煤矿井下巷道中RSS指纹数据快速生成方法.pdf
第 4 2卷 第 3 期 2 0 1 6 年 3月 工矿 自 动化 I n du s t r y a nd M i n e Au t oma t i on Vo 1 . 4 2 NO . 3 M a r . 2 O 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 ~ 2 5 1 X 2 o 1 6 o 3 0 0 3 6 0 4 DO I 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 .03 . 0 08 王永星 , 华钢 , 张欣. 煤矿井下巷道 中 R S S指纹数据快速生成方法[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 3 3 6 3 9 . 煤矿井下巷道中 R S S指纹数据快速生成方法 王永 星 , 华钢 , 张欣 1 . 中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ; 2 . 空军勤 务学 院 基 础部 计算 机教研 室 , 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 0 摘要 针对煤矿井下巷道中传统逐点采集 R S S指纹数据效率低的问题 , 提 出了一种基于 Kr i g i n g插值算 法的 RS S指 纹数据 快速 生成 方法 。该方 法在 已知 少 量观 测 点 的 RS S指 纹 数 据 情 况 下 , 根 据 实验 变差 函数 拟合 出理论变差函数 , 然后在无偏估计和最小估计方差的条件下求解 Kr i g i n g插值 算法的权重 系数 , 计算待 估 点 的 R S S指纹数 据 。 实验 结果表 明 , 利用该 方 法得 到 的 R S S指 纹数据 准确性 高, 定位误 差 小。 关键 词 煤矿 井下巷 道 ;R S S指 纹数 据 ; Kr i g i n g插 值 算法 ;指纹数 据 库 中图分类 号 TD 6 5 5 . 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 1 7 网络 出版地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 6 0 3 0 7 . 1 5 1 7 . 0 0 8 . h t ml Ra p i d g e ne r a t i o n me t ho d o f RSS f i n g e r p r i nt d a t a i n u n d e r gr o u nd r o a d wa y W ANG Yo n gx i ng ,HUA Ga ng , ZHANG Xi n 1 . S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y Xuz h ou 2 21 00 8,Chi na;2. Fo un da t i o n De pa r t m e nt Co mpu t e r S c i e nc e Te a c h i ng a nd Re s e a r c h Se c t i o n,Ai r Fo r c e Lo g i s t i c s Uni ve r s i t y,Xu z h ou 22 1 0 0 0,Chi n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r o bl e m o f l o w e f f i c i e nc y o f t r a d i t i o na l s a mpl i n g o f RSS f i ng e r p r i nt da t a po i n t by p o i nt i n u nd e r gr o u nd r o a d wa y, a r a pi d g e n e r a t i on me t h od o f RSS f i ng e r p r i nt da t a b a s e d on Kr i g i ng i nt e r po l a t i o n a l go r i t hm wa s pr o p os e d. Fi r s t l y, t he o r y v a r i o g r a m i s ob t a i n e d b y f i t t i n g e xp e r i me n t v a r i o g r a m wi t h RSS f i ng e r p r i n t da t a o f a f e w o bs e r v a t i on po i nt s . The n we i g ht c oe f f i c i e n t o f Kr i g i ng i n t e r p o l a t i o n a l g or i t hm i s g o t t e n u nd e r t he c o n di t i o n o f un bi a s e d e s t