一种矿用精确定位系统认知算法设计.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动 化 I n dus t r y a nd M i ne Au t omat i o n Vo L 4 1 No ． 8 Au g ． 2 01 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 6 0 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 5 吴畏 ， 黄倩 ， 唐 丽均 ． 一种 矿用 精确定 位 系统认 知算 法设 计 I- J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 6 0 6 4 ． 一 种矿用精确定位系统认知算法设计 吴畏 ， 黄 倩 ， 唐 丽均。 1 ． 重庆 城市 管理 职业学 院 电子 工程 学 院 ， 重 庆4 0 1 3 3 1 ； 2 ． 中煤科 工集 团重 庆研究 院 有限公司，重庆4 0 0 0 3 9 ； 3 ． 重庆工程职业技术学院 信息工程学院，重庆4 O 2 2 6 O 摘 要 针对 现有 矿 用精 确 定位 系统存 在功 耗 高 、 数据 产 生 率 大的 问题 ， 设 计 了一种 矿 用精 确 定位 系统 认 知算 法 。该认知 算 法通过 感知 目标 节 点移动速 度 、 位置 的 变化 ， 采 用重构 决策 的方 法将 目标节 点 的发 射 功率 和定位数据采样 间隔进行合理重配置， 实现 系统功耗和数据产生率的优化。仿真结果表明， 该认知算法能有 效地 降低矿 用精 确 定位 系统 的功耗 和数 据产 生率 ， 同时不会 影响 定位 系统 对节 点运 动轨迹 的跟 踪性 能 。 关 键词 煤矿 ；精确 定位 ； 认 知 算法 ；功耗 ； 数 据 产 生率 中图分类号 T D6 5 5 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 3 3 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． 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 5 0 7 3 1 ． 1 5 3 3 ． 0 1 5 ． h t ml De s i g n o f c o gn i t i v e a l g o r i t h m f o r mi ne us e d a c c u r a t e p o s i t i o n i n g s y s t e m WU We i ，HUANG Qi a n ， TANG Li j u n 。 1． De p a r t m e nt o f El e c t r on i c Eng i ne e r i ng， Cho n gq i ng Ci t y M a na ge me n t Col l e g e， Ch on gq i n g 40 1 3 31， Chi n a 2． CCTEG Cho ng q i ng Re s e a r c h I ns t i t u t e， Ch on gq i ng 40 0 0 3 9， Chi n a；3． De pa r t m e n t of I n f or ma t i o n Eng i ne e r i n g， Ch ong q i n g V o c a t i on a l I n s t i t ut e of En gi n e e r i n g， Ch on gq i n g 40 2 2 60， Chi na Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m o f hi gh p o we r c o ns u m p t i o n a n d d a t a ge n e r a t i on r a t e o f e xi s t i n g mi ne us e d a c c ur a t e p os i t i o n i ng s y s t e m ，a c og ni t i ve a l g o