井下UWB定位基站优化布置方法、装置及设备与流程

井下uwb定位基站优化布置方法、装置及设备
技术领域
1.本技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种井下uwb（ultra wide band，超带宽）定位基站优化布置方法、装置及设备。


背景技术：

2.矿山井下开采有一定的危险性，开采需要在井下布置大量的设备、车辆、人员，各种自然或人为因素造成的灾害、事故对井下工作人员的人身安全造成了极大的威胁。对井下人员、车辆有效的组织管理，以及事故、灾害的救援都需要掌握井下人员、车辆、设备的精确位置数据，井下设备的远程控制、智能控制更离不开井下设备的实时精确位置数据。
3.精确定位技术已成为矿井安全生产的重要技术支撑，相关技术中，往往基于uwb定位技术实现井下精确定位，在井下每隔一定距离布置uwb定位基站，人员、车辆或设备携带uwb定位标签，uwb定位基站与uwb定位标签之间通过测量脉冲信号的飞行时间（time of flight，tof），精确计算uwb定位标签到uwb定位基站之间的距离。由于uwb定位基站的坐标是已知的，根据uwb定位标签与多个uwb定位基站之间的精确距离，可精确计算出uwb定位标签的坐标。
4.然而，矿山井下作业空间范围广，巷道空间分布关系复杂，需要布置大量的uwb定位基站，才能实现井下精确定位的高覆盖率。目前，井下uwb定位基站的布置是由人工根据经验结合基站的有效测距范围布置的，具有较大的随机性和不确定性，且人工布置基站费时费力，井下uwb定位基站布置后常存在信号覆盖盲区或信号覆盖冗余等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置方法、装置、设备及存储介质，旨在有效减小信号覆盖盲区和信号覆盖冗余的同时，缩短基站布置的工期。
6.本技术实施例的技术方案是这样实现的：第一方面，本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置方法，包括：获取表征井下巷道结构的无向图，其中，所述无向图基于所述井下巷道的中心线确定；对所述无向图基于设定的基站布置精度进行采样，得到第一采样点集；在所述第一采样点集中滤除与巷道交叉口的间距小于设定距离阈值的采样点，得到第二采样点集；对所述第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集；基于所述第一采样点集、所述第二采样点集、各所述采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定所述井下巷道的基站布置位置；其中，所述设定优化模型的优化目标为基站布置数量最小。
7.在一些实施例中，所述设定优化模型如下所示：
其中，s.t.表示约束规则，为表示采样点i处是否布置基站的0-1整型变量，为表示采样点i是否在uwb定位信号覆盖范围内的0-1整型变量，为所述第一采样点集，为所述第二采样点集，为采样点i的所述采样点子集，n为采样点的总数，m为所述设定信号覆盖率。
8.在一些实施例中，所述对所述第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集，包括：获取与采样点的间距小于所述有效测距范围且与所述采样点的连线和井下巷道的边线不相交的目标采样点，将各采样点对应的所述目标采样点作为所述采样点子集。
9.在一些实施例中，所述基于所述第一采样点集、所述第二采样点集、各所述采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定所述井下巷道的基站布置位置，包括：将所述第一采样点集、所述第二采样点集、各所述采样点子集及井下巷道的设定信号覆盖率输入所述设定优化模型；基于分支定界法或者单纯形法，解算所述设定优化模型，将值为1的采样点作为uwb定位基站的基站布置位置。
10.第二方面，本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置装置，包括：获取模块，用于获取表征井下巷道结构的无向图，其中，所述无向图基于所述井下巷道的中心线确定；采样模块，用于对所述无向图基于设定的基站布置精度进行采样，得到第一采样点集；过滤模块，用于在所述第一采样点集中滤除与巷道交叉口的间距小于设定距离阈值的采样点，得到第二采样点集；确定模块，用于对所述第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集；基站布置模块，用于基于所述第一采样点集、所述第二采样点集、各所述采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定所述井下巷道的基站布置位置；其中，所述设定优化模型的优化目标为基站布置数量最小。
11.第三方面，本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置设备，包括：处理
器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，其中，所述处理器，用于运行计算机程序时，执行本技术实施例第一方面所述方法的步骤。
12.第四方面，本技术实施例提供了一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现本技术实施例第一方面所述方法的步骤。
13.本技术实施例提供的技术方案，获取表征井下巷道结构的无向图，其中，无向图基于井下巷道的中心线确定；对无向图基于设定的基站布置精度进行采样，得到第一采样点集；在第一采样点集中滤除与巷道交叉口的间距小于设定距离阈值的采样点，得到第二采样点集；对第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集；基于第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定井下巷道的基站布置位置；其中，设定优化模型的优化目标为基站布置数量最小。如此，可以在综合考虑井下巷道分布、巷道宽度及uwb定位基站的有效测距范围的基础上，确定基站布置位置，能够有效减小信号覆盖盲区和信号覆盖冗余，且使得布置的uwb定位基站的数量最小化，进而节省成本；此外，相较于人工布置基站，智能化程度高，能够极大地缩短基站布置的工期。
