化工場景密閉環境中精確定位系統的設計及實現方法

作者簡介：刁家久（1985-），高級工程師，從事化工場景密閉環境下的定位技術研究、開發和工藝改進工作，dqy102030@163.com。

引用本文：刁家久.化工場景密閉環境中精確定位系統的設計及實現方法[J].化工自動化及儀表，2023，50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 設計了一種化工場景下密閉環境中的精確定位系統。介紹了系統工作原理與實現方法，并給出了系統優勢及其創新點。該系統解決了傳統井下定位技術的弊端，可在工業生產場景中進一步推廣應用。

關鍵詞? 精確定位系統? 磁通量? 方差增量比? 非接觸檢測? 密閉環境? 抗干擾

中圖分類號? TH862? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼? B? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

在我國化工生產作業中，密閉環境中的機車運輸、人員行走直接關系到生產效率與安全。由于機車運輸任務繁重、工作繁忙，極易造成翻車、出軌、對撞、追尾及撞人等事故，當發生事故時對機車、人員快速準確定位是應急救援的關鍵。目前，我國在密閉環境下人員的精確定位技術方面已有很大進展，但都存在一定的缺陷，例如通過無線信號傳播損耗計算距離，存在誤差大的缺點，且受環境影響較大[1]；通過電纜接收無線信號的位置從而計算距離，存在成本高的缺陷[2]；通過無線信號飛行時間計算距離，存在近距離誤差大于10 m的缺陷[3]；通過無線信號相位計算距離，存在天線安裝要求高、距離誤差大的缺陷。

近年來，超寬帶（UWB）無線定位技術由于功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統復雜度低等優點被廣泛應用[4～7]，但是該技術正處于發展初級階段，使用環境誤報等問題導致其電子產品誤差難以克服，定位算法精度有待改進。采用RSSI殘差分析計算法實現精確定位，盡管是對原信號接收強度精確定位的改進，但由于無法判斷電子元件波動和環境干擾帶來的噪聲信號，無法從根本上消除噪聲的影響，故影響了整體定位的精度[8，9]。

筆者改進了傳統的通過殘差檢驗和方差檢驗來判斷數據真偽的方法，通過比較整個檢測路徑上各磁場接收單元的磁通量dB/dt強度后得出比較數據，從而提高測試精度；在數據分析和采集上，通過屏蔽信號噪聲和電子元件波動帶來的干擾誤差，從而達到提高系統抗干擾性、可靠性的目的。

1? 精確定位系統方案

磁場發生源在使用前首先用唯一的數字編碼和移動物體進行匹配，并將匹配關系存儲于系統中；磁場發生源采取有源模式并使用固定設置的低頻率激勵方式，向周圍的磁場接收單元發射移動物體的數字編碼信息。當固定在物體上的磁場發生源移動時（例如便攜式磁場發生源攜帶在人身上進行移動時），布置在周邊的磁場接收單元會感受到不同的磁力線變化而產生感應電動勢ε，通過感應電動勢算法模型可反算出各磁場接收單元磁通量dB/dt的變化值；再依據畢奧沙伐定律的算法模型即可反算出各磁場接收單元距離磁場發生源的距離r。

首先任取3個接收點的平均磁通量dB/dt值作為閾值對整個磁場接收單元的dB/dt值進行掃描，同時采用方差增量比和檢測值同方向增大的數據判斷方法，將具有同向增大或同向變小的數值保留下來；與原始閾值比較，保留最大值為最新閾值，再循環比較整個檢測路徑上的磁通量dB/dt信號，只保留循環比較后得出的磁通量最大值和次大值；依據磁通量和電動勢算法模型以及兩個磁通量值反算出位置半徑關系，在兩個半徑交叉處即為磁場發生源的位置。最后結合基礎定位模擬數據庫信息，即可在上端分析系統中將每個移動物體的具體信息和定位信息體現在模擬數據庫中，從而實現物體區別和精確定位。

系統原理如圖1所示。

圖1? 系統原理示意圖

2? 實現方法

精確定位系統采用模塊化設計，組件包括：磁場發生源、磁場接收單元、數據采集單元、外圍處理電路、數據計算單元、CPU、傳輸網關及上端分析系統。其中，數據采集單元內嵌在磁場接收單元內，算法模型設置在CPU中。磁場發生源由有源磁場發生器和頻率發生器構成。磁場接收單元由磁場接收器和計數器構成。

