之間的線段與三維場景中所有物體的交點。若交點數(shù)量為0，則無需調(diào)整攝像機的位置;否則，獲取距離目標人員最近的1個交點坐標，并將其作為調(diào)整后的攝像機坐標值。核心代碼從略。

應(yīng)用改進的攝像機遮擋檢測算法進行人員定位的效果如圖5所示。

圖5 井巷三維人員定位系統(tǒng)效果Fig.5 Effect of 3D underground personnel positioning system

3 定位性能評估

為驗證定位算法的性能，以同煤集團某礦為試點，進行了實地模擬實驗。以KJ98基站為硬件平臺，在一個長約75.3 m、寬約3.5 m、高約2.5 m的區(qū)域內(nèi)對15個采樣點進行定位實驗，結(jié)果如表2所示。

表2 實驗結(jié)果Table 2 The result of experiments

表2中的誤差定義為

其中，(xr(i)，yr(i)，zr(i))表示識別卡實際位置;(xd(i)，yd(i)，zd(i))表示系統(tǒng)定位的結(jié)果數(shù)據(jù)。

對誤差進行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 誤差分析結(jié)果Table 3 The result of error analysis

其中，平均誤差珔E、誤差標準差srr及均方根誤差sJF的定義分別為

其中，m表示采樣點數(shù)量。

由實驗結(jié)果可知，井巷三維人員定位系統(tǒng)的定位誤差基本控制在3 m之內(nèi)，基本滿足井下實時定位的需求。系統(tǒng)定位誤差隨著識別卡與定位分站之間距離的增大呈增大趨勢，可以通過增加井下定位分站的數(shù)量，達到減小定位誤差、提高定位精度的目的。

4 結(jié)論

目前常用的人員定位系統(tǒng)以二維顯示形式為主，其適用于地面定位，能從全局的視角洞察人員整體分布情況，但在煤礦井下的應(yīng)用存在較大缺陷。煤礦的巷道分布錯綜復(fù)雜，且存在上下層重疊的情況，二維的人員定位系統(tǒng)僅能顯示人員所在的平面位置，無法表達上下層的信息，因此無法準確判斷人員的具體位置等。介紹了一種井巷三維人員定位方法，采用三維全景的方式來顯示人員位置及周邊環(huán)境，可以準確得知其具體位置，為調(diào)度管理、應(yīng)急指揮、解決定位模糊、考勤爭議等問題提供了決策支持。通過井下實驗驗證了系統(tǒng)的定位誤差基本控制在3 m之內(nèi)。

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