专利名称：一种煤矿井下人员定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿井下安全监控与通信领域，特别是一种基于BP神经网络的非测距APIT煤矿井下人员定位系统。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源物质，煤矿在我国分布广泛，随着煤矿井下煤层的开采范围越来越大，难度越来越大，煤炭开采技术相对比较落后，所以经常会出现矿难，对于作业人员的安全问题构成了极大的威胁，普及安全意识和建立健全工作规章制度固然重要，但是很多不可抗拒因素造成的危害依然层出不穷，当矿难出现时，最重要的就是对工作人员进行营救，但是由于矿井这个特殊的环境对营救工作人员增加了一定的难度，所以一套完善的煤矿井下人员定位系统就显得尤为重要了。目前井下人员定位系统种类有很多，测距方面的主要有TOA、TDOA, AOA和RSSI等，基于到达时间的TOA需要精确的时间同步，无法用于松散耦合型定位，基于到达时间差的TDOA需要考虑传播距离对超声波的影响，基于到达角度的AOA由于受外界环境影响，需要额外的硬件，基于信号到达强度RSSI由于理论和经验模型的估测性质，具有较大的定位误差，另外基于测距原理的定位方法虽然符合低功率，低成本的要求，但是通信量和计算量大，节点造价高，消耗了有限的电池资源，而且在测量距离和角度方面需要进行大量的研究。非测距方面主要有质心算法、凸规划、DV-Hop，它们健壮性差，虽然计算量和存储量几乎不受限制，可以获得相对准确的位置估计，但是与中心节点位置较近的节点因为通信开销大而过早地消耗电能，导致整个网络与中心信息交流中断，基于非测距的APIT定位方法，虽然仅需完成节点一跳以内的通信就能定位，计算量小，通信开销小，但是要求信标节点密度和通信范围都足够大，而且在重叠区域的质心算法中采用网格扫描算法，算法复杂，计算量大、效率低，计算精度低，所以定位精度也比较低。BP神经网路可以对非线性系统进行训练得到准确度高的输入输出函数关系的模型，目前还没有将BP神经网络和APIT定位方法结合来对非测距定位方法进行改进，设计一套定位精度高、计算量小、通信开销小、节点数量少、计算精度高的定位系统就尤为重要。
发明内容针对现有技术的不足，特别是针对煤矿井下人员定位系统定位精度低、计算量大、通信开销大、节点数量多、计算精度低的问题，本实用新型公开了一种定位精度高，算法简单，节点数量小的定位系统。该系统将BP神经网络与非测距APIT技术结合起来，并结合巷道空间的实际特点，利用有限的参考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。[0005]为实现上述目标，本实用新型采用以下技术方案:上述系统是一种基于BP神经网络的非测距APIT的煤矿井下人员定位系统，包括地面监控系统传输基站、光纤、网关节点、总线、信标节点、移动节点A、移动节点B。[0007]所述地面监控中心包括多台计算机或者服务器组成的计算机监控网络，部分安装有BP神经网络系统，部分安装有PIT测试系统，并从传输基站接收成井下发来的定位信息，处理定位信息；所述传输基站是本质安全型交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。所述的每个网关节点包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源及总线模块，网关节点根据信标节点的布设方式和移动节点的信号覆盖半径布设在巷道壁上，负责接收移动节点发送的定位信息，并将其通过总线传送到传输基站。所述的每个信标节点包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源，在巷道内固定放置，使每三个信标节点可以组成一个三角形，每个信标节点向移动节点A发射定位信息包括自身位置信息和功率信息，上传至安装有BP神经系统的地面监控中心，经过训练得到任意信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交的交点坐标。所述的每个移动节点A包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源，与井下工作人员的身份相对应，置于井下工作人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作为辅助电源；移动节点A由井下工作人员随身携带；移动节点A周期性地向信标节点发射定位请求信号，并对接收到的信标节点的定位信息进行处理，移动判断节点A在不同方向移动时是否同时远离或靠近信标节点，生成相关的信息上传至安装有PIT测试系统的地面监控中心。