專利名稱：一種井下人員定位系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及無線電通信、測距和定位技術等領域。
背景技術：
井下人員定位是安全生產(chǎn)的重要措施。多年來人們采用各種方法對井下人員位置進行檢測。常用的定位方法有接受信號強度指示(Received Signal StrengthIndication, RSSI),測量到達角度(Angle Of Arrival, AOA),測量到達時間(Time OfArrival, TOA),測量到達時間差(Time Difference Of Arrival, TD0A)和射頻識別技術(RFID, Radio Frequency Identification)等方法。目前實際使用以射頻識別技術(RFID)為主，RFID利用射頻方式進行非接觸雙向 通信，以達到識別目的并交換數(shù)據(jù)。與其它接觸式識別技術不同，RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可實現(xiàn)對人員或物體在不同狀態(tài)下的自動識別和位置監(jiān)測。典型的射頻識別系統(tǒng)主要包括射頻卡和讀寫器兩部分。使用RFID具有以下問題1.定位精度受讀寫器分布密度限制，只能實現(xiàn)區(qū)域定位，不能做到誤差為幾米的精確定位；2.受RFID讀寫速度限制，不能處理多人同時快速通過讀卡系統(tǒng)的情況，易出現(xiàn)漏讀。信號強度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi網(wǎng)絡采用的主要定位方法，它根據(jù)無線信號的傳輸損耗模型計算移動節(jié)點與錨節(jié)點間的距離。移動節(jié)點接收到的信號強度隨距離發(fā)射機的位置變化而變化，即移動節(jié)點距離發(fā)射機距離越近，接收到的信號強度越強，反之，移動節(jié)點距發(fā)射機越遠，接收到的信號強度越弱，RSSI定位方法便是利用這一特性，將測得的信號強度轉換為距離預估值，然后將距離預估值與信號強度地圖進行比對分析，再經(jīng)過濾波確定最終定位結果，RSSI方法簡單易實施。但無線信號的傳輸損耗模型受環(huán)境影響巨大，所以一般RSSI定位系統(tǒng)往往必須依靠增加錨節(jié)點的密度和通過全局優(yōu)化算法來控制單方向上的定位誤差，但井下環(huán)境多為隧道組成的線狀環(huán)境，無法得到平面上其它方向的場強數(shù)據(jù)，所以當隧道中存在如較大金屬遮擋物等其它影響無線信號傳輸?shù)囊蛩貢r，定位誤差較大，所以需要一種不依賴于其它方向的場強數(shù)據(jù)的，能在井下準確地定位的定位系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種井下人員定位系統(tǒng)，通過定位服務器及無線接入點對使用專用的定位裝置的井下工作人員實現(xiàn)準確的定位，便于安全生產(chǎn)管理人員調度管理，并在礦井發(fā)生災害時，為救援人員提供較準確的人員位置信息，以提高救援效率和被困人員的獲救概率。所述井下人員定位系統(tǒng)，主要包括定位服務器、監(jiān)控終端、有線通信子系統(tǒng)、無線通信基站和定位裝置。有線通信子系統(tǒng)主要包括光纖、分光器和無線交換機；無線通信基站主要包括防爆箱、電源、備用電池、無線接入設備、天線隔離器和天線；在井下間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過光纖連接井上的無線交換機和定位服務器；定位裝置與無線通信基站間通過無線方式通信；所述系統(tǒng)通過井下人員攜帶的定位裝置實現(xiàn)人員定位。所述定位系統(tǒng)通過如下步驟實現(xiàn)人員準確定位1.定位裝置使用人員的步長計算，根據(jù)定位裝置使用人員身高記錄T通過以下公式得到其實際步長N:1. N =1. 85(τ-132)2.基準點檢測，井下各巷道中間隔一定距離安裝無線通信基站作為定位基準點，無線通信基站具有無線通信接入功能，定位裝置定時監(jiān)測與各無線通信基站所發(fā)射信號的場強，在定位裝置靠近無線通信基站時，場強到達峰值，以此無線通信基站的位置作為定位裝置的當前位置，并將無線通信基站的位置坐標作為定位裝置的可靠定位信息記錄存儲，以此無線通信基站作為當前定位基準點，同時開始計步。3.基于計步計算定位裝置距無線通信基站距離。定位裝置具有準確的計步功能，可實時記錄佩戴定位裝置人員的行進的步數(shù)，乘以自身存儲的佩戴位裝置的人員的個人步長，即得到被定位人員與當前參考無線通信基站的距離L L = MN,式中M為佩戴定位裝置的人員以當前定位基準點為起點所行走的步數(shù)。4.方向判斷，根據(jù)記錄的上次的可靠定位數(shù)據(jù)判斷佩戴定位裝置的人員的行進方向，如上次準確定位的無線通信基站為Α，此次準確定位的無線通信基站為B，則可判定人員的行進方向是由無線通信基站A向無線基站B方向移動；也可根據(jù)定位裝置檢測到的無線通信基站的場強變化趨勢來判定方向，當定位裝置檢測到兩個相鄰無線通信基站B和C的場強，如檢測到無線通信基站B的場強變化趨勢是逐漸變小，而無線通信基站C的場強變化趨勢是逐漸變大，則判定人員行進方向為由無線通信基站B向無線基站C方向移動；5.誤差判斷，定位裝置根據(jù)佩戴定位裝置的人員行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大于當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值；6.根據(jù)場強計算距無線通信基站距離，定位裝置檢測當前定位基準點所在無線通信基站和下一個定位基準點所在無線通信基站的信號場強，分別為Rdl和Rd2 ;場強與距離的公式為參考經(jīng)驗公式，相關參數(shù)通過現(xiàn)場測量得到，如下
