基于无线传感器网络的矿井移动目标定位算法的设计-山西大同大学科学研究项目申请书

项目类别：一般R 青年 思政专项山西大同大学科学研究项目申请书 项目来源 山西大同大学 项目名称 基于无线传感器网络的矿井移动目标定位算法的设计 起止时间 2017.042018.12 项目负责人 张 楠 所在单位 机电工程学院 填报日期 2017年3月5日 山西大同大学科技处二一七年制填 表 说 明一、申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。表达要明确、严谨，字迹要清晰易辨。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词，须注出全称。二、申请书为正反打印件，于左侧装订成册，一式三份。第二页不够时，请自行加页。由所在单位审查签署意见后，连同电子版报送科技处。三、同一项目组研究内容相近的项目，只允许报送一个。四、申请经费额度：6000元、8000元、10000元（理科）4000元、5000元、6000元 （文科，思政）五、所有与资助项目相关成果必须写明由“山西大同大学科研项目经费资助”。 六、申请项目被批准后，在研时间一般为3年，如项目未能按期完成须写延期报告。七、各单位组织申报后，统一报送科技处，不受理个人申报。 一、简表项 目名称基于无线传感器网络的矿井移动目标定位算法的设计起止年月2017.042018.12申请经费（千元）10负责人姓名张楠性别男民族汉出生年月1981.01专业通信与信息系统学位最后学历及毕业院校中国矿业大学专业技术职务副教授联系电目组主要成员姓名性别出生年月专业技术职务项目分工签名吴利刚男1986.04控制理论与控制工程讲师实验研究郭计云女1978.06通信与信息系统讲师算法测试盛彬女1986.09控制理论与控制工程助教实验研究总人数正高级副高级中级初级博士硕士本科专科412113预期成果类别A专著 B译著 C论文 D研究报告 E工具书 F电脑软件（在相应项划“”）数目北大核心论文2篇课题主要内容和意义摘要本项目设计了一种基于无线传感器网络的矿井移动目标精确定位算法，在传统RSSI定位算法的基础上进行了改进，运用误差补偿算法，融入一维线性定位思想，提出了距离比值计算方法来对未知节点进行定位。改进后的算法，主要是根据接收节点信号强度，通过计算分析节点与锚节点的位置关系，获得井下人员的具体位置和状况，为制定救援方案提供及时、有效的数据，使人员伤亡和事故损失降到最低。二、报告正文1.项目的立项依据（研究意义、与经济社会发展关联程度，国内外研究状况分析）:( 限1000字内) 研究意义：煤矿生产多为地下作业，空间狭窄，工作环境恶劣，时刻都有发生事故的可能。作为井下移动目标的主要对象人员就在这样的环境中工作。因此，新型的煤矿井下综合监控人员精确定位系统，必须实现对煤矿入井人员的实时跟踪和精确定位，消除地面管理人员对井下作业人员的视野盲区，随时清楚掌握每个井下作业人员的位置及活动轨迹。本项目的研究是在无线传感器网络的基础上设计的定位算法，主要是针对煤矿井下环境，为井上管理人员提供井下人员分布的精确位置信息，同时也可以用在其它的工业环境，具有较多的应用领域。因此，通过采用国内外先进的科学技术，进行人员精确定位算法的研究是非常必要的。研究现状分析：目前国内对基于无线传感器网络的定位技术具有突破性的研究相对较少，国内所使用的煤矿井下人员定位系统主要是实现巷道的考勤功能或者仅仅实现粗略层面上的定位，完成井下人员位置的大致确定，很少能真正精确的实现人员定位跟踪。如今，国内对于煤矿井下人员精确定位与跟踪技术的研究仍然是一个相对薄弱领域。附主要参考文献目录: 1 倪巍，王宗欣，基于接收信号强度测量的室内定位算法，复旦学报，2004 年，第 43 卷第 1期.2 陈维克，李文锋，基于 RSSI 的无线传感器网络加权质心定位算法，武汉理工大学学报，2006 年，第 26 卷第 2 期：265268.3 史龙，王福豹，段渭军，任丰厚，无线传感器网络 Range-free 自身定位机制与算法，计算机工程与应用，2004 年 23 期.4 孙妍.基于 ZigBee 的井下人员管理系统的设计D，上海交通大学，2009年.5 龙铁光，黄廷.无线传感器网络中基于RSSI算法的优化J.计算机系统应用，2013,22(1):107-110.6 景哲.一种改进的RSSI井下定位算法的优化J.测试技术学报，2013,27(5):40-43.7 熊志广，基于RSSI的无线传感器网络定位算法研究及应用D重庆大学，20108 陈维克，李文锋，首珩等基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法J武汉理工大学学报，2008，30(2)：256-2689 杨新宇，孔庆茹，戴湘军一种改进的加权质心定位算法J西安交通大学学报，2010(8)：l-42.项目的研究内容、研究目标、以及拟解决的关键问题:(限1000字内)研究内容：本项目在经典的RSSI的测距模型研究的基础上，提出改进的RSSI误差补偿算法。我们知道传统RSSI定位算法是通过已知节点对未知目标节点发出的电磁信号强度进行判断，以信号的衰减程度为依据，采用适当的信号传输模型，计算出目标节点相对于信标节点的位置或者坐标。本项目设计的改进型RSSI误差补偿算法，同时