2.1? 檢測前期準備

在密閉環境內按照規律性間距布置磁場接收單元，并將磁場發生源固定在待測量定位的移動物體上。

每個磁場發生源對應一個唯一的數字編碼，并在使用前將磁場發生源的數字編碼和移動物體進行匹配，匹配關系存儲于系統中。

磁場發生源采取有源模式，使用固定設置的低頻率激勵方式，向周圍的磁場接收單元發射數字編碼信息。

采用磁場發生源參考模塊在井下巷道進行模擬。首先明確每個磁場接收單元在井下巷道的實際位置，其次將磁場發生源參考模塊分別靠近各個磁場接收單元，得到定位的模擬位置數據，將生成的模擬定位數據上傳到監控中心存儲，形成基礎定位的模擬數據庫。

2.2? 移動測算方式

當待定位的物體發生移動時，實際上是磁場發生源發生移動。整個檢測路徑上布置在各周邊的磁場接收單元會感受到不同磁力線的變化而產生感應電動勢εi，每個磁場接收單元產生的感應電動勢εi計算式為：

，i=1，2，3，…，m，n，…

磁場接收單元為螺線管感應線圈，在交變磁場中，線圈匝數N已知，面積S已知，通過反算即可得到磁通量的單位變化值dBi/dti。

每個磁場接收單元接收固定在移動物體上磁場發生源發出的頻率信號?并存儲。將第1個磁場接收單元接收到的定位數據打包，定位數據包的格式為[?1，dB1/dt1]，類似的，將第i個磁場接收單元接收到的定位數據打包，定位數據包的格式為[?i，dBi/dti]。每個數據包的首端是由磁場發生源的頻率發生器發出的數字編碼信息，在本系統中具有唯一性。數據網關在傳輸過程中首先檢查定位數據包的首端內容，當首端內容相同時執行循環掃描比較。若系統中發現某個首端數據在本系統中沒有出現時，記錄包含有首端數據fi的所有定位數據包，直至下一次發現含有相同的首端數據，再執行循環掃描對比。

2.3? 循環掃描對比基礎閾值

任取3個磁場接收單元的平均磁通量dB/dt值作為基礎閾值，循環掃描整個檢測路徑上另外的磁場接收單元的磁通量dB/dt信號強弱。依據另外的各磁場接收單元的磁通量dB/dt值，對每個新獲得的dB/dt值采用方差增量比和檢測值是否同方向變化的數據判斷方法，將具有同向增大或同向變小的數值保留下來；同時和原始閾值比較，保留最大值為最新閾值；然后依次循環檢測整個路徑上的其他磁通量dB/dt值，最終保留最大值和次大值。

將磁場接收單元磁通量dB/dt值記為xi，相關公式如下：

其中，i為第i個檢測點與磁通量均值的方差，為系統有顯示的各磁場接收單元的磁通量平均值。

判斷方差增量比和檢測值是否同方向變化，▽表示變化量，當▽大于零則數據保留；同時和原始閾值比較，保留最大值為最新閾值；▽小于零則舍棄數據。具體算法為：

按照▽的判斷方法，循環比較整個檢測路徑后，只保留磁通量dB/dt信號的最大值和次大值，下角標分別為max和submax。最終，傳輸網關中只保留兩個數據包[?max，dBmax/dtmax]和[?submax，dBsubmax/dtsubmax]，并上傳至上端分析系統。

2.4? 位置反算定位

依據磁通量和電動勢算法模型即可反算磁場發生源的位置半徑r，在dB/dt信號最大值和次大值兩個半徑的交叉處即為磁場發生源頭的位置，算法模型為：

其中，m0為真空磁導率，I為感應電動勢電流。

根據前期準備階段的基礎定位模式數據庫信息，即可得到巷道井下移動物體上磁場發生源的基礎位置信息；同時提取傳輸網關中定位數據包的?max和系統中原始存儲的數字編碼信息，即可確定移動物體的詳細信息。