權利要求
1.一種井下人員定位系統(tǒng)，包括定位服務器、監(jiān)控終端、有線通信子系統(tǒng)、無線通信基站和定位裝置、其特征在于有線通信子系統(tǒng)包括光纖、分光器和無線交換機；無線通信基站包括防爆箱、電源，備用電池、無線接入設備、天線隔離器和天線；在井下間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過光纖連接井上的無線交換機和定位服務器；定位裝置與無線通信基站通過無線方式通信；定位服務器通過井下工作人員隨身攜帶的定位裝置實現(xiàn)人員定位；在定位裝置靠近無線通信基站時，場強到達峰值，將此無線通信基站作為定位裝置的當前定位基準點；定位裝置具有計步功能，可實時記錄佩戴定位裝置人員在可靠定位后所行走的步數(shù)；步數(shù)乘以計算所得的佩戴定位裝置的人員的個人步長得到定位裝置與當前定位基準點的距離；根據(jù)定位裝置檢測到的兩相鄰定位基準點的所在無線通信基站場強計算距無線通信基站距離；取距離交集公共部分中心的值作為定位裝置與當前定位基準點的距離。
2.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于在定位裝置靠近無線通信基站時，場強到達峰值，以此無線通信基站的位置作為定位裝置的當前位置，同時作為可靠定位信息記錄存儲，并將此無線通信基站作為定位裝置的當前定位基準點。
3.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于非首次可靠定位時，根據(jù)所記錄的前一次的可靠定位數(shù)據(jù)判斷佩戴定位裝置人員的行進方向。
4.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)定位裝置檢測到的無線通信基站的場強變化趨勢來判斷佩戴定位裝置人員的行進方向。
5.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，定位裝置具有計步功能，其特征在于在定位裝置上安裝計步裝置，在佩戴定位裝置的人員行走時實時記錄行走的步數(shù)M。
6.如權利要求5所述的定位系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)被定位井下人員的身高記錄T，通過由下面的公式得到該人員的實際步長N :N =1. 85(T-132)。
7.如權利要求6所述的定位系統(tǒng)，其特征在于通過下面的公式得到定位裝置與當前定位基準點的距離L :L = MN,式中M為佩戴定位裝置的人員以當前定位基準點為起點所行走的步數(shù)。
8.如權利要求7所述的定位系統(tǒng)，其特征在于定位裝置根據(jù)佩戴定位裝置的人員行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大于當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值。
9.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于定位裝置檢測當前定位基準點所在無線通信基站和下一個定位基準點所在無線通信基站的信號場強，分別為Rdl和Rd2。
10.如權利要求9所述的定位系統(tǒng)，其特征在于基于場強進行距離計算，公式如下A-Rd^-Xd式中A為信號傳播Im遠時收信號的功率；η為傳播因子也稱為損耗指數(shù)，其數(shù)值大小取決于無線信號的傳播環(huán)境；Rd為定位裝置接收到的無線通信基站的信號強度，即RSSI值；X5為零均值的高斯分布正態(tài)隨機變量。將Rdl和Rd2分別帶入公式得到定位裝置與當前定位基準點的距離dl，定位裝置與當前定位基準點的距離d2。
11.如權利要求10所述的定位系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)場強所得距離dl和d2結合計步距離L，計算定位裝置與當前定位基準點所在無線通信基站的距離，將所有距離交集公共部分中心的值作為定位裝置與當前定位基準點的距離。
12.如權利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征在于將定位裝置到當前定位基準點所在無線通信基站的距離，代入兩無線通信基站所在的隧道的曲線方程得到定位裝置的當前坐標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種井下人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)包括定位服務器、監(jiān)控終端、有線通信子系統(tǒng)、無線通信基站和定位裝置。有線通信子系統(tǒng)主要包括光纖、分光器和無線交換機；無線通信基站主要包括防爆箱、電源、備用電池、無線接入設備和天線等；在井下巷道內間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過光纖連接井上的無線交換機和定位服務器；定位裝置與無線通信基站間通過無線方式通信；系統(tǒng)通過井下人員攜帶的定位裝置基于場強測距結合計步測距實現(xiàn)人員準確定位。本定位系統(tǒng)定位精度高，成本低，系統(tǒng)設備結構簡單，便于安全生產(chǎn)管理人員調度管理，在礦井發(fā)生災害時，可為救援人員提供較準確的人員位置信息，以提高救援效率和被困人員的獲救概率；是集井下人員考勤、調度管理、跟蹤定位、災后搜救等一體的綜合系統(tǒng)。
文檔編號H04W64/00GK103024663SQ201210464299
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者孫繼平, 劉毅 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)