r i t hm f o r m i ne us e d a c c ur a t e p os i t i on i ng s y s t e m wa s de s i g ne d． The r e c og ni t i o n a l go r i t h m r e a s o na b l y r e c o n f i g ur e s t r a ns m i t t e r po we r of t a r ge t n od e a nd l o c a t i o n da t a s a mpl i n g i nt e r v a l by s e n s i n g c h a ng e s o f mov i n g s pe e d a nd po s i t i o n o f t a r ge t no de a nd u s i ng r e c on s t r u c t i o n me t h od o f d e c i s i on m a k i ng， a c h i e v e s o pt i m i z a t i o n o f s ys t e m p o we r a nd d a t a g e ne r a t i on r a t e． The s i m u l a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t h e c o gn i t i v e a l g or i t hm c a n e f f e c t i v e l y r e d uc e po we r c o ns u mpt i on a n d da t a g e ne r a t i o n r a t e o f a c c u r a t e p os i t i on i ng s y s t e m wi t ho ut a f f e c t i ng t r a c k p e r f o r ma nc e o f po s i t i o ni n g s ys t e m t o n o d e t r a j e c t o r y． Ke y wo r d s c o a l mi n e；a c c u r a t e p os i t i oni ng；c og ni t i ve a l go r i t hm ；p o we r c o ns umpt i on；d a t a ge ne r a t i o n r a t e 0 引言 近年来 ， 随着精 确定 位 系统在 煤矿 井下 的应用 ， 井下 工作 人员 的人 身安全 得 到 了有 效保 障 。与传 统 的 R F I D定 位 系统 相 比 ， 精 确 定 位 系 统 的 覆 盖 范 围 更广 ， 因此 ， 系统 中的节点必须具有更大的发射功率 才能和基站进行通信 ； 同时， 基站在大范围内对 目标 节 点 的实时 跟踪 往 往会 导 致 大 量 定 位 数 据 的产 生 ， 从而导致整个定位系统的功耗和数据产生率数倍 、 甚 至数 十倍 于 R F I D定 位 系统口 ] 。由于 系统 中 目标 节 点携 带 的电池 能 量有 限 ， 过 高 的功 耗 会 使 定 位 系 统的生命周期大大缩短； 同时 ， 煤矿井下特殊通信环 境限制 了基站到主干 网链路 的数据传输速率 ] ， 系 统产生的大量 定位数据极易导致通信 链路发生拥 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 0 8 ； 责任编辑 胡娴。 基金项 目 重庆市教委科学技术研究资助项 目 KJ 1 4 0 3 2 0 8 。 作者简介 吴畏 1 9 7 9 一 ， 男 ， 重庆人 ， 高级工程师， 硕 士， 研究方 向为无线 网络通信技术 ， E ma i l ww z j c q t o m． c o m。 2 0 1 5年第 8期 吴畏等 一种矿用精确定位 系统认知算法设计 6 1 塞 ， 不能及时上传 目标节点的实时定位数据 ， 从而导 致 地面 监控 中心无 法 监测到 目标 节点 的实 时运 动轨 迹 。 因此 ， 降低精 确定 位系 统 的功耗 和数据 产生 率 ， 有助于精确定位系统在煤矿井下的推广应用。 