i m a t i o n a nd t he m i ni mum e s t i ma t i on v a r i a nc e.Fi na l l y,RSS f i ng e r p r i nt d a t a o f e s t i m a t i o n po i n t s a r e c a l c u l a t e d t h r ou gh Kr i g i ng i nt e r po l a t i on a l g o r i t hm .The e x p e r i me n t a l r e s u l t s ho ws t h a t t he RSS f i n ge r pr i n t d a t a o bt a i ne d by t he me t ho d a r e a c c u r a t e a n d l o c a t i o n e r r o r i S l O W . Ke y wo r d s un de r gr o un d r o a d wa y;RSS f i n ge r p r i nt da t a;Kr i g i n g i nt e r p o l a t i o n a l g or i t h m ;f i n ge r pr i nt d a t a b a s e 0 引言 井下 人员 定位 是煤矿 智能 监控 系统 的重要 组成 部 分⋯。基 于 接 收 信 号 强 度 Re c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h , RS S 指 纹 的定 位 方 法 具 有 成 本 低 、 能 耗 低 、 部 署 简 单 等 优 点 , 已 经 在 煤 矿 井 下 得 到 了 应 用 。基 于 RS S指 纹 的定 位 方 法 分 为 2个 阶 段 ① 离 线 阶段 , 即建 立定 位 区域 的 RS S指 纹数 据 库 ; ② 在线阶段 , 即目标定位 。在离线阶段, 主要工作 是 采集 R S S指纹数 据 , 然 后根 据这 些数 据 建立 R S S 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 0 5 ; 修回 日期 2 0 1 6 一 O 1 2 5 ; 责任编辑 盛男。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 6 1 3 7 9 1 0 0 , 5 1 5 7 4 2 3 2 。 作者简 介 王永星 1 9 8 5 一 , 男 , 河南 周 口人 , 博士研 究生 , 主要 研究方 向为人 员定位 、 人 工智 能等 , E ma i l wy x 一 7 8 3 1 6 3 . c o rn。通信作 者 华钢 1 9 6 3 一 , 男 , 江苏江阴人, 教授 , 博士 , 博士研究 生导师 , 主要研 究方 向为物 联 网、 信息 融合 、 云计 算、 煤矿 安全监 控, E ma i l g h u a 3 3 2 3 1 6 3 . c o rn 。 2 0 1 6年 第 3期 王永 星等 煤矿 井 下巷道 中 R S S指 纹数据 快速 生成 方 法 3 7 指纹 数 据库 , RS S指 纹数 据 库 直 接 影 响后 续 的 目标 定位 精 度 。为 了提 高 定 位 精度 , 通 常 的 做法 主要 包 括 ① 在定 位 区域 划分 更 多 的参考 点 , 从 理 论 上讲 , 参考点越密集 , 目标定位精度越高_ 4 ; ② 为了保证 RS S指纹 数 据采 集 的准 确 性 , 在 每 个 参 考 点 上 采 集 多 次数 据 , 求取 这些 数据 的平 均值 作 为建 立 R S S指 纹 数据 库 的样 本 数 据 【 5 - 6 ] 。然 而 煤 矿 井下 巷 道 距 离 长且环境特殊 , 建立 R S S指纹数据库的工作量与参 考 点 的个 数和 采集 数 据 的次 数 成 正 比 , 传 统 逐 点 采 集 R S S指纹数据的方法效率低 。鉴此 , 本文提 出了 一 种基于 Kr i g i n g插值算法的 R S S指纹数据快速生 成方 法 , 该方 法可 以在 已知少 量 观测 点 的 RS S指 纹 数据的情况下, 充分利用观测点之间以及观测点与 待估 点之 间的空 间 相关 性 , 准 确 估 计 待 估 点 的 RS S 指纹 数据 , 在 保证 井 下 目标 定 位精 度 的基础 上 , 节省 大量 的人 力 、 物力 和 时 间 。 1 基 于 Kr i g i n g插值 算 法 的 R S S指 纹数 据 快 速 生 成 方法 假设 Z x 一1 , 2 , ⋯ , , 为 观 测 点 数 量 表 示 1组 观 测 点 的 观测 值 , 则 待 估 点 。 处 的 R S S 指纹数据估 计值 Z z 。 为各个 观测值 的加权之 和 , 即 z z 。 一E Z x 1 i l 式 中 为 相应 Z 的权重 系数 。 相 距 为 h的空 间 2个 点 z和 zh处 的观 测值 Z z 和 Z 之 间 的方差 称 为 变差 函数 , 其 表达 式 为 r x, 一 E{ [ z z 一Z x ] 2 在实际应用 中, 直接求解式 2 比较 困难。