附图说明
14.图1为本技术实施例井下uwb定位基站优化布置方法的流程示意图；图2为本技术应用示例中井下矿山巷道的无向图示意图；图3为判断其他采样点是否位于第一采样点的信号覆盖范围内的示意图，其中，图3a至图3d分别对应不同情形的示意；图4为本技术应用示例中井下uwb定位基站的基站布置位置的示意图；图5为本技术实施例井下uwb定位基站优化布置装置的结构示意图；图6为本技术实施例井下uwb定位基站优化布置设备的结构示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图及实施例对本技术再作进一步详细的描述。
16.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
17.相关技术中，井下uwb定位基站的布置往往是由人工根据经验结合基站的有效测距范围布置的，具有较大的随机性和不确定性，且人工布置基站费时费力，井下uwb定位基站优化布置后常存在信号覆盖盲区或信号覆盖冗余等问题。基于此，本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置方法，可以结合井下巷道分布、巷道宽度和基站有效测距范围进行uwb定位基站的自动布置，最大程度减小信号覆盖盲区和信号覆盖冗余的同时，且使得布置的uwb定位基站的数量最小化，并缩短基站布置的工期。
18.本技术实施例提供了一种井下uwb定位基站优化布置方法，可以应用于井下uwb定位基站优化布置设备，该设备可以为台式机、平板电脑、笔记本等具有数据处理能力的电子设备，本技术实施例对此不做限定。如图1所示，该方法包括：步骤101，获取表征井下巷道结构的无向图，其中，无向图基于井下巷道的中心线
确定。
19.这里，电子设备可以获取预先构建好的井下巷道的无向图，或者可以在本地构建生成该无向图。无向图（undirected graph）是指边没有方向的图集，本技术实施例的无向图可以为基于井下巷道的中心线构建的，其中，无向图的边为巷道，中间节点为巷道交叉口，端节点为巷道入口或巷道终点。例如，无向图可以表示为g=《v，e》，其中，v是非空集合，称为顶点集；e是v中元素构成的无序二元组的集合，称为边集。
20.步骤102，对无向图基于设定的基站布置精度进行采样，得到第一采样点集。
21.这里，设定的基站布置精度可以理解为相邻两个采样点的采样间距，即采样精度，可以预设基于试验数据和/或人工经验进行合理确定。
22.如此，电子设备可以对无向图中的各边，按每间隔一前述的采样间距确定一个采样点，得到第一采样点集，即全部采样点的集合。
23.步骤103，在第一采样点集中滤除与巷道交叉口的间距小于设定距离阈值的采样点，得到第二采样点集。
24.需要说明的是，巷道交叉口附近由于存在信号阻塞，不适宜布置uwb定位基站，设定影响范围（即设定距离阈值）为s。由于无向图的中间节点为巷道交叉口，电子设备可以在全部采样点的集合搜索所有距离无向图的中间节点的距离小于s的采样点作为标记采样点，在第一采样点集中去掉标记采样点，得到第二采样点集，该第二采样点集可以理解为具备布置基站条件的采样点的集合。
25.步骤104，对第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集。
26.示例性地，对第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集，包括：获取与采样点的间距小于有效测距范围且与采样点的连线和井下巷道的边线不相交的目标采样点，将各采样点对应的目标采样点作为采样点子集。
27.举例来说，假定d为uwb定位基站的有效测距范围，i、j分别为采样点的索引，判断采样点j是否在采样点i的信号覆盖范围内的方法如下：若采样点j与采样点i之间的距离小于d，且采样点j与采样点i的连线与井下巷道的边线不相交，则采样点j在采样点i信号覆盖范围内；否则，采样点j不在采样点i信号覆盖范围内。
28.如此，可以得到各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集，即采样点子集与采样点一一对应。
29.步骤105，基于第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定井下巷道的基站布置位置。
30.这里，电子设备可以在综合考虑井下巷道分布、巷道宽度及uwb定位基站的有效测距范围的基础上，确定基站布置位置，能够有效减小信号覆盖盲区和信号覆盖冗余，且使得布置的uwb定位基站的数量最小化，进而节省成本；此外，相较于人工布置基站，智能化程度高，能够极大地缩短基站布置的工期。
31.在一些实施例中，设定优化模型如下所示：
其中，s.t.是subject to（such that）的缩写，表示约束规则，为表示采样点i处是否布置基站的0-1整型变量，为表示采样点i是否在uwb定位信号覆盖范围内的0-1整型变量，为第一采样点集，为第二采样点集，为采样点i的采样点子集，n为采样点的总数，m为设定信号覆盖率。
32.可以理解的是，设定优化模型的决策变量包括：设定优化模型的约束规则如下：（1）、具备基站布置条件的采样点（2）、不具备基站布置条件的采样点（3）、采样点i信号覆盖范围内至少需布置一个基站（4）、定位信号覆盖率大于m（5）、决策变量逻辑性约束示例性地，基于第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定井下巷道的基站布置位置，包括：将第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集及井下巷道的设定信号覆盖率输入设定优化模型；