对 于采 用 T oA T i me o f Ar r i v a 1 L 3 技术 的矿 用 精确定 位 系统 ， 其 功 耗 与 目标 节 点 的射 频发 射 功 率 、 定位 数据 采样 间隔 直接相 关 ； 系统 的数 据产 生率 直 接与 目标节 点数 据 产 生 率 相关 ， 由定 位数 据 采 样 间 隔所决 定 。要 降低精 确定 位 系统 的功耗 和数据 产 生 率 ， 首 先应 考虑 降 低 系 统 中 目标 节 点 的 射频 发 射 功率， 同时增大 定位数 据采 样 间隔。本 文提 出 了 一 种矿用精确定位 系统认知算法， 通过动态感知 目 标节点的移动速度、 位置变化等信息 ， 采用重构决策 的方法 动态 调整 目标 节 点 的发 射 功 率 、 定 位数 据 采 样 间 隔 ， 在不 影 响系 统 对 目标 节 点 跟 踪 性 能 的条 件 下 ， 有效 地 降低 系统功 耗和数 据 产生率 。 1系统参数 分 析 在现有精确定位系统中， 目标节点的发射功率 、 定 位数 据采 样 间隔 在不 同环 境 下 均 采 用相 同配 置 ， 所以 目标节点的平均功耗和数据产生率无法随环境 的变化 而得 到有 效控 制 。 要 降 低 目标 节 点 的功 耗 和 数据 产 生 率 ， 其本 质 就 是根 据环 境变 化调 整与 目标 节点性 能 相关 的配 置 参数 ， 从而优化整个系统的性能[ 6 ] 。在精确定位系 统 中 ， 与 目标 节 点功 耗 和 数 据 产生 率 直 接 或 间 接 相 关的环境参数包括系统定位精度_ 】 。 。 、 目标节点与基 站的距离和目标节点移动速度 ； 相关 的配置参数包 括 定 位数据 采样 间 隔和发 射功 率 。 1 ． 1 定位 数据 采样 间 隔 定 位数 据采 样 间 隔 T 为 基 站 与 目标 节 点进 行 相邻 2次通信的时 间间隔 ， 它直接影 响了 目标节点 的平均功耗和数据产生率 。从参考文献[ 1 1 ] 可知， 目标 节点在 1 个 定位 周期 内的平均 功耗 P 为 PN n d 一 PP o s |t i。 TP o s I t i。 P I e p T k p ／ TP 0 s t |0 T l p 一 PP o 。 I t j。 TP i。 P 1 p T l p ／ T 1 式 中 P ‰ 。 为 目标 节 点 与 基 站 完 成 1次 定 位 需 要 的功 耗 ， mW ； T 。 为 目标 节 点 与 基 站 完 成 1次 定 位需要的时间， ms ； P 。 为 目标节点休眠时的功耗 ， W； T 。 为 目标节点休眠时间 ， S 。 P 。 可通过式 2 计算 PP 。 s l t 。 一 V TT J T 丁P 0 i i。 0 t h 2 式中 V为 目标节点工作 电压 ； T T 为射频功放工作 时长 ； I T x 为射 频 功 放 的 工 作 电 流 ， 当 发 射 功 率 发 生 变化 时 ， J 随之 变 化 ； 毗 h 为 目标 节 点 中 除 射 频 功 放外其余器件 的工作电流之和。 由于 T 。 。 T P 。 i⋯ 所 以式 1 可简化 为 PN 。 d 一 PP o i 。 TP 0 s m 。 ／ T P l ⋯ 3 从式 3 可以看出 ， 通过增大定位数据采样间隔 T可 以降低 目标 节 点 的 平 均 功耗 ； 增 大定 位 数 据 采 样 间隔 T， 在相 同 时 间段 内基 站采 集 到 的 目标 节 点 定位数据量也随之减少 ， 等 同于降低 目标节点的数 据产 生率 。 1 ． 2 系统定位 精度 和 节点移 动速 度 系统 定 位 精 度 、 目标 节 点移 动 速 度 等参 数 均 影 响基 站对 目标 节点 运动 状态 的判 断结果 。假设 目标 节点 在 t 时刻 与基 站 的实 际 距 离 为 D t ， 测 量 距 离为 d t ， 定位误差为 e t ， 由参考文献 [ 1 2 1 3 ] 中 的测量模 型可得 d 一 D 十 t NL OS ￡ f D t e ￡ 4 式 中 n ￡ 为 系统测 量 误 差 ， 是一 个 零 均值 高 斯 变 量 ； NL OS t 为 由无线 传输 环境 带来 的 NL O S No n L i n e o f S i g h t 误差 ， 是 一个 正 随机变量 。 