所述的每个移动节点B包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源，根据BP网络神经系统训练得到的输出位置坐标部署，移动节点B由井下机械移动设备携带，具有信标节点的功能。所述煤矿井下人员定位系统中涉及的井下设备，包括传输基站、光纤、网关节点、总线、信标节点、移动节点A、移动节点B均是本质安全型设备。所述的总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线，负责网关节点与传输基站之间的通信；所述的光纤负责传输基站与地面监控中心之间的通信。所述BP神经网络属于定位系统的训练阶段，安装在计算机或者服务器中，BP神经网络包括输入部分、隐层和输出部分三部分，实现非线性系统的输出和输入之间的函数关系，经过多次训练并且不停地进行权值的修正，把不符合实际结果的输入输出关系校正，得到最准确的输出和输入之间的关系，在本系统中以信标节点的信息包括自身坐标作为输入进行训练得到任意信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交的交点坐标作为输出函数。所述PIT测试系统属于定位系统的精确定位阶段，判断移动节点A是否在信标节点或者移动节点B所组成的三角形中，PIT测试系统的原理是令一个移动节点向一个方向移动，如果同时远离或者靠近三个信标节点组成的三角形的三个顶点的位置，判断这个移动节点处于这个三角形内部，反之则处于该三角形外部。上述定位实现分为两个阶段:训练阶段和定位阶段。所述训练阶段中，信标节点广播发送自身位置信息，移动节点接收信息，网关节点通过总线传送到传输基站，传输基站通过光纤传送到计算机中作为输入，通过BP神经网络进行训练，得到任意 信标节点组成的三个相交三角形的每个三角形的外接圆两两相交的交点坐标，存储在数据库中；[0019]所述定位阶段包括粗略定位和精确定位两个阶段。所述粗略定位阶段中，移动节点A发射定位请求信号，信标节点发送自身位置信息，移动节点A接收信息，通过PIT检测系统判断，判断移动节点A的位置处于哪些信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交形成的公共区域，通过与训练阶段数据库的存储信息进行对比判断自身位置处于哪些信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交形成的公共区域中，找到相应区域的相交点的坐标，在相应的位置部署三个移动节点B，记为M、N、Q ;所述精确定位阶段中，利用PIT原理判断移动节点A是否处于M、N、Q所组成的三角形内，根据移动节点A在三角形的内部和外部分别进行定位。移动节点A处于三角形MNQ中时，在三角形MNQ中任意部署一个移动节点B，记为P，将三角形MNQ分为三个三角形，包括三角形MNP、三角形NQP、三角形MPQ，移动节点M、N、P、Q同时广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点A接收，根据PIT原理判断移动节点A处于哪个三角形中，在该三角形中任意部署一个移动节点B，将三角形分成更小的三个三角形，继续根据PIT原理判断移动节点A处于哪个三角形中，重复上述步骤，直到所要求的定位精度，进行三角形质心的计算，得到精确的定位结果。移动节点A处于三角形MNQ外时，即处于外接圆MNQ和三角形MNQ之间，移动节点M、移动节点N和移动节点Q同时广播发送自身信息包括功率值，移动节点A同时接收，根据到达的信号强度RSSIm、RSSIqaRSSIna判断移动节点A处于哪两个移动节点和圆弧之间，在圆弧上面任意位置部署移动节点B，记为R，与其中两个移动节B点组成三角形，这两个移动节点B和圆弧上部署的移动节点B广播发送自身信息包括坐标信息和功率值，移动节点A接收后利用PIT测试原理判断移动节点A是否处于该三角形中，如果移动节点A处于三角形内部时，重复内部时的步骤，如果移动节点A处于该三角形之外，根据移动节点A接收到的功率到达强度RSSI值判断在哪两个 移动节点B和圆弧形成的区域中，重复上述步骤，直到要求的定位精度，进行质心计算，得到精确的定位结果。本实用新型可广泛用于煤矿井下人员的精确定位，在训练阶段利用BP神经网络可以大幅度减少判断移动节点A所处三角形公共部分交点坐标的计算量，部署的信标节点的数量根据需要增加或者减少，具有一定的灵活性，最后质心的计算缩小到三角形的质心计算，计算简单，计算量小，而且定位精度极高，容易实现，本实用新型还可以实现井下的人员调度、考勤监督等。通过本实用新型，可有效的提高矿山的管理水平和工作效率。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1.本实用新型训练阶段利用BP神经网络大幅度减少了判断移动节点A所处三角形公共部分交点坐标的计算量。2.本实用新型与直接采用APIT定位方法相比，部署的信标节点的密度要求不高，移动节点B的部署根据需要增加，具有一定的灵活性。3.本实用新型采用PIT原理进行位置的判断可以减少计算量。4.本实用新型各节点间依赖关系不强，通信开销小。5.本实用新型移动节点A的精确位置根据三角形质心计算，与重叠区域的质心算法中采用网格扫描算法相比，计算简单，计算量大幅度减小，并且可大幅度提高定位精度。6.本实用新型根据RSSI接收强度的大小判断移动节点位置，不需要进行距离的计算，计算量小。