因 此 , 可 以利用 有 限 的观测 值求 解实 验变 差 函数 , 再 由 实 验变 差 函数求 解 理 论 变 差 函数 即式 2 。实验 变差 函数 表 达式 为 一 ∑ ,[ z 一Z x J ] 3 式 中 N 为相 距 h的数 据 对 的 对 数 ; J 一1 , 2 , ⋯ , ,J ≠i 。 式 3 要求观测点数据对的间距相 同, 实验变差 函数的计算有赖于有效数据的空间构 型, 对 于规则 的网格数据点 , 可以直接 由式 3 求取 实验变差 函 数 。利用定位区域中无线信号强度值求解的实验变 差 函数非 常接 近 于 球状 模 型 的理 论 变差 函数 , 球 状模 型 的理论 变差 函数 表达 式 为 r 0 一0 , 一 { c 。 c 3 一 1 h 3 0 口 4 式 中 c 。 为块金常数 , 表示参数 随机性变化的部分 , C 0 越 小 , 参 数 空 间相 关 性 越 强 , 随 机 性 越 弱 , C 。越 大 , 参数 空 间相关 性越 小 , 随机性 越 强 ; C为 拱 高 , 表 示参数结构性变化的部分 ; c 。 C为基 台值 , 反映参 数在数值上最大的变化幅度 ; a为变程, 表示参数具 有空 间相 关性 范 围 , 反 映参 数 空 间变化 的速度 大小 , n越小 , 空 间相关 性 范 围越 小 , 表示 参 数 的空 问变 化 速度越 大, 口越大 , 空间相关性范 围越大, 表示参数 的空 间变 化速 度越 小 ] 。 在保 证 无 偏估 计 和 最 小估 计 方 差 的前 提 下 , 利 用 Kr i g i n g插值算法求解式 1 中的权重 系数 。其 中无 偏估 计 为 E E Z z 。 一 Z x 。 ] 一E I E Z x 一Z x 。 i 一0 5 式 中 Z z 。 为 待 估 点 X 。处 的 RS S 指 纹 数 据 真 实值 。 估计 方差 为 d ; 1z o v a r E Z x o 一 Z z 0 ] 一 C x o , z o 一 2 ∑ , C x 。 , X y ∑∑ C x , 1 i 一 1 1 6 式中 v a r [ ] 为方差函数 ; c , 为协方差函数。 构造 L a g r a n g e函数 Fv a r [ z z 。 一Z z 。 ] 一2 ∑ 一1 7 式 中 为 L a g r a n g e函数 因子 。 然后分别对 和 求偏 导, 得到普通 Kr i g i n g 方程 组_ 7 ] f ∑ ∑ C x , 一 一C x 。 , 一 8 l ∑ 一1 将计 算 出 的权 重 系数 代 人 式 1 , 即可 求 出 待估 点 z 。 处 的 Z z 。 , 实 现煤 矿 井 下 巷道 中待 估 点 的 R S S指 纹数 据 的无 偏估 计 。 2仿真 实 验 2 . 1 实验环 境 防空洞 的地 面为水 泥地 , 墙壁 较粗 糙 , 顶 部 两侧 3 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 布 设 电缆 , 从 地形结 构和 电磁波 传播 特性来 看 , 防空 洞与真实矿井环境相似 , 因此选择 防空洞模拟煤矿 井下巷道 环境 。防 空洞 的长、 宽、 高分 别 为 1 5 0 , 3 . 4 , 4 . 5 m, 以 防空洞 的 长 、 宽 、 高 为 坐标 系 的 x, Y , 轴 , 由于防空洞的宽度和高度远小于长度 , 所 以定 位 时不考 虑 目标在 Y轴 和 轴上 的变 化 。防空洞 中 共布设 3个 AP Ac c e s s P o i n t , 接人点 , AP 1 , AP 2 , AP 。的位置坐标 用伪坐标表示 , 分别 为 7 , Y , z , 4 3 , y , , 9 7 , Y, 2 。定 位 区域 中共 有 1 0 0个参 考 点 包 括 观 测 点 和 待 估 点 , 参 考 点 之 间 的距 离 为 1 . 5 I n 。 定位 区域 截面 如 图 1 所 示 。 T AP 点‘ 待 估 点 观 测 点 图 l 定位 区域截面 在不 同天线 方 向上 , 同一 个参 考点 上 R S S值 也 会 不 同 。为 了保证 观 测 值 准确 , 在 每 个 观 测 点上 分 别 采集 AP在 不 同方 向 东 、 西 、 南 、 北 上 的 5次 数 据, 然后取这些数据的平均值作为观测值 。 2 . 2 实验 结果及 分析 分别采用不同方法建立 3种 R S S指纹数据库 ① 在定位区域 中利用传统方法在每个参考点上采 集 R S S指 纹数据 , 建立 原始 R S S指纹数 据库 ; ② 在 1 0 0个参 考点 中选取 2 O 个 观测 点 , 利 用本 文 方 法对 剩余 8 0个待估点进行插值计算 , 建立 Kr i g i n g R S S 指 纹 数 据 库 ; ③ 采 用 另 一 种 比 较 典 型 的 插 值 算 法 距 离 加权 反比 法I n v e r s e Di s t a n c e We i g h t e d , I DW [ 9 3 建立 I DW R S S指纹数据库。 