周 翔，韓燕南，周嘉欣

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213000；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213000）

人員精確定位對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控井下人員數(shù)量、人員動(dòng)態(tài)分布、生產(chǎn)指揮調(diào)度等方面具有重要意義[1-2]。在煤礦井下，由于定位接收器本身的系統(tǒng)誤差，以及復(fù)雜的井下巷道對(duì)于定位信號(hào)的反射、遮擋等因素的影響，導(dǎo)致定位測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在偏差，這就造成在定位系統(tǒng)中出現(xiàn)人員偏離巷道的情況，無(wú)法準(zhǔn)確顯示人員當(dāng)前所處巷道位置，因此需要對(duì)出現(xiàn)定位偏移問(wèn)題的人員進(jìn)行糾偏處理。地圖匹配是目前常用的定位糾偏方法[3-4]，常見(jiàn)的地圖匹配算法包括最短距離[5]、投影[6-8]、基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9-12]、基于隱馬爾可夫模型[13]以及基于D-S 證據(jù)推理[14-16]等地圖匹配算法。最短距離地圖匹配是一種基礎(chǔ)的匹配方法，邏輯簡(jiǎn)單、速度快、實(shí)時(shí)性好，但匹配準(zhǔn)確率較低且穩(wěn)定性差[3,5]；投影地圖匹配計(jì)算速度快，實(shí)時(shí)性好，在一定程度上可以提高目標(biāo)的定位精度，但在道路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的情況下，匹配精度和穩(wěn)定性均會(huì)降低[7-8]；基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的地圖匹配算法準(zhǔn)確率和可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)，適用于復(fù)雜的道路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但缺點(diǎn)在于計(jì)算耗時(shí)較大[9-10]；基于隱馬爾可夫模型的地圖匹配算法將車輛GPS 軌跡點(diǎn)位置作為HMM中的觀察變量，將車輛實(shí)際所在位置作為HMM 中的隱藏狀態(tài)變量，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型再進(jìn)行真實(shí)位置的預(yù)測(cè)，適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的道路網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中[13]；基于D-S 證據(jù)推理的地圖匹配算法不使用歷史軌跡點(diǎn)信息，單個(gè)點(diǎn)匹配錯(cuò)誤不會(huì)對(duì)下一個(gè)定位點(diǎn)的匹配產(chǎn)生太大影響，但隨著道路越來(lái)越密集會(huì)降低匹配結(jié)果的準(zhǔn)確率[14-16]。

提出了一種基于井下巷道網(wǎng)絡(luò)與定位設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)合拓?fù)涞膶?shí)時(shí)定位糾偏算法，首先構(gòu)建出巷道網(wǎng)絡(luò)與定位設(shè)備之間的拓?fù)潢P(guān)系，并基于拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)人員定位信息快速準(zhǔn)確定位其所在巷道，再利用糾偏計(jì)算模型對(duì)實(shí)現(xiàn)人員實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)進(jìn)行糾偏解算，實(shí)現(xiàn)具有實(shí)時(shí)性的人員定位糾偏效果。

1 井下定位糾偏算法

1.1 算法基本思路

算法思路示意圖如圖1。

圖1 算法思路示意圖Fig.1 The design idea of algorithm

假設(shè)人員1 根據(jù)定位設(shè)備的測(cè)量結(jié)果被定位在4 條巷道中間，距離巷道BE 最近，如果根據(jù)距離最近原則來(lái)定位，容易將人員1 定位在巷道BE 上，但如果人員1 實(shí)際由定位器1 定位，而定位器1 與巷道AB 存在唯一確定關(guān)系，所以人員1 的真實(shí)位置應(yīng)該在巷道AB 或者相鄰巷道BC 上。如果人員1 由定位器2 定位，根據(jù)定位器2 和巷道的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，人員1 的真實(shí)位置應(yīng)該在巷道DE 上。因此實(shí)現(xiàn)井下人員實(shí)時(shí)位置糾偏的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何確定巷道網(wǎng)絡(luò)與定位設(shè)備之間的唯一映射關(guān)聯(lián)，以及高效的糾偏計(jì)算模型。