图1是本实用新型的煤矿井下人员定位原理图；图2是本实用新型的煤矿井下人员定位原理图；图3是本实用新型的煤矿井下人员定位系统组成框图；图4是本实用新型的煤矿井下人员定位技术流程框图。
具体实施方式
为了使本实用新型技术方案的内容和优势更加清楚明了，
以下结合附图对本实用新型的一种煤矿井下人员定位系统进行进一步描述。图1是本实用新型的煤矿井下人员定位原理图。如图1所示，在本实用新型基于BP神经网络的非测距APIT的煤矿井下人员定位系统中，在定位阶段中移动节点Al通过BP神经网络已经确定处于移动节点M2、N3、Q4所组成的三角形的外接圆中，通过PIT检测原理判断处于移动节点M2、移动节点N3和移动节点Q4所组成的三角形中，在三角形中任意位置部署一个移动节点P5，将三角形分割成三个小三角形，三角形MNP、三角形MPQ、三角形PQN，缩小了定位范围，移动节点M2、移动节点N3、移动节点Q4和移动节点P5同时广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点Al接收，通过PIT检测原理判断移动节点Al所处的三角形区域，然后再在该区域部署移动节点R6，重复上述步骤，直到达到所需精度，最后进行三角形质心的计算，得到精确的定位结果。图2是本实用新型的煤矿井下人员定位原理图。如图2所示，在本实用新型基于BP神经网络的非测距APIT的煤矿井下人员定位系统中，在定位阶段中移动节点Al通过PIT检测系统已经确定处于移动节点M2、N3、Q4所组成的三角形的外接圆中，通过PIT检测原理判断处于移动节点M2、移动节点N3和移动节点Q4所组成的三角形之外，移动节点M2、移动节点N3和移动节点Q4广播发送自身信息包括功率值，移动节点Al同时接收，根据到达的信号强度RSSIm、RSSIqa、RSSIna判断移动节点Al处于哪两个移动节点B和圆弧之间比如RSSIqa最小，移动节点Al离移动节点Q4最远，处于移动节点M2和移动节点N3和圆弧M2N3之间，在圆弧M2N3上任意位置部署一个移动节点P5，移动节点M2、移动节点N3和移动节点P5广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点Al接收，根据PIT原理判断移动节点Al是否处于三角形MNP中，若不处于则重复上述步骤，直到所需定位精度，进行三角形质心计算，得到定位结果，若处于三角形MNP中则重复图1的步骤。图3是本实用新型的煤矿井下人员定位系统组成框图。如图3所示，本实用新型的一种煤矿井下人员定位系统，包括安装有BP神经网络的地面监控系统I和安装有PIT检测系统的地面监控系统9、传输基站2、光纤3、总线4、网关节点5、信标节点6、移动节点A7、移动节点B8。地面监控中心可以是多台计算机或者服务器组成的计算机网络。它拥有一个大型的数据库，可以使用Microsoft SQL Server作为管理系统，根据分工不同具备不同的数据处理功能，地面监控 系统I根据信标节点6的坐标位置得到由任意信标节点6组成的三个三角形的三个外接圆两两相交的交点坐标，地面监控系统9用来判断移动节点A7所处的位置，根据移动节点A7的位置的不同采用不同的定位方法进行精确定位。训练阶段，信标节点6广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点A7接收，网关节点5汇聚后通过总线4传送到传输基站2，传输基站2通过光纤3传送到地面监控系统I中，得到移动节点A7所在信标节点6组成的三个三角形的三个外接圆两两相交形成的公共区域的交点坐标，存储在数据库中。定位阶段，移动节点A7发出定位请求，信标节点6接收后广播发送自身信息,移动节点A7接收，网关节点5汇聚后通过总线4传送到传输基站2，传输基站2通过光纤3传送到地面监控系统9中，通过地面监控系统9判断处于哪三个外接圆两两相交形成的公共区域，并与地面监控系统I中数据库中的信息比较在那个区域的交点坐标部署三个移动节点B8，三个移动节点B8同时广播发送自身信息包括坐标信息，通过地面监控系统9判断移动节点A7是否处于移动节点B8所组成的三角形中，如果处于则在三角形中部署移动节点B8，将三角形分割成为三个小三角形，重复上述步骤，直到达到所需定位精度，进行三角形质心的计算，得到定位结果。