王 超
国家能源集团神东煤炭集团哈拉沟煤矿， 陕西 榆林 719315
摘 要：随着煤矿领域的快速发展，人们越来越关注煤矿安全问题。人员定位系统是保障煤矿井下工作人员安全的重要措施，由于煤矿作业环境的特殊性决定了对人员定位系统具有相对较高的要求。随着科学技术的不断发展，越来越多的先进技术被应用到煤矿井下人员定位系统中，显著提升了定位系统运行的稳定性和可靠性，以及定位精度。当前阶段无线网络技术以其显著的优势在很多领域得到了非常广泛的应用，包括煤矿领域。鉴于此，本文基于信道状态信息对煤矿井下人员无线定位系统进行了探索。
关键词：信道状态信息；煤矿井下人员；无限定位系统
前 言：煤矿井下环境复杂，煤矿井下空间较小、各个巷道之间相互交错，整体环境比较复杂，这对信道状态信息网络规划提出了较高要求。设计的人员定位系统需要传输的数据类型主要以文字和语音数据为主，因此对传输速度和数据量的要求不是非常高。基于相关理论和实践经验，并考虑煤矿井下实际情况，数据传输到综合分站内人员定位模块上，通过综合分站的交换机传输到环网上，再到地面服务器解析数据，以保障人员定位系统没有盲区。
1 煤矿并下人员定位方法
煤矿安全生产状况连续稳定改善，煤矿自动化、信息化和智能化是未来矿山的发展方向。精确定位系统对控制过剩员工起重要作用，可有效防止员工进人危险区域，利于超时工作人员管理、特殊运输调度人员管理，在紧急救助、事故调查、证书管理等方面发挥重要作用。煤矿井下六大系统是保证煤矿进行安全生产工作的重要前提。由于在矿井里电磁波受到影响会大大减弱信号强度，此时GPS等卫星定位系统无法穿透煤层和岩层到达井下测距，同时防爆性能等因素也阻碍了地面定位技术在煤矿井下进行工作。因此，急需通过煤矿的特点进行分析，对煤矿井下人员的精确定位方法进行验证。
1.1 RSSl测距定位方法
RSSll方法是以通过无线信号测量距离和位置为基础的定位方法，已知无线信号传输系统的发射功率，接收设备测量信号的接收功率，计算乘法损失并将乘法损失转换为相对距离。RSSl定位具有原理简单、定位精度低的特点。由于电磁波在矿井中的传输是由线路强力引导和支撑的，会导致导线和设备在运行的过程中受到一定影响，RSSl定位方法的定位误差比较大，发射功率的波动和接收灵敏度的变化也进一步使RSSl定位方法的定位准确度降低。因此，RSSl定位方法不适合煤矿井下人员的精确定位。
1.2 基于定向天线的角度测量法
基于定向天线的测角方法，定位设备采用定向天线来捕获到达角，定向天线的主要特点是定向，信号强度高，如果定位标识卡与信号传输方向一致，根据定向天线特性可以测量到达角。定向天线由制导系统控制，定期扫描，并将采集到的数据实时传输到控制系统中，控制系统采用特殊算法对信号的到达角进行估算，定向天线测量法所能测量的到达角误差比较大，由于角度的微小偏差就会导致发生较大的定位误差，所以不适合远程定位，由于煤矿粉尘和湿度大，定向天线周期性旋转容易损坏，若天线的位置发生改变，会严重影响到测量的精准度，因此，定向天线的角度测量定位方法并不适合在煤矿井下使用。
1.3 煤矿井下无线定位传输技术
采用红外、超声波、激光等技术进行线性障碍物清除，在带宽范围内不允许有胶轮车、电力机车、带式输送机、移动变电站等设备和操作人员等障碍物，也不允许在视线的情况下有线路弯曲，无线信号具有远距离和低设备成本的优点。采用适宜的定位方法，无线信号可以解决或减少煤矿井下巷道分支、弯曲和倾斜，胶轮车、电机车、带式输送机、移动变电站等设备和作业人员等对定位精度的影响，可作为煤矿井下人员定位主要技术。因此，红外、超声波和激光传输三种技术是不适宜在煤矿井下拼行定位工作的.亘话用干相对较短距离的定位工作。
2 信道状态信息概述