1.2 算法設(shè)計(jì)描述

根據(jù)算法基本思路的分析，設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)定位糾偏算法主要包括井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建、巷道定位和糾偏計(jì)算3 個(gè)部分。

1）井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建。井下數(shù)據(jù)包括巷道中線點(diǎn)數(shù)據(jù)、巷道中線數(shù)據(jù)和定位設(shè)備數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系有2 類：①巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：利用中線點(diǎn)數(shù)據(jù)和中線數(shù)據(jù)計(jì)算出巷道網(wǎng)絡(luò)；②巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系：利用中線數(shù)據(jù)和定位設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)溆?jì)算，確定定位設(shè)備與巷道的唯一映射關(guān)系。通過(guò)構(gòu)建出的拓?fù)潢P(guān)系將離散的定位設(shè)備數(shù)據(jù)和巷道數(shù)據(jù)重新組織關(guān)聯(lián)，這樣既可利用巷道ID 唯一確定定位設(shè)備，又可利用設(shè)備ID 唯一確定巷道，便于加速后續(xù)的巷道定位計(jì)算。井下數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 井下數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of mine and equipment data

2）巷道定位。準(zhǔn)確定位人員所在巷道是保證糾偏計(jì)算準(zhǔn)確率的前提。實(shí)現(xiàn)巷道定位需要構(gòu)建人員的潛在定位巷道，再根據(jù)人員的定位信息從潛在定位巷道集合篩選最佳定位巷道。巷道定位流程如圖3。

圖3 巷道定位流程Fig.3 The flow of mine positioning

3）糾偏計(jì)算。糾偏計(jì)算的核心在于建立空間坐標(biāo)糾偏解算模型，該解算模型是將定位設(shè)備對(duì)人員的測(cè)距信息、井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系和巷道定位結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，由模型自動(dòng)計(jì)算出人員位置糾偏坐標(biāo)，以代替誤差較大的原始定位坐標(biāo)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)偏離巷道人員的糾偏。

2 算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

算法的設(shè)計(jì)由井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建和坐標(biāo)糾偏解算2 部分組成。算法流程設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 算法流程設(shè)計(jì)Fig.4 The design flow of algorithm

具體設(shè)計(jì)思路為：在構(gòu)建井下數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)階段，分別計(jì)算出巷道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系，利用這2 個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將離散的數(shù)據(jù)組織關(guān)聯(lián)；在坐標(biāo)糾偏解算階段，先利用巷道拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)和巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系確定人員的最佳定位巷道，再將人員測(cè)距信息、測(cè)距信號(hào)偏離量和定位巷道的兩中線點(diǎn)作為參數(shù)輸入糾偏解算模型中計(jì)算出糾偏坐標(biāo)，最終完成糾偏過(guò)程。

2.1 井下數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建

1）巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。每條巷道由相互離散的中線點(diǎn)構(gòu)成，因此可利用巷道中線點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系構(gòu)建巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。構(gòu)建中線點(diǎn)之間鄰接關(guān)系首先需要計(jì)算出井下巷道之間的相交點(diǎn)，合并交點(diǎn)，并且為每個(gè)巷道中線點(diǎn)賦值唯一標(biāo)識(shí)，再根據(jù)巷道網(wǎng)絡(luò)之間的相交關(guān)系，將每個(gè)中線點(diǎn)與其所有鄰接點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)一一關(guān)聯(lián)，完成巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建。巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系模型如圖5，使用字典存儲(chǔ)這類拓?fù)潢P(guān)系模型，通過(guò)中線點(diǎn)的坐標(biāo)或者ID 可快速查找與當(dāng)前中線點(diǎn)存在鄰接關(guān)系的所有中線點(diǎn)。

圖5 巷道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topological structure of mine network

2）巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系。利用定位設(shè)備數(shù)據(jù)與巷道數(shù)據(jù)構(gòu)建出巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系，確定設(shè)備與巷道之間的唯一映射。通過(guò)在巷道-設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)絡(luò)中匹配人員定位數(shù)據(jù)中的定位設(shè)備信息可快速定位出人員位置糾偏的最佳巷道。巷道網(wǎng)絡(luò)-設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 巷道網(wǎng)絡(luò)-設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topological structure of joint mine network and equipment