如果不处于则移动节点A7广播发送自身信息包括功率信息，比较移动节点A7接收到的RSSI值判断处于哪两个移动节点B8和对应圆弧之间，再次在圆弧上任意位置部署移动节点B8，形成一个三角形，这两个移动节点B8和圆弧上的移动节点B8同时广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点A7接收后利用PIT检测原理判断是否处于这个三角形中，如果不处于重复上述步骤直到达到所需定位精度，进行三角形质心的计算，得到定位结果。图4是本实用新型的一种煤矿井下人员定位技术流程框图。如图4所示，本实用新型的一种煤矿井下人员定位方法，包括以下步骤:(1)根据煤矿井下的具体情况部署信标节点，网关节点、总线和传输基站；(2)信标节点周期性地广播发送自身信息包括坐标信息，发送到邻近的网关节点中，网关节点接收信标节点发送来的数据，通过总线，传输基站，光纤将数据发送到安装有BP神经系统的地面监控中心，经过BP神经网络进行训练，得到信标节点组成的任意三个相交三角形的每个三角形的外接圆两两相交的交点坐标，交点坐标作为神经网络的输出，存储在数据库中；(3)移动节点A由井下工作人员携带，移动节点A周期性地向信标节点请求信号；(4)信标节点收到移动节点A发出的定位请求后，广播发送自身信息包括坐标和功率值；(5)移动节点A收到信标节点的信息后，向信标节点发送确认收到信号并记录接收到的定位信号中的坐标位置和信号强度，发送到邻近的网关节点；(6)网关节点接收移动节点发送过来的数据包，通过总线、传输基站、光纤把数据发送到安装有PIT检测系统的地面监控中心，通过PIT检测系统判断自身位置处于哪些信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交形成的公共区域中，并与训练阶段数据库的存储信息进行对比找到相应区域的相交点的坐标，在相应的位置部署三个移动节点B，记为 M、N、Q ;(7)移动节点B中的M、N、Q分别广播发送信息包括自身位置信息，移动节点A接收到该信息，向移动节点M、N、Q发送确认信号并记录接收到的信号的坐标位置和信号强度，发送到邻近的网关节点；[0053](8)网关节点接收移动节点发送过来的数据包，通过总线、传输基站、光纤把数据发送到安装有PIT检测系统的地面监控中心，通过PIT检测系统判断移动节点A是否处于M、N、Q所组成的三角形内，根据移动节点处于三角形MNQ内部和外部分别进行定位。步骤⑶包括如下步骤:A.移动节点A处于三角形MNQ中时，在三角形MNQ中任意部署一个移动节点B，记为P，将三角形MNQ分为三个三角形，包括三角形MNP、三角形NQP、三角形MPQ，移动节点M、N、P、Q同时广播发送自身信息包括坐标信息，移动节点A接收，根据PIT原理判断移动节点A处于哪个三角形中；B.确定移动节点A所处的三角形中时，继续在这个三角形中任意部署一个移动节点B，再次形成三个小三角形，缩小定位范围，继续判断移动节点A处于哪个三角形之中，重复上述步骤，直到所要求的定位精度，进行三角形质心的计算，得到精确的定位结果；C.移动节点A处于三角形MNQ外时，即处于外接圆MNQ和三角形MNQ之间，移动节点M、移动节点N和移动节点Q广播发送自身信息包括功率值，移动节点A同时接收，根据到达的信号强度RSSIm、RSSIqa, RSSIna信判断移动节点A处于哪两个移动节点和圆弧之间，如果RSSIma最小，则处于圆弧QN和移动节点Q、N形成的区域中，如果RSSIqa最小，则处于圆弧丽和移动节点M、N形成的区域中，如果RSSIna最小，则处于圆弧MQ和移动节点M、Q形成的区域中，然后在移动节点A所在区域的圆弧上面任意位置部署移动节点B，记为R，与移动节点A所在区域的两个移动节点B组成三角形；D.在圆弧上部署的移动节点R和移动节点A所在区域的另两个移动节点B广播发送自身信息包括坐标信息和功率值，移动节点A接收后利用PIT检测系统判断是否处于步骤C所述的三角形中，如果移动节点A处于步骤C所述的三角形中，在该三角形中任意部署一个移动节点B，把三角形分成三个小三角形，继续判断移动节点A处于哪个小三角形中，重复上述步骤，直到所要求的定位精度，进行三角形质心的计算，得到精确的定位结果，如果移动节点A处于步骤C所述三角形之外，根据移动节点A接收到的功率到达强度RSSI值判断在哪两个移动节点B 和圆弧形成的区域中，判断方法和步骤C中的一样，重复上述步骤，直到要求的定位精度，进行质心计算，得到精确的定位结果。