基于分支定界法或者单纯形法，解算设定优化模型，将值为1的采样点作为uwb定位基站的基站布置位置。
33.这里，分支定界法（branch and bound）是一种求解整数规划问题的常用算法。这种方法不但可以求解纯整数规划，还可以求解混合整数规划问题。分支定界法是一种搜索与迭代的方法，选择不同的分支变量和子问题进行分支。具体可以参照相关技术描述，在此不再赘述。
34.这里，单纯形法（simplex algorithm）是线性规划问题数值求解的方法。其中，转轴操作是单纯形法中的核心操作，其作用是将一个基变量与一个非基变量进行互换。可以将转轴操作理解为从单纯形上的一个顶点走向另一个顶点。
35.单纯形法的最坏时间复杂度为指数级别，并不意味着线性规划不存在多项式级别的算法。单纯形法的基本思想是先找出一个基本可行解，对它进行鉴别，看是否是最优解；若不是，则按照一定法则转换到另一改进的基本可行解，再鉴别；若仍不是，则再转换，按此重复进行。
36.下面结合一应用示例对本技术实施例的井下uwb定位基站优化布置方法进行示例性说明。
37.图2示出了本应用示例中井下矿山巷道的无向图示意图，其中，该无向图基于巷道中心线1构建而成。
38.示例性地，假设设定的基站布置精度为10m，即无向图的各边按每隔10m距离采样一个点，得到所有采样点。
39.示例性地，巷道交叉口附近30m范围内不布置基站，标记为不具备布置条件的采样点。
40.示例性地，uwb定位基站的有效测距范围为400m，信号覆盖率不低于90%，构建定位基站优化布置数学模型（即前述的设定优化模型）。
41.图3为判断其他采样点是否位于第一采样点的信号覆盖范围内的示意图。其中，示出了巷道中心线1、巷道边线2、第一采样点3、第二采样点4、第三采样点5、第四采样点6及第五采样点7。
42.如图3a所示，第二采样点4与第一采样点3的距离为420m，故第二采样点4不在第一采样点3的信号覆盖范围内。
43.如图3b所示，第三采样点5与第一采样点3的距离为320m，但第三采样点5与第一采样点3的连线与巷道边线相交，故采样点3不在第一采样点3的信号覆盖范围内。
44.如图3c所示，第四采样点6与第一采样点3的距离为320m，且第四采样点6与第一采样点3的连线与巷道边线不相交，故第四采样点6在第一采样点3的信号覆盖范围内。
45.如图3d所示，第五采样点7与第一采样点3的距离为120m，且第五采样点7与第一采样点3的连线与巷道边线不相交，故第五采样点7在第一采样点3的信号覆盖范围内。
46.示例性地，采用分支定界法或单纯形法解算上述数学模型，得到值为1的采样点即需要布置基站的位置，值为0的采样点即不需要布置基站的位置，如图4所示。
47.为了实现本技术实施例的方法，本技术实施例还提供一种井下uwb定位基站优化布置装置，设置在井下uwb定位基站优化布置设备，如图5所示，该井下uwb定位基站优化布置装置包括：获取模块501、采样模块502、过滤模块503、确定模块504及基站布置模块505。
获取模块501用于获取表征井下巷道结构的无向图，其中，无向图基于井下巷道的中心线确定；采样模块502用于对无向图基于设定的基站布置精度进行采样，得到第一采样点集；过滤模块503用于在第一采样点集中滤除与巷道交叉口的间距小于设定距离阈值的采样点，得到第二采样点集；确定模块504用于对第一采样点集中的各采样点，基于uwb定位基站的有效测距范围确定各采样点的信号覆盖范围内的采样点子集；基站布置模块505用于基于第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集、井下巷道的设定信号覆盖率和设定优化模型，确定井下巷道的基站布置位置；其中，设定优化模型的优化目标为基站布置数量最小。
48.在一些实施例中，设定优化模型如下所示：其中，s.t.表示约束规则，为表示采样点i处是否布置基站的0-1整型变量，为表示采样点i是否在uwb定位信号覆盖范围内的0-1整型变量，为采样点i的采样点子集，n为采样点的总数，m为设定信号覆盖率。
49.在一些实施例中，确定模块504具体用于：获取与采样点的间距小于有效测距范围且与采样点的连线和井下巷道的边线不相交的目标采样点，将各采样点对应的目标采样点作为采样点子集。
50.在一些实施例中，基站布置模块505具体用于：将第一采样点集、第二采样点集、各采样点子集及井下巷道的设定信号覆盖率输入设定优化模型；基于分支定界法或者单纯形法，解算设定优化模型，将值为1的采样点作为uwb定位基站的基站布置位置。
51.实际应用时，获取模块501、采样模块502、过滤模块503、确定模块504及基站布置模块505，可以由井下uwb定位基站优化布置设备中的处理器来实现。当然，处理器需要运行存储器中的计算机程序来实现它的功能。
52.需要说明的是：上述实施例提供的井下uwb定位基站优化布置装置在进行井下uwb定位基站优化布置时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的井下uwb定位基站优化布置装置与井下uwb定位基站优化布置方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
53.基于上述程序模块的硬件实现，且为了实现本技术实施例的方法，本技术实施例还提供一种井下uwb定位基站优化布置设备。图6仅仅示出了该设备的示例性结构而非全部结构，根据需要可以实施图6示出的部分结构或全部结构。
54.如图6所示，本技术实施例提供的井下uwb定位基站优化布置设备600包括：至少一个处理器601、存储器602、用户接口603和至少一个网络接口604。井下uwb定位基站优化布置设备600中的各个组件通过总线系统605耦合在一起。可以理解，总线系统605用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统605除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。