建立可靠的井下人员定位系统，对煤矿的安全生产有着十分重要的意义。目前煤矿井下的人员定位系统主要分为两种，一种是标签识别定位，典型代表是无线射频通信技术定位系统;另一种是测距模型定位，典型代表是接收信号强度指示定位系统。其中，无线射频通信技术定位系统通过读取所安装的读卡器的位置作为井下人员的位置信息，被最早应用于井下人员定位系统，但无法实时确定井下人员的具体位置。接收信号强度指示定位系统根据无线Wi-Fi的验证编码和接收信号强度指示值，构建指纹地图数据库从而对人员进行定位，与无线射频通信技术定位系统相比大大提高了人员定位性能。但由于煤矿井下结构多由长廊和不规则煤壁组成，多径效应严重，而接收信号强度指示定位系统在定位工作中的基本缺陷是无法捕获空间信道中的多径效应，所以接收信号强度指示定位系统的精度一直难以突破米级。信道状态信息作为接收信号强度指示定位系统的升级版本，不仅容易从Wi-Fi信号中获取，还包含更为详细和准确的多径传播信息。而且在无行人走动、无线路由器位置固定的稳定电磁环境下进行对照实验，发现相比于接收信号强度指示定位系统, 信道状态信息在静态稳定性和动态灵敏度上均具有较好的性能。使用信道状态信息代替接收信号强度指示定位系统作为煤矿井下人员定位的参考信号，可以很大程度地避免多径效应，提高定位精度。
3 基于信道状态信息的煤矿井下人员无线定位系统设计
本设计的煤矿井下定位系统主要由无线路由器、指纹地图测绘设备和在线定位设备等组成。指纹地图测绘设备和在线定位设备都包括无线网卡、处理器和存储器。完成驱动配置的无线网卡可以实时获取信道状态信息数据，处理器可以实现信道状态信息信号的滤波处理、离线地图的构建及在线的匹配定位。除此之外，指纹地图测绘设备需要额外增加人机交互界面与激光测距仪，以此方便测绘人员操作和提高定位精度;在线定位设备的外壳上还需额外粘贴一张工业用无线射频通信技术标签卡，以此实现指纹地图的及时更新。
3.1 系统数据基础
3.1.1 指纹信息的采集与填充
指纹地图的基本单元是指纹单元，指纹信息是指纹单元在地图坐标上的典型特征值(如接收信号强度指示定位系统或信道状态信息)和用于检索指纹单元的必要信息。首先要采集整个定位环境的指纹信息作为本系统的数据基础。由于煤矿井下的定位环境相对复杂，可以预先排除一些定位工作中完全不涉及的坐标。然后，用指纹地图测绘设备对定位环境中所有可到达的位置进行遍历勘测，采集指纹信息。最后，对一些难以到达和因安全性不适合到达的区域，本文采用Kriging插值法，利用周围点的采样特征，填充当前插值点的指纹信息。
3.1.2 信道状态信息信号滤波预处理
由于采样设备的不准确、信号的互十扰及自十扰等原因，数据采样会存在信号误差，所以需要预先对原始信道状态信息信号进行一次滤波处理。考虑到不同采样时刻的数据对滤波结果的不同影响程度，本文在移动平均滤波预处理的基础上进行改进，采用加权移动平均滤波。无论是构建指纹地图离线阶段，还是在线匹配定位阶段，滤波操作均是第一步操作，整个系统采用统一的滤波方案。具体操作是，在数据窗口处理过程中，对所处序数的每一项数据赋予不同的权重，然后求加权情况下的平均值作为滤波结果。
3.2 构建离线指纹地图
3.2.1 区域划分
为了便于指纹地图数据库的存储和管理，提高在线匹配定位时的搜索效率，采集指纹信息后，需要先对指纹地图进行区域划分。本文采用K均值(K-means)的聚类算法求解接收信号强度指示定位系统数据集的聚集中心，按照不同聚集中心所在的范围将指纹地图划定为不同的区域。本文选用接收信号强度指示定位系统数据集的原因主要是:接收信号强度指示值受环境物理区域影响较大，用作区域划分效果更好;本系统对区域划分的精确度要求不高并且需要相邻的区域边界有一定重合，所以接收信号强度指示定位系统的静态波动性问题在区域划分工作中影响不大;避免使用信道状态信息值导致区域划分算法与定位算法产生锅合，使区域划分算法失去意义。K-means的具体算法是:(1)依赖于定位空间的范围，指定分类数K为2-10，再随机选择K个聚类中心作为初始聚类中心;(2)求取集合中每个节点到所有聚类中心的Euclid距离，将对同一聚类中心距离最短的节点划归为一类;(3)对于每个新划分的聚类，再次计算这个聚类的聚类中心。重复(2),(3)操作直到收敛。此时所有节点也自然地划分到不同的区域。
