基于慣性導航和Wi-Fi 6的礦井人員融合定位管控

王夢佳， 張光權

(1.武漢科技大學，資源與環境工程學院, 湖北，武漢 430081;2.湖北省工業安全工程技術研究中心， 湖北，武漢 430081)

0 引言

安全生產是產量的保證。我國95%的煤礦是地下開采，煤層條件復雜多變，災害頻繁發生，造成了非常嚴重的影響。為了進一步保證礦山的安全生產,國家要求完善六大系統以防范風險，尤其是人員定位系統，使人身安全得到有效保障。

至今人員定位技術已經取得了豐富成果。根據原理劃分有基于到達時間的TOA/TDOA[1]定位和基于RSSI[2]的AOA定位[3]。根據無線硬件裝置劃分有GPS定位[4]、Wi-Fi定位[5]、ZigBee定位[6-7]和RFID[8]定位等。常用的室內定位技術見表1。

表1 室內定位技術

室內定位技術各有優劣，慣性導航只和自身有關而不依賴外部信號，由于存在慣性漂移的問題，因此采用外部固定的Wi-Fi 6提供位置信息進行修正，以提高定位精度。故設計將Wi-Fi 6定位與慣性導航定位的信息作融合計算，以此來提高礦井人員定位的可靠性。

1 基于Wi-Fi 6和慣性導航的人員定位系統

1.1 Wi-Fi 6技術

Wi-Fi定位算法主要包含兩種：基于TDOA的定位算法和基于RSSI的指示定位算法。兩種算法均需不少于3個接入點(AP)，這導致地下巷道的工作崗位增加，給網絡的建立帶來了問題。鑒此采用的是一種基于接收信號強度(RSSI)的指示定位算法。在Wi-Fi 6[9]時代，選擇SR(space reuse)技術以及2套NAV機制，依靠AP設置，AP運行于相鄰AP時仍然做到穩定無線傳輸，促使網絡容量明顯增加。

1.2 慣性導航算法模型

慣性導航是一種推算式導航，可轉化為找尋定位點與目的地之間的可行路徑[10]。由于所得結果來自積分運算，隨著時間和位置的不斷推移，誤差會不斷累積[11-12],因此需借助Wi-Fi外部固定點來修正[13]。慣性導航的相對位置可以從載體的運動中推斷出來，獨立于外部信息，適用復雜的井下環境。

算法包含3種。

(1) 返回運動判斷。需要判斷正方向，初始化信息，各標簽朝向屬性均設定成true。判斷的數量設置為3個，使用當前位置p0與后3個時刻p1、p2和p3相對比，如果這些都是反向的，則標簽是返回。假定p0正向運動，則t1時有p1>p0，在實測數據方面，發現p1、p2、p3均不超過p0，那么忽略p1、p2、p3的大小，判斷標簽折返。判斷程序偽代碼為：

if(flag=false)){

if(after>before){

countPos+=finalSpeed;

count=0;}

else{

count+=1;

}

}else if(flag=true){

……}

(2) 靜止判斷。必須和上個時刻位置進行比較，若連續3個時間間隔位置保持相應區域中，則判斷為靜止。相關代碼為：

if(abs(tempPos-lastPos)

stopFlag+=1;

if(stopFlag≥3){

countPos = lastPos ;

return countPos ;

}

}

(3) 分時段的速度計算。首先計算距離導數速度,然后計算速度對時間的積分,加上基站的各個時期測量標簽的初始位置，求和，從而得到該標簽的最終計算位置，然后將計算的位置與實際測量的位置進行比較，修正標簽的最終顯示位置。為了計算給定標簽的速度Vt，使用恒定長度的等待窗口對測量到的原始數據進行預處理，最后根據隊列中實時變化的數據計算totalVt與dn。程序偽代碼如下：

point point=(node*)malloc();

p1.data=lastPos;

node *begin=head;

node *after=begin.next;

int i=0;

while(i

if(lastPos≥next.data){

if(after.next)

begin=begin.next;

after=after.next;

}

else{

after.next=point;

point.next=null;

break;

}

else{

begin.next=point;

point.next=after;

after=point;

break;

}

}

1.3 組合定位系統

將慣性導航與Wi-Fi構成組合定位系統[14]融合可以促使定位更準確。步態判斷是利用慣性導航中的加速度傳感器，能夠感測x，y，z軸方向加速度狀況，界面如圖1所示。

圖1 慣性定位系統

本文采用慣性導航定位和Wi-Fi 6定位中的RSSI模型定位信息組合[15]，在Wi-Fi 6系統測得輸出量的基礎上，利用相似度加權融合算法與RSSI模型計算相似度是否大于1去校正。相似加權融合算法計算過程如下:①定位開始獲取設備傳感器的信息，定位通過慣性測量指示步長、步長和行走方向信息；②通過RSSI模型的定位計算得到定位起點的位置，計算RSSI參數得到信號強度；③同時獲取掃描到的礦井下AP，選取由AP定位,然后記錄AP和信息的信號,并計算出位置用模型的RSSI定位算法；④計算當前固定點與前一個固定點信號的相似性，以及前一個固定點信號強度的可靠性，然后使用融合算法計算最終位置；⑤人員在井下的位置是通過第2、3、4步的重復循環來實現的。組合定位流程圖如圖2所示。

圖2 組合定位流程圖

1.4 電子地圖標注

電子地址地圖是指各種格式的礦井二維平面圖。標注的過程是探究室內各個子空間的區別與關聯，找出其位置及相互之間的拓撲關系。標注的信息形成一個txt文本文件，供定位算法使用。室內地圖的標注和處理是整個室內定位的基礎，目的是顯示井下礦工的位置和行走軌跡，使用地圖信息的內部定位算法。

通過標注軟件對地圖進行標注,用人工操作的方式把重要的子單元標注出來。有兩種主要類型:可訪問區域和不可訪問區域。標注子單元時，也標注各個單元間的拓撲關系。標注完成后形成txt文本文件并上傳至服務器，與此同時，原始礦井二維平面圖也上傳至服務器。

2 融合導航與礦難救援

2.1 遠程控制

慣性導航和Wi-Fi 6綜合定位系統，礦井工作人員的位置信息是實時更新的，借此實現精確定位。還能接入視頻通信與監控，從而實現遠程監控。

2.2 綜合風險管理

融合定位系統可以有效地幫助企業管理風險。能夠選擇危險或重要區域部署電子圍欄，通過權限規劃與管控，避免相關人員誤入；也能夠實時監測相關人員行為，譬如超時、靜止等，避免出現事故問題，真正做到早發現、早預防、早處理。

2.3 應急應變管理

若出現安全事故，礦工能夠通過簡單操作定位終端。管理層也可以利用本系統顯示各礦工位置信息，發送有效引導，促使礦工全部進入安全區。救援者能夠基于電子地圖，按照礦工當前位置展開救援，提高施救效率。

3 總結

礦井下環境惡劣,地點封閉，人員定位需求迫切，因此開展礦井人員定位管控與礦難救援系統具有現實意義。本文結合RSSI模型在慣性定位和Wi-Fi 6定位中的定位信息，通過電子地圖標注可以顯示井下礦工的位置和行走軌跡，實現了人員精確定位與管理，提升了礦井減災和應急救援的能力，具有十分重要的意義。