2.5? 針對多目標的精確定位

當密閉環境中有兩個移動物體（包含人、機車等）需要確定具體位置時，分別記錄為A和B。基于2.2～2.4節的計算思路設計測算步驟如下：

a. 將第1個磁場接收單元接收到的定位數據打包，定位數據包的格式為[?A，dB1A/dt1A]和[?B，dB1B/dt1B]；類似的，將第i個磁場接收單元接收到的定位數據打包，定位數據包的格式為[?iA，dBiA/dtiA]和[?iB，dBiB/dtiB]。

b. 檢測每個定位數據包的首端并掃描所有定位數據包的首端數據?i，若系統中發現某個首端數據在本系統中沒有出現時，記錄其定位數據包，并重復2.2～2.4節方法。

c. 逐步掃描所有定位數據包的首端數據?i。每發現1個新的首端數據?i，就按照2.2節的方式執行，直至不再發現新的首端數據。此時，上端分析系統中每個移動物體的具體信息和定位信息在模擬數據庫中即可體現出來，從而實現物體區別和精確定位。

3? 系統優勢及創新性

目前，該精確定位系統及定位方法已獲得國家發明專利授權[10]。相比于其他定位技術，本系統具有以下創新點：

a. 磁場發生源將磁場發生源和頻率發生器結合，在磁通量變化的同時發射移動物體的基本信息，并依據感應磁通量的強度進行定位；在以3個磁場接收單元感應電動勢平均值為閾值的基礎上，循環掃描整個檢測路徑上各磁場接收單元磁通量變化引起的電動勢值，保留整個檢測系統的較大值，丟棄較小值，從而更全面地判斷出各循環節點上的信號數值和定位信息，實現最優檢測參數的篩選。

b. 采用方差增量比和檢測值同方向增大的判斷方法，對于具有同向增大或同向變小的數值才保留，同時和原始閾值比較，保留最大值為最新閾值，循環比較整個檢測路徑上磁通量dB/dt信號，最終保留磁通量dB/dt信號最大值和次大值。在數據分析和采集上，屏蔽了信號噪聲和電子元件波動帶來的干擾誤差，使得抗干擾性較強。

c. 通過循環比較整個檢測路徑上各磁場接收單元磁通量的最大值和次大值，并依據磁通量和電動勢算法模型以及兩個磁通量值即可反算出磁場發生源的位置，即在兩個半徑交叉處即為發射源位置。該系統測試可靠，精度高，可對化工場景、礦井等密閉環境下的人員、機車運行軌跡實現區分識別、精確定位。

d. 采用非接觸檢測方式，能夠連續高精度地檢測相對位置，避免滑摩、磨損等故障，提高了系統的安全性；能夠在多種復雜環境條件下可靠工作，能實現位置檢測和數據通信的合用，降低了成本，而且安裝維護簡單。

4? 結束語

筆者設計了一種精確定位系統，解決了傳統井下定位技術的弊端。采用方差增量比和檢測值同方向增大的數據分析判斷方法，使得檢測結果不受測試系統的電子元器件噪聲和外界環境干擾。循環比較整個檢測路徑上各磁場接收單元的磁通量較大值和次大值，通過反算定位出測試位置，解決了密閉環境下精確定位和數據高效篩選的微觀測量、精確測量等問題。數據的實時傳輸功能，保證了監控的精確性，能夠對人員、機車運行軌跡等實現精確定位，保障安全生產。該系統具有在線測量、適用廣泛等特點，可在工業生產場景中進一步推廣應用。

參? 考? 文? 獻

[1] 鄭溟.礦井無線通信與人員定位技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2020.

[2] 羅志瑛.泄漏電纜導波雷達高精度定位信號處理方法研究[D].大慶：東北石油大學，2016.

[3] 田明明.ZigBee無線網絡在井下人員定位系統中的應用研究[D].淮南：安徽理工大學，2013.

[4] 徐敏.基于UWB的井下定位技術研究[D].南京：南京郵電大學，2020.

[5] 陳新科，喻川，文智力.UWB定位技術在煤礦井下的應用[J].煤炭科學技術，2018，46（S1）：187-189.

[6] 劉世森.基于UWB的礦井人員精準定位技術[J].煤礦安全，2019，50（6）：118-120.

[7] 劉世森.基于UWB的礦井機車測速系統[J].煤礦安全，2020，51（7）：136-139.

[8] 陳治.基于無線傳感器網絡的礦井人員定位系統研究[D].合肥：合肥工業大學，2017.

[9] 劉云，房飛翔.基于LO-EKF算法對礦井人員定位跟蹤的優化研究[J].云南大學學報（自然科學版），2016，38（3）：392-398.

[10] 刁家久，何達文，刁燦發，等.一種井下精確定位系統及井下定位方法：ZL201710818404.5[P].2017-08-04.

（收稿日期：2022-12-29，修回日期：2023-10-16）