3.2.2 建立指纹地图数据库
由于按照多为长条形结构的井下巷道实际物理空间进行区域划分，指纹地图数据库中存储的整个地图矩阵是稀疏矩阵，而每次在已有指纹地图中新添指纹单元时，均需要检索整个指纹地图数据库中的指纹信息，所以非常消耗资源，检索效率低下。故而本文在存储拓扑结构上引入一种最小生成树算法，与散列表相配合，建立可以高效存取指纹信息的指纹地图数据库。当需要新加人一个指纹单元到指纹地图数据库中时，按照最小生成树结构遍历原有集合树，可以最高效地寻找到与新单元最接近的旁支单元，然后计算新单元与旁支单元之间的权值并建立两个单元之间的联系。本系统采用Kruskal算法来求取最小生成树，最小生成树的权值是两个定位坐标单元测量到的参考节点的接收信号强度指示定位系统值的差值。
3.2.3 在线匹配定位
（1）匹配定位算法
在线阶段的匹配定位是在离线指纹地图构建完成后，在线定位设备采集当前定位目标所在位置的信道状态信息数据，依据一定的匹配算法与离线指纹地图数据库中的已有信道状态信息数据进行比较，通过匹配判断，计算出待测人员位置的估计值。本文采用高斯权重的k最近邻法的匹配算法。高斯权重的k最近邻法是对 kNN算法的改进，通过对符合分类的k个最近邻的坐标值赋予一个权重，在加权的基础上求取最终的估测坐标。
（2）定位校准算法
目前大多数的定位算法都不会将估算出的定位坐标直接使用，而会将坐标数据与其他的传感器数据进行融合、滤波等操作，进一步提高估计坐标的精确度。本文提出一种基于结构地图的定位校准算法，利用煤矿井下地质结构地图作为校准参照，修正由定位得到的预测位置，避免定位坐标定位到煤壁中的情况。首先对煤矿井下地质结构地图进行一次二值化处理，设可通行区域为值1，不可通行区域为值。，然后将二值化后的地图压缩后存储为二维地图矩阵。考虑到地形中的仟何可通行区域都可能出现在估计坐标的集合中，所以简单地将观测下的后验概率密度看作二项分布，单次取样为伯努利分布，受地质结构地图的影响。
（3）地图更新
当空间环境变化巨大以至于无法准确定位时，需要提醒在线定位设备或使用者及时更新离线指纹地图。本系统可以在定位设备进行匹配定位时，判断离线指纹地图是否需要更新。根据第上文所述，本系统的在线定位设备上安装有一片无线射频通信技术识读卡;并且目前大部分煤矿已经在一些井下主要巷道的关键出人口预先安装了无线射频通信技术读卡器用于人流检测、考勤等。当井下的无线射频通信技术读卡器识别到在线定位设备的无线射频通信技术识读卡时，无线射频通信技术读卡器的空间坐标会作为一个绝对参考坐标，发送给带有无线射频通信技术识读卡的在线定位设备上，与指纹地图的当前定位坐标做对比。
结 语：
(1)本文以改进室内信道状态信息定位系统使之适应煤矿井下特殊环境为目的，提出基于信道状态信息的煤矿井下人员无线定位系统，训练出一种适用于煤矿井下的指纹地图定位算法，可以满足更高准确度的井下定位需求。 (2)在构建离线指纹地图阶段，先对指纹地图进行区域划分，利用最小生成树算法建立指纹地图数据库，构建出离线指纹地图以备在线匹配定位时使用。(3)在线匹配定位阶段，测量定位目标的信道状态信息数据，依据高斯权重的k最近邻法和基于结构地图的定位校准算法，与离线指纹地图做匹配，得到最优估计坐标。在线测量的同时，利用煤矿井下已经安装的无线射频通信技术读卡器，可以实现指纹地图的及时更新。 (4)井下人员的移动、矿井的结构性变化都会对信道状态信息信号产生干扰，将信道状态信息用于煤矿井下人员定位依然面临着困难与挑战。
参考文献：
[1]李雨谦. 吴韶波. 姜 冰. 等.利用信道状态信息的室内定位技术[J].电讯技术,2018,58(12):1363-1368.
[2]孟兆颖. 煤矿井下人员定位系统的现状和发展[J].山东工业技术,2018,(24):74.