改進LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應用

黃 菊

（南通科技職業(yè)學院，江蘇 南通 226007）

改進LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應用

黃 菊

（南通科技職業(yè)學院，江蘇 南通 226007）

針對船舶修造企業(yè)艙室的特殊工作環(huán)境的安全要求，提出一種以RFID射頻技術為基礎的人員定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)船上人員的軌跡分布與精準定位。采用改進的LANDMARC算法，通過用距離替換RSSI值對傳統(tǒng)的LANDMARC算法進行改進，解決在空間定位中的偏差問題。在實驗環(huán)境下對系統(tǒng)的設計思路進行了驗證，結果表明改進的LANDMARC算法具有更高的定位精度，可用于船舶修造密閉艙室作業(yè)人員的跟蹤定位。

RFID；艙室人員定位；LANDMARC

本文著錄格式：黃菊. 改進LANDMARC算法在艙室作業(yè)人員軌跡定位中的應用[J]. 軟件，2016，37（11）：129-132

0 引言

船舶修造艙室內作業(yè)是一種有限空間環(huán)境下的、風險較高的作業(yè)，由于其作業(yè)環(huán)境的特殊性，容易出現(xiàn)各種危險，易燃易爆氣體、有毒氣體、各種機械傷害和人身傷害等，在安全管理上稍有疏忽，就會引發(fā)事故[1]。

隨著物聯(lián)網技術的興起，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）開始被應用于人員定位領域，如倉儲貨物定位、圖書管理、煤礦井下人員定位等。標簽、讀卡器和傳遞射頻信號的天線就可以組成一個最基本的RFID系統(tǒng)。遠距離射頻卡和讀卡器被用來感應射頻識別物體，讀卡距離可達100米，可同時識別100張感應卡，讀卡速度達到100公里/小時，能夠對快速移動的物體或人員進行遠距離準確識別。

因此，本文提出了基于改進的LANDMARC算法的RFID定位技術，利用其設計一個適用于船舶修造密閉艙作業(yè)的人員定位系統(tǒng)，以此提高船舶修造企業(yè)的信息化水平，規(guī)范作業(yè)人員的作業(yè)情況，實時鎖定作業(yè)人員在有效工作區(qū)域內的位置，加強安全防范，為緊急或危險情況下，快速尋找人員提供有效定位線索。

2 相關工作

2.1 遠距離射頻卡的工作原理

遠距離射頻卡的內部有唯一的序列號，并可以

存儲一系列的數(shù)據(jù)，當感應卡處于讀卡器的有效讀取范圍內時，遠距離射頻卡被讀卡器連續(xù)發(fā)射的電磁問詢信號激活，從而反饋給讀卡器一個攜帶有感應卡號的應答信號，通過遠距離射頻卡與讀卡器之間的信號問詢與應答，讀卡器能夠準確快速地識別遠距離射頻卡內攜帶的號碼，并將讀取到的遠距離射頻卡號和內部存儲的數(shù)據(jù)按照一定的輸出格式輸出給計算機、外部控制器或其他終端設備，從而實現(xiàn)對遠距離射頻卡的識別。

遠距離射頻卡采用射頻技術，穿透能力強，可穿透人的身體，因此卡片可隨身攜帶，不必在感應范圍內人工取卡去對準讀頭；無方向性，只要物體經過感應區(qū)范圍就能讀取到；卡片為被動式工作，對人體無害，只有當卡片在讀卡器感應范圍內，電子卡才工作，省電高效。

2.2 LANDMARC介紹

本文采用的是LANDMARC定位系統(tǒng)，其受環(huán)境影響小，且系統(tǒng)搭建簡單。LANDMARC是基于有源RFID動態(tài)校驗的定位算法，采用固定位置的參考標簽來進行輔助定位。當待定位標簽位于RFID讀寫器的檢測范圍內時，獲取其到達讀寫器的信號強度。信號強度與距離具有對應關系，LANDMARC定位算法通過待定位標簽的信號強度與參考標簽發(fā)送到讀寫器的信號強度做相應的計算，得到兩者的距離關系，來實現(xiàn)輔助定位。其核心思想是采用額外的固定參考標簽的信號強度與待定位標簽的信號強度反映距離信息，依據(jù)“最近鄰居”思想，結合參考標簽的權值和坐標，計算出待定位標簽的位置。

2.3 改進的LANDMARC算法

LANDMARC定位算法應用于船舶修造密閉艙這一特殊工作環(huán)境下，在某些情況下會出現(xiàn)偏差。在修造艙中有位置確定的監(jiān)控節(jié)點，在這些確定位置上依次布置好標簽作為定位區(qū)域的參考標簽．但在實際的定位實驗中發(fā)現(xiàn)，作業(yè)人員并不是固定在船艙地面工作，而是工作在三維空間，某些區(qū)域無法合理的布置參考標簽。而傳統(tǒng)的LANDMARC設計是應用于平面的，因此需將定位模型構建在空間中。