从 2个 方面来 衡量 不 同方法 的优 劣性 ① 通 过 基于不同 RS S指纹数据库的定位算法计算平均定 位误 差 , 定 位 算 法 采 用 K 最 近 邻 K - Ne a r e s t Ne i g h b o r , KNN l l 儿 ] , 其 中 K一3 K 表示选 取 最近 K 个点的坐标 ; ② 利用交叉验证法 , 计算估计值与 真实值 的误 差平方 和 的均值 。 基于不同 R S S指纹数据库 的定位算法 的定位 误 差实 验结 果如 图 2所 示 。从 图 2可 看 出 , 基 于原 始 RS S指纹数据库的定位算法得到 的平均定 位误 差为 2 . 2 5 5 m; 基于 Kr i g i n g R S S指纹数据库的定 位算法得到的误差平方和的均值 为 0 . 2 1 3 , 平均定 位误差为 2 . 2 7 6 m, 在每个参考点上 的定位误差与 基于原始 RS S指纹数据库的定位算法得到的定位 误差 几 乎 一样 ; 基 于 I D W R S S指纹 数 据 库 的定 位 算法 得到 的误 差 平 方 和 的 均值 为 1 . 1 6 5 , 平 均 定 位 误差为 3 . 4 4 9 m, 在每个待估 点上 的定位误差与基 于原 始 R S S指 纹 数 据 库 的 定位 算 法 得 到 的定 位误 差相差较大。这是 因为 I D W 插值算法 没有考虑数 据之 间 的空 间分 布 情 况 , 往 往会 因为 观 测点 的分 布 不均匀而造成估计结果产生偏差 ; 而本文方法不仅 考虑 观测 点与待 估 点 之 间 的相 对位 置 , 还 考 虑 各 观 测点 之 间的相对 位 置 , 充 分 利用 了数据 之 间 的空 间 结构 信 息 。 图 2 基于不同 R S S指纹数据库的定位算 法的 定位误差实验结果 3 结语 针 对 煤矿 井 下巷 道 环境 , 提 出 了一 种 快 速生 成 R S S指纹 数 据 的方 法 。该 方 法 可 以 在 已知 少 量 观 测点 的 RS S指纹 数据 的情况 下 , 充分 利 用 观测 点 与 待估点之间的相对空间位置信息, 考虑各观测点之 间的相对位置信息, 根据实验变差函数拟合 出理论 变差 函数 , 然后采 用 无偏 估 计 和 最小 估 计 方 差 的 准 则 , 求 解 Kr i g i n g插 值 算 法 的权 重 系 数 , 最 后 利 用 Kr i g i n g插值算 法对 待估点 的 RS S指 纹数 据进 行 计 算 。实验 结果 表明 , 基于该 方法 得 到 的 R S S指 纹 数 据用于定位时, 其定位精度几乎 和基于实际采集的 R S S指纹数据得到的定位精度一样 , 验证了本文方 法 的有效 性和 可行性 。 参考文献 [ 1] 华钢 , 王永星. 基于信号衰减模 型补偿 的 R S S指纹 定 位算法 [ J ] . 徐 州工 程学 院 学报 自然 科 学版 , 2 0 1 5 , 3 0 4 2 8 3 2 . 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[ 3] 唐 丽均 , 吴畏. 用 于井下精 确人员定 位 的单 基站方 向 识 别技术[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 2 6 8 7 0 . r 4]P R AS I THS ANG AR E E P, K RI S HNAMUR THY P, CHRYSANTHI S P K.On i ndo o r p os i t i on l o c a t i on w i t h w i r e l e s s L ANs r C ] / / T h e 1 3 t h I E E E I n t e r n a t i o na l Sy mpo s i um on Pe r s on al , I nd oo r a nd 第 4 2卷 第 3 期 2 0 1 6年 3月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i o n Vo 1 . 4 2 NO . 3 M a r .2 01 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 0 0 3 9 0 5 D OI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 6 . 0 3 . 0 0 9 许昭勇 , 宋大钊 , 邱黎明, 等. 煤层水力压裂过程“ 三场” 演化规律特征[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 3 3 9 4 3 . 煤层水力压裂过程 ‘ ‘ 一 场 ’ ’ 演 化规律特征 许 昭勇 , 宋大钊 , 邱黎 明 , 王恩元 , 马 亚飞 , 何俊 江 1 . 中国矿业大学 安全工程学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ; 2 . 煤矿瓦斯与火灾 防治教育部重点实验室 , 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ; 3 . 