55.但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为总线系统605。
56.其中，用户接口603可以包括显示器、键盘、鼠标、轨迹球、点击轮、按键、按钮、触感板或者触摸屏等。
57.本技术实施例中的存储器602用于存储各种类型的数据以支持井下uwb定位基站优化布置设备的操作。这些数据的示例包括：用于在井下uwb定位基站优化布置设备上操作的任何计算机程序。
58.本技术实施例揭示的井下uwb定位基站优化布置方法可以应用于处理器601中，或者由处理器601实现。处理器601可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，井下uwb定位基站优化布置方法的各步骤可以通过处理器601中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器601可以是通用处理器、数字信号处理器（dsp，digital signal processor），或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。处理器601可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤，可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于存储介质中，该存储介质位于存储器602，处理器601读取存储器602中的信息，结合其硬件完成本技术实施例提供的井下uwb定位基站优化布置方法的步骤。
59.在示例性实施例中，井下uwb定位基站优化布置设备可以被一个或多个应用专用集成电路（asic，application specific integrated circuit）、dsp、可编程逻辑器件（pld，programmable logic device）、复杂可编程逻辑器件（cpld，complex programmable logic device）、fpga、通用处理器、控制器、微控制器（mcu，micro controller unit）、微处理器（microprocessor）、或者其他电子元件实现，用于执行前述方法。
60.可以理解，存储器602可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（rom，read only memory）、可编程只读存储器（prom，programmable read-only memory）、可擦除可编程只读存储器（eprom，erasable programmable read-only memory）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom，electrically erasable programmable read-only memory）、磁性随机存取存储器（fram，ferromagnetic random access memory）、快闪存储器（flash memory）、磁表面存储器、光盘、或只读光盘（cd-rom，compact disc read-only memory）；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器（ram，random access memory），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如
静态随机存取存储器（sram，static random access memory）、同步静态随机存取存储器（ssram，synchronous static random access memory）、动态随机存取存储器（dram，dynamic random access memory）、同步动态随机存取存储器（sdram，synchronous dynamic random access memory）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（ddrsdram，double data rate synchronous dynamic random access memory）、增强型同步动态随机存取存储器（esdram，enhanced synchronous dynamic random access memory）、同步连接动态随机存取存储器（sldram，synclink dynamic random access memory）、直接内存总线随机存取存储器（drram，direct rambus random access memory）。本技术实施例描述的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
61.在示例性实施例中，本技术实施例还提供了一种存储介质，即计算机存储介质，具体可以是计算机可读存储介质，例如包括存储计算机程序的存储器602，上述计算机程序可由井下uwb定位基站优化布置设备的处理器601执行，以完成本技术实施例方法的步骤。计算机可读存储介质可以是rom、prom、eprom、eeprom、flash memory、磁表面存储器、光盘、或cd-rom等存储器。
62.需要说明的是：“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
63.另外，本技术实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
64.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。