由式 4 可 知 ， 若 目标 节 点 静 止 不 动 ， 则 在 t ⋯ 时 刻基站 获取 到 的测 试 距离位 移量 △ 矗 为 Ad i 1一 d 1 一 d t P ￡ 1 一 e t A e i 1 5 式中 △ 为 t 时刻定位误差变化量。 定 义 △ 表示 任意 2个 相邻 采样 点 之 间 的 目标 节 点测 量距 离位移 量 ， A⋯ 为 系统定 位 精 度 ， 则 根 据 式 5 可知， 只需满足 目标节点动态判决条件 A d A ， 即 目标节 点 在 1个 采样 间 隔 T 内的测 量 距 离 位 移量 大于 系统 定位 精 度 ， 基 站 就 能 可 靠地 判 断 出 目标节 点处 于非静 止 状态[ 1 。 当 目标 节 点移 动 速 度 为 时 ， 其 在 t ⋯ 时刻 的 实际距离为 D t 川 一D t T， 结合式 4 ， 可计 算出 目标节点在 ￡ ， t ㈩ 时间段 内的测量距离位移 量 A d ⋯ 为 Adf 1 一 d t 汁1 一 d t T e t 1 一 e t 一 T Ae f 1 一 T 6 式 中 为 目标 节 点 在 t 时刻 的测 量 速 度 ， 与 目标 节 点移 动速 度 成 正 比。 从式 6 可 以看 出， 在满足 △ A 的条件下 ， 目标节点的移动速度越慢 ， 采样间隔 丁的取值就可 以越大， 从而可降低 目标节点的功耗和数据产生率 。 1 ． 3发射 功 率 发射 功率 Tr a n s mi s s i o n P o w e r ， T x P 是决 定 目标节点功耗高低 和有效通信距 离远近 的关键 因 素 。在减小 发射 功率 、 降低 目标 节 点功耗 的同时 ， 会 缩短 目标节点的有效通信距离 ， 因此 ， 根据 目标节点 6 2 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 的位置信息配置合适的发射功率参数 ， 在降低 目标 节点功 耗 的 同时 ， 才不 会 导 致 目标 节 点 与 基 站 的通 信 出现 中断 。 从参考文献E 1 4 ] 可知 ， 基 站在距离 目标节点位 置 D 处 接收 到 的信号 强度 P D 为 n PR D一 PR o一 1 0 u l g 7 0 式 中 P 。 为参 考 点 处 的 接 收信 号 强 度 ； 为 路径 衰 减 因子 ， 其值 与无 线信 号 的传播 环境 有关 ， 是一 个经 验值 ， 本文取 一2 ． 8 8 8 9 [ 1 ； D。为 目标节点和参考 点之 间的距 离 ， 一 般取 为 1 m。 当 目标 节 点 与 基 站 距 离 为 D 时 ， 只 要 满 足 P D R R⋯ i 为 基 站 的 接 收 灵 敏 度 值 ， 目标节 点就 能与 基站 进行 可靠定 位 。当 目标节 点靠近基站时， 只要适当减小发射功率， 就不会使 目 标 节点 与基 站 中断联 系 。 2 认知 算法 为了降低精确定位系统的功耗和数据产生率 ， 本文提出的认知算法主要用于调整 目标节点 的发射 功率和定位数据采用间隔。算法的具体工作流程如 图 1所示 。 初始化 距离 襞d 参 数 r 、 结束 图 1 认 知 算 法 工 作 流 程 该算法采用重构决策的方法控制 目标节点的功 耗 和数据 产生 率 ， 找 到一 个 与特 定 环 境 下对 应 的输 人参 数联 合作 为 当前环 境下 的最 佳参 数 。将 目标 节 点 和 基 站 之 间 的 测 量 距 离 d划 分 为 2个 等 级 { Ne a r ， F a r ， 对 应距离 分别 为 d ， d ； 将发 射 功率 划 分 为 3个 等 级 { L o w， Me d u i m， Hi g h ； 将 目标 节 点 的 测 量 速 度 划 分 为3 个 等 级 { S l o w， I n t e r me d i a t e ， F a s t ， 对 应 速 度 分 别 为 s ， I ， F ； 将 定 位 数 据 采 样 间 隔 T 划 分 为 4个 等 级 { S t a t i c ， S l o w， I n t e r me d i a t e ， Fa s t } 。 