考慮到多數(shù)作業(yè)人員會將標簽佩戴于胸前，為了使讀寫器更可靠的讀到人員的標簽信息，因此確定天線的安裝位置為距離地面一米的高度處。天線位置確定后，需設計參考標簽的具體位置。為了適應天線安裝的高度，確保算法的精確性，參考標簽需要設定在整個空間中。但在實際應用中，在整個空間分布多層標簽既不合理，也不可行。傳統(tǒng)的LANDMARC算法是基于信號強度的，因此為了得到參考標簽的信號強度信息，參考標簽的設定是必不可少的。在本次設計中，將算法依靠的信號強度轉換成距離，來解決上述問題。

將傳統(tǒng)LANDMARC系統(tǒng)中參考標簽的位置用相應的坐標點替換，即參考標簽的坐標為已知的。在已知天線坐標的情況下，可求出參考標簽到天線的距離。然后通過獲得待定位標簽到天線的距離，用所獲得的所有距離代替信號強度，其他原理相同，則可以根據(jù)參考標簽的坐標以及計算所得的權值，計算得出待定位標簽的坐標。

（1）參考標簽到讀寫器的距離

根據(jù)參考標簽的坐標，計算其到讀寫器的距離：

（2）待定位標簽到讀寫器的距離

待定位標簽到讀寫器的距離為：

（3）參考坐標與待定位標簽的歐式距離

參考坐標jCT和待定位標簽iDT之間的歐式距離為：

（4）參考標簽的權值

選取最小的k個LRE（k<20），組成集合LRE=同時確定與選出的k個E相對LR應的參考標簽。按照LRE的大小賦予相應參考標簽在定位過程中不同的權值。參考標簽的權值為：

（5）計算待定位標簽的坐標

待定位標簽的坐標計算公式為：

下面要解決的問題就是確定待定位標簽到天線的距離?，F(xiàn)在已知待定位標簽到達讀寫器的信號強

度，因此只需將接收到的信號強度轉換成距離，就能實現(xiàn)本系統(tǒng)的定位功能。

（6）RSSI測距

無線信號在實際應用中，會受到多種環(huán)境因素的影響，測量RSSI時，模型的選取直接影響測距的精度。在無線信號傳輸過程中，讀寫器接收到的待定位標簽的信號強度與兩者之間的距離轉換，一般采用的理論模型為漸變模型，為了便于計算，參考距離一般選擇為1 m。

其中：A為發(fā)射端和接收端相隔1米時的RSSI；n為環(huán)境衰減因子，與溫度、濕度等環(huán)境相關；d為當前距離。

當A和n確定時，在已知信號強度的情況下，可知讀寫器與待定位標簽之間的距離。

3 作業(yè)人員軌跡定位功能的實現(xiàn)

作業(yè)人員軌跡分析是依據(jù)人員定位所得的結果確定的。定位系統(tǒng)主要由讀寫器和天線組成。采用改進的LANDMARC算法實現(xiàn)人員的定位。

3.1 RFID架構設計

通過RFID設備來實現(xiàn)對于人員行蹤的掌握。在艙室的四個角分別安裝四個讀寫器，位置安裝在距離地面一米的地方。參考標簽設定為三層，呈矩形分別擺放在讀寫器上下。使用RFID技術對作業(yè)人員進行定位，并記錄不同時間段內，作業(yè)人員的不同坐標，將坐標與時間匯總，便可得到人員的行蹤。系統(tǒng)同時記錄下讀寫器的編號、人員ID號和讀寫器狀態(tài)等相關信息，并將相關數(shù)據(jù)存儲到SQLServer2008數(shù)據(jù)庫中。

3.2 數(shù)據(jù)庫設計

通過RFID設備所獲取的信號強度信息實現(xiàn)人員的行蹤定位。因此要實現(xiàn)人員定位，所需的數(shù)據(jù)包括被定位標簽的ID號，采集數(shù)據(jù)對應的時間，不同的天線采集到的信號強度，和信號強度所對應的天線號以及經過計算所得的距離。

在數(shù)據(jù)采集完畢后，系統(tǒng)會將信號強度轉換成距離，與其他數(shù)據(jù)一并存儲到表相應的列中。

3.3 基于改進的LANMDARC算法實現(xiàn)人員定位功能

根據(jù)2.3中得到的測距模型，測得天線接收到標簽的信號強度信息，然后將信號強度轉換成距離，進而應用改進的LANDMARC算法，對作業(yè)人員實現(xiàn)定位功能。

參數(shù)A和n在不同的環(huán)境，具有不同的值。A和n的值決定了接收信號強度和傳輸距離的關系，分析這兩個常數(shù)對信號傳輸距離的影響。在中遠船舶的舾裝作業(yè)現(xiàn)場通過現(xiàn)場實驗獲得相應的參數(shù)值。