永城 煤 电集 团有 限责 任公 司 技术 与信 息 中心 ,河南 永 城4 5 0 0 1 6 摘 要 根 据 固液耦 合 方程 与 Mo h r C o u l o mb准则 , 对煤 层 水力 压裂过 程进 行 了数值 模 拟 , 研 究 了煤 层 裂 纹 扩展 过程 中渗 流 场 、 应 力 场和 裂 隙场 “ 三场” 的演化 过 程 , 结 果表 明 , 水 力压 裂 过程 中“ 三 场” 连 续动 态 变 化 , 水 压 力是 裂 隙扩 展 的动 力 , 裂 隙的扩展 引起 裂 隙损 伤增 加 、 渗 流 场 以裂 隙为 中心逐 渐扩 大、 应 力场逐 渐分 化 出高应 力 与低应 力 区域 , 最 终在 主裂 隙的垂 直 方 向上形 成低 应力 一 高渗 透性 区域 , 达到 卸压 增透 效果 。 关 键 词 煤 层 ;水力压 裂 ; 渗 流场 ;应 力场 ;裂 隙场 ; “ 三场” 演化 ;卸压 增透 中图 分类 号 TD 7 1 3 . 3 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 3 0 7 1 5 1 7 网络 出版 地址 h t t p / / ww w. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . TP . 2 0 1 6 0 3 0 7 . 1 5 1 7 . 0 0 9 . h t ml Re g ul a r i t y o f t hr e e f i e l ds e v o l u t i o n o f h y dr a u l i c f r a c t u r i n g p r o c e s s i n c o a l s e a m XU Z h a o y o n g , S ONG Da z h a o 一, QI U Li mi n g , WANG En y u a n 一, MA Ya f e i , HE J u n j i a n g 1. Sc ho ol of Sa f e t y Eng i ne e r i ng,Chi n a Uni v e r s i t y o f M i ni n g a nd Te c hno l o gy,Xuz ho u 2 21 1 16,Chi na;2. Ke y La bo r a t o r y o f Ga s a n d Fi r e Co nt r o 1 f o r Co a l M i ne s,M i n i s t r y of Ed uc a t i on, Xu z ho u 2 2 1 1 1 6,Chi n a;3. Te c hno l o gy a n d I nf o r ma t i on Ce nt e r ,Yo ngc he ng Co a l a nd El e c t r i c i t y Ho l d i n g Gr o u p Co. ,Lt d. ,Yo n g c h e n g 4 5 0 0 1 6 ,C h i n a Ab s t r a c t Nume r i c a l s i m u l a t i o n wa s c o ndu c t e d f o r h yd r a ul i c f r a c t u r i ng pr o c e s s i n c o a l s e a m a c c or d i ng t o s ol i d l i qu i d c o up l i ng e qu a t i o ns a nd M o hr Co ul o mb pr i nc i p l e .The e vo l u t i o n o f s e e pa ge f i e l d,s t r e s s f i e l d 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 卜0 4 ; 修 回 日期 2 0 1 6 - O 1 1 5 ; 责任 编辑 李 明。 基金项 目 国 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目 5 1 3 0 4 2 0 5 ; 教 育部 科 学 技 术 研究 项 目 1 1 3 0 3 1 A ; 中 国博 士 后科 学 基 金 项 目 2 O l 3 M5 4 1 9 8 2 , 2 O 1 4 T7 0 6 7 8 。 作者简介 许昭勇 1 9 9 0 一 , 男 , 山东济宁人 , 硕士研究生 , 研究方 向为矿 山煤岩动力灾害监测 , E ma i l h e r o x u z h a o y o n g 1 6 3 . c o m。 [5] [6] [7] [ 8] Mo b i l e Ra d i o Co mmu n i c a t i o n s ,Li s b o a , 2 0 0 2 72 O一 7 24. SA HA S,CH AUDH URI K ,SANGHI D,P nZ . 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