从 式 4 和式 7 可得 PR D 一 P R 0一 l Ou l g d 一 8 8 现有矿用精确定位系统的定位误差 e 的数量级 为米 ， 当 d 和 d 远 大于 e 时 ， 式 8 可简 化为 PR D≈ PK 0 1 O u l g d一 PR 9 从式 9 可 知 ， 目标 节 点 可 根 据 测 试 距 离 d控 制发射功率 ， 测试距离 d越小， 发射功率的值也相 应降低 ， 发射功率的控制规则见表 1 。 表 1 发射功率的控制规则 测试距离 发射功率等级 从式 6 可知 ， 定位数据采样 间隔 T 的取值与 目标 节 点 测 量 速 度 V 相 关 ， 丁一 △ ／ 。 因此 ， 定 位 数据 采样 间 隔 T的控 制规 则见 表 2 。 表 2 采样间隔的控制规则 目标节点测量速度 采样 间隔等级 m vs s ≤ m 1 V I ≤ mA ， 当定位精 度 越高或 目标节点移动速度越快 时， 基站判断 出目标 6 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 节 点处 于运 动状态 的概 率越 大 。为 了不影 响精 确定 位 系统 的轨迹 跟踪 性 能 ， 认 知 算 法 会 更 加频 繁 地 将 定位 数据 采样 间 隔调整 到 F a s t 状 态 ， 导致 目标节 点 的功耗和数据产生率的改善程度相对降低 。现有煤 矿 井下 精确 定 位 系统 的 系 统 定 位 精 度 大 多 为 5 ～ 1 0 m， 所 以认知算法能较 明显地降低煤矿精确定位 系 统 的功耗 和数据 产生 率 。 3 ． 2 ． 3运动 轨迹 在定 位 精度 为 1 0 m 的 系 统 中 ， 采 用 认 知 算 法 和 非认 知算 法时 ， 基 站 对 目标 节 点 以不 同速 度 移 动 4 结语 0 1 0 0 t／ s 的运 动轨 迹 跟 踪 情 况 如 图 4所示 。从 图 4 a 可 看 出 ， 在 目标 节点 低速 运动 时 ， 认 知算法 虽 然不 能提 高 定位 精 度 ， 但 可 以 平 滑 目标 节 点 的 运 动 轨 迹 。从 图 4 b 可看出， 当 目标节点运动速度较高时 ， 采用 认知算法后 ， 目标节 点的运动轨迹与采用非认知算 法 的运动轨迹几乎重合 。从 图 4可 以看出， 认知算 法 在 自主应 对环 境 变 化 、 降 低 功耗 和数 据 产 生 率 的 同时 ， 不会 影 响精确 定 位 系 统 跟踪 目标 节 点 运 动 轨 迹 的性 能 。 a 以 1 m／ s 运 动的目标节点运动轨迹 b 以 1 0 m／ s 运动的 目标节点运动轨迹 图 4 采用认知算法与非认知算法时 的运动轨迹 比较 分析了影响矿用精确定位系统功耗和数据产生 率的因素 ， 提出了一种改进 的精确定位 系统认知算 法。仿真结果证 明， 采用该认知算法后 ， 矿用精确定 位系统的功耗和数据产生率 明显降低 ， 同时并未影 响系统 的 运动轨 迹 跟踪 性 能 。对 于采 用 TOA 定位 技 术 的精 确定位 系 统 来 说 ， 影 响 定位 系统 功 耗 和 数 据产生率的因素均类似 ， 因此 ， 该认知算法适用于采 用 T OA 定位 技术 的各 类矿用 精确 定位 系统 。 参考 文献 [ 1] 高 宇． 射 频 技术 在煤 矿人 员定 位 系统 上 的应 用 I- J ] ． 煤矿安全 ， 2 O 1 O ， 4 1 1 2 6 4 6 6 ． [ 2] 成继勋 ， 孟祥忠．煤 矿用 现场总线标 准的研 究 [ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 1 ， 2 6 6 6 5 7 - 6 6 2 ． [ 3] 张科 帆， 朱海 霞 ， 包 建军． 基 于 C S S技术 的井 下精 确 定位系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 5 - 8 ． [4 ] 唐 丽 均 ， 杨 智 勇． 煤矿 井 下精 确 定 位 技术 比较 分 析 [ J ] ． 煤矿现代化 ， 2 0 1 4 4 7 1 - 7 2 ． [5 ] 吴畏 ， 刘世 森． 基于 T 0A 技术 的煤矿 井 下精 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