2.2 坐標(biāo)糾偏計(jì)算流程

實(shí)時(shí)定位糾偏算法的實(shí)現(xiàn)流程如下：

第1 步：人員初始坐標(biāo)偏移差判斷。人員定位偏移差如圖7。

圖7 人員定位偏移差Fig.7 Calculation of personnel positioning deviation

因?yàn)槊織l巷道都是由2 個(gè)相互離散的巷道中線點(diǎn)構(gòu)成的，所以選擇定位巷道中的其中1 個(gè)中線點(diǎn)作為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)S，另1 個(gè)關(guān)聯(lián)中線點(diǎn)為P，則通過(guò)式（1）計(jì)算出人員T 初始坐標(biāo)與巷道中線的偏移角度θ，然后利用偏移角度θ 計(jì)算出人員與巷道中線的偏離值Dc，如果Dc小于巷道半徑距離r，則將當(dāng)前的人員實(shí)時(shí)位置直接投影至巷道中線上，否則進(jìn)入第2 步。

第2 步：測(cè)距偏離計(jì)算。測(cè)距偏離計(jì)算如圖8。

圖8 測(cè)距偏離計(jì)算Fig.8 Calculation of distance measurement deviation

由于糾偏的結(jié)果是將人員定位至巷道的中線上，而在實(shí)際中，定位設(shè)備被安裝在巷道墻壁一側(cè)，因此測(cè)距信號(hào)相對(duì)于巷道中線存在一定夾角，因此在糾偏計(jì)算前需要分別計(jì)算出定位設(shè)備在巷道中線上的投影坐標(biāo)，以及人員測(cè)距相對(duì)于巷道中線的偏移量。設(shè)D 為測(cè)距，S、P 分別為兩測(cè)距方向所對(duì)應(yīng)的兩中線點(diǎn)，R 為定位設(shè)備，R 在由點(diǎn)S 和P 構(gòu)成的巷道上，θ 為測(cè)距信號(hào)與巷道的偏離角（人工配置），式（3）可計(jì)算出定位設(shè)備R 的投影坐標(biāo)Rp，式（4）計(jì)算得到測(cè)距偏離量Dp。

第3 步：巷道定位判斷。巷道定位判斷如圖9。

圖9 巷道定位判斷Fig.9 Judgment of mine positioning

判斷人員測(cè)距偏離量Dp是否超出定位設(shè)備與測(cè)距方向中線點(diǎn)距離的范圍。圖9 中黑色虛線框內(nèi)為與測(cè)距方向S 相關(guān)聯(lián)的巷道中線點(diǎn)集合。式（5）中的S 是測(cè)距方向的中線點(diǎn)，Rp為定位設(shè)備在巷道中線上的投影坐標(biāo)，L 為定位設(shè)備的投影坐標(biāo)Rp與測(cè)距方向點(diǎn)S 的間距，C 為計(jì)算結(jié)果值。

第4 步：完成糾偏計(jì)算。

3 試驗(yàn)測(cè)試

西北某煤礦的井下巷道情況復(fù)雜，井下人員初始定位偏離巷道的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)于實(shí)時(shí)定位糾偏的需求較為迫切，因此被用作試驗(yàn)對(duì)象。分別從實(shí)時(shí)性、巷道定位精度和糾偏坐標(biāo)精度3 個(gè)方面對(duì)所提出的實(shí)時(shí)定位糾偏算法進(jìn)行試驗(yàn)。

將實(shí)時(shí)定位糾偏算法以后端服務(wù)的方式嵌入公司開(kāi)發(fā)的井下人員精確定位系統(tǒng)中。試驗(yàn)環(huán)境如下：①操作系統(tǒng)：Windows Server；②硬件配置：Core i7-10700F 2.9GHz、16GB RAM；③開(kāi)發(fā)環(huán)境：C#、VS2019；④開(kāi)發(fā)平臺(tái)：Windows10。

3.1 實(shí)時(shí)性試驗(yàn)