权利要求1.一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于:包括地面监控中心，传输基站、光纤、网关节点、总线、信标节点、移动节点A、移动节点B ； 所述地面监控中心包括多台计算机或者服务器组成的计算机监控网络，部分安装有BP神经网络系统，部分安装有PIT测试系统，并从传输基站接收成井下发来的定位信息、，处理定位信息； 所述传输基站是本质安全型交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心；；所述网关节点接收信标节点和移动节点发送的定位信息，通过总线传送到传输基站；所述信标节点在巷道内固定放置，使每三个信标节点可以组成一个三角形，每个信标节点向移动节点A发射定位信息包括自身位置信息和功率信息，上传至安装有BP神经系统的地面监控中心，经过训练得到任意信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交的交点坐标； 所述移动节点A与井下工作人员的身份相对应，置于井下工作人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作为辅助电源；移动节点A由井下工作人员随身携带；移动节点A周期性地向信标节点发射定位请求信号，并对接收到的信标节点的定位信息进行处理，判断移动节点A在不同方向移动时是否同时远离或靠近信标节点，生成相关的信息上传至安装有PIT测试系统的地面监控中心； 所述移动节点B根据BP网络神经系统训练得到的输出坐标位置部署，移动节点B由井下机械移动设备携带，具有信标节点的功能； 所述井下人员定位系统中涉及的井下设备，包括传输基站、光纤、网关节点、总线、信标节点、移动节点A、移动节点B均是本质安全型设备。
2.如权利要求1所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于:所述BP神经网络属于定位系统的训练阶段，安装在计算机或者服务器中，以信标节点的信息包括自身坐标作为输入进行训练得到任意信标节点组成的三个三角形的三个外接圆两两相交的交点坐标作为输出并存储在数据库中。
3.如 权利要求1所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于:所述PIT测试系统属于定位系统的精确定位阶段，判断移动节点A是否在信标节点或者移动节点B所组成的三角形中。
4.如权利要求1所述一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于:所述网关节点包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源及总线模块； 所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线； 所述信标节点包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源； 所述移动节点A包括:微处理器、存储器、无线接收发器、传感器、电源； 所述移动节点B包括:微处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源。
5.如权利要求1所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于:网关节点、信标节点和移动节点A和移动节点B中的传感器、无线收发器以及网关节点中的总线模块与各节点中的处理器和存储器单元相连；各节点中的无线收发器接收和发送无线电磁波；网关节点、信标节点、移动节点A和移动节点B中的传感器感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息；各节点中的处理器和存储器单元存储接收的数据，并处理控制其它单元的运行；网关节点中的总线模块 与总线相连；各节点中的电源提供电能。
专利摘要本实用新型公开了一种用于煤矿井下的人员定位系统。本系统包括设在井上的地面监控中心，设在井下的传输基站，多个网关节点，光纤，总线，多个信标节点，多个移动节点，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。本实用新型是一种基于BP神经网络的非测距APIT的井下人员的定位系统，根据井下巷道的结构部署信标节点，在训练阶段，通过训练生成利用信标节点构成的三个相交三角形外接圆两两相交的交点坐标，在数据库中进行存储，在定位阶段，根据PIT测试系统测试，得到未知节点所处的粗略位置，与数据库中数据对比在相应的交点坐标位置部署移动节点，利用PIT测试系统测试，进行精确定位。
文档编号H04W64/00GK203086745SQ201320085598
公开日2013年7月24日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者田子建, 姜烨 申请人:中国矿业大学(北京)