根據(jù)擬合程序得A為-45.8，n為2.61。代入測距模型得：

表1 定位信息表

四個天線檢測到標簽時，將獲取的標簽ID號、信號強度RSSI和獲取時間，傳輸?shù)阶x寫器中。在Visual studio2010中將信號強度轉換成距離，并將轉換后的信息，存儲到數(shù)據(jù)庫中的表TagInfo中。通過調用數(shù)據(jù)庫中表TagInfo的Tag_Distance，結合改進后的LANMDARC算法，實現(xiàn)人員的定位功能。其中將RSSI轉換成距離的關鍵代碼如下：

4 定位檢測實驗及結果分析

4.1 人員定位測試

選取中遠船務的船舶底邊艙為作業(yè)現(xiàn)場進行實驗。在艙室的四個角安裝四個讀寫器，任選10個位置，作為待定位標簽的放置位置。作業(yè)人員攜帶RFID標簽，當進入讀寫器的有效工作范圍內時，標簽自動將卡內儲存的信息和標簽的ID號發(fā)射出去；讀寫器接收標簽發(fā)射來的射頻信號，內部MCU處理并提取信息經傳輸線傳送至監(jiān)控主機，主機通過內部設定軟件和定位算法對數(shù)據(jù)進行處理，最終由顯示屏顯示艙內作業(yè)人員的基本信息、作業(yè)位置、作業(yè)時間及移動軌跡等實時信息。

4.2 實驗結果

圖1為矩形模型布局下的LANDMARC算法和改進的LANDMARC 算法對選取的10個待定位標簽進行坐標計算。將兩種算法得到的坐標與10個位置的實際坐標相比較，得出定位誤差比較圖。在底邊艙中，傳統(tǒng)LANDMARC算法的估計誤差在0.48 m-1.9 m之間，平均誤差為1.29 m。而改進的算法，其估計誤差在0.29 m-1.59 m之間，平均誤差為0.96 m，結果證明改進的LANDMARC算法比傳統(tǒng)LANDMARC算法定位精度有明顯改善。

圖1 種算法的估計誤差比較

圖2 為LANDMARC算法和改進的LANDMARC 算法的誤差累積概率分布曲線（CDF）。通過計算處于某個定位精度之上的測量次數(shù)占總測量次數(shù)的比例，來評價改進算法的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的LANDMARC算法應用于空間定位時，會出現(xiàn)較大幅度的波動。改進后的LANDMARC算法的估計誤差EE在1.5米后趨于穩(wěn)定，定位精度收斂速度相對較慢，但穩(wěn)定性較好。

圖2 CDF曲線比較

5 結論

本文針對船舶修造企業(yè)艙室的特殊工作環(huán)境的安全要求，提出一種以RFID射頻技術為基礎的人員定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)船上人員的軌跡分布與精準定位。針對LANDMARC算法在實際空間定位中存在一定誤差的問題，對LANDMARC算法進行改進，使其與RSSI與距離轉換模型相結合，將LANDMARC算法建立在距離的基礎上，用測試距離代替信號強度，減少參考標簽。實驗結果證明，改進的LANDMARC算法具有更高的定位精度，穩(wěn)定性也較好。

[1] 徐昆倫, 王世強. 船舶修造密閉艙室作業(yè)危害因素分析及預防措施[J]. 安全, 2015, 02: 35-38.

[2] 殷紅. 改進LANDMARC算法在列檢員定位系統(tǒng)中的應用[J]. 蘭州交通大學學報, 2015, 34(6): 95-100

[3] 董永峰. 基于RFID的虛擬參考標簽三維室內定位算法[J].計算機工程與設計, 2015, 36(6): 1535-1539.

[4] 汪冬, 葛萬成. 基于參考標簽可信度和偏差自校正的RFID室內定位算法[J]. 計算機應用, 2014, 34(11): 3170-3172.

Application of Improved LANDMARC Algorithm to Personnel Location on Field Cabin

HUANG Ju
(Nantong science and technology Career Academy, Nantong, Jiangsu 226007)

Aiming at the safety requirements of the special working environment of ship building enterprise cabins, a personnel positioning system based on RFID radio technology is proposed to realize the trajectory distribution and precise positioning of ship personnel. By using the improved LANDMARC algorithm, the traditional LANDMARC algorithm is improved by replacing the RSSI value with distance to solve the problem of spatial localization. The results show that the improved LANDMARC algorithm has higher positioning accuracy and can be used in the tracking and positioning of ship building and confined cabin crews in the experimental environment.

RFID; Cabin personnel positioning; LANDMARC

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.028

南通市科技局科技計劃項目“基于RFID技術的軌跡分析考勤系統(tǒng)”(AA2013042)

黃菊(1981-)，女，碩士，講師，研究方向計算機軟件與理論、物聯(lián)網。