對(duì)實(shí)時(shí)定位糾偏算法的實(shí)時(shí)效果進(jìn)行測(cè)試，實(shí)時(shí)性試驗(yàn)分成拓?fù)溆?jì)算耗時(shí)和糾偏計(jì)算耗時(shí)2 部分。試驗(yàn)對(duì)象包括543 個(gè)中線點(diǎn)、127 個(gè)定位設(shè)備和120 個(gè)隨機(jī)定位數(shù)據(jù)。將算法部署至現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間得到的實(shí)時(shí)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)時(shí)性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of real-time tests

試驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的單人實(shí)時(shí)糾偏算法平均耗時(shí)在0.002 5 s 左右，構(gòu)建數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系的耗時(shí)在0.188 s 左右，具有較好的實(shí)時(shí)效果，能夠滿足井下人員精確定位對(duì)于糾偏的實(shí)時(shí)計(jì)算需求。

3.2 巷道定位精度試驗(yàn)

巷道定位精度試驗(yàn)是對(duì)算法將人員定位到實(shí)際所在巷道上的準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)的樣本數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)保持一致。巷道定位精度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巷道定位精度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of mine positioning accuracy experiment

其中，一次定位是指人員被定位在定位設(shè)備所在的巷道上，在試驗(yàn)中，這些人員的巷道定位準(zhǔn)確率為100%；多次定位為人員被定位在了定位設(shè)備所在巷道的周圍巷道上，定位準(zhǔn)確率約為94%，試驗(yàn)結(jié)果顯示，每次迭代計(jì)算出的潛在定位巷道數(shù)量為1 時(shí)，定位精度為100%，當(dāng)潛在定位巷道數(shù)量大于1 時(shí)，設(shè)定位巷道與其余潛在巷道的方位角度差為β，如果β 大于30°，巷道定位全部準(zhǔn)確，如果β 小于15°，巷道定位準(zhǔn)確率約為86.7%，如果β 介于15°～30°，巷道定位準(zhǔn)確率約為94.1%。多次巷道定位情況的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖10。

圖10 多次巷道定位情況的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of experimental results of multiple mine positioning

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的分析，當(dāng)人員測(cè)距在定位設(shè)備范圍內(nèi)或者潛在定位巷道數(shù)量為1 時(shí)，算法的巷道定位準(zhǔn)確率最高，當(dāng)潛在定位巷道數(shù)量大于1 時(shí)，且存在于最佳定位巷道的方位夾角過(guò)小的巷道時(shí)，定位精度有所降低，但定位精度能夠保持在85%以上，總體的巷道定位精度較好，該算法在面對(duì)多巷道關(guān)聯(lián)的復(fù)雜情況下具有一定的魯棒性。

3.3 定位糾偏精度試驗(yàn)

糾偏前后效果對(duì)比如圖11。圖11（a）為試驗(yàn)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的井下人員精確定位系統(tǒng)中人員原始定位效果，圖11（b）為人員的原始定位經(jīng)過(guò)算法糾偏后的效果，所有發(fā)生定位偏離的人員均已被準(zhǔn)確糾偏。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于實(shí)時(shí)定位糾偏算法的實(shí)驗(yàn)反饋，表明該算法具有較好的穩(wěn)定性，糾偏效果明顯，能夠保持較高的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性效果。

圖11 糾偏前后效果對(duì)比Fig.11 Comparison of the effects of personnel positioning correction

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)煤礦井下人員定位易受硬件系統(tǒng)測(cè)算誤差以及復(fù)雜巷道條件的影響，從而產(chǎn)生定位偏移的問(wèn)題，研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于井下數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)定位糾偏算法。試驗(yàn)結(jié)果表明：該算法的拓?fù)錁?gòu)建耗時(shí)低于0.2 s，平均糾偏計(jì)算耗時(shí)約為0.002 5 s，對(duì)坐標(biāo)偏離的人員巷道定位準(zhǔn)確率超過(guò)90%，坐標(biāo)糾偏計(jì)算平均誤差較小，具有較高的糾偏準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性，同時(shí)在復(fù)雜井下巷道條件下表現(xiàn)出良好的魯棒性，能夠滿足井下人員實(shí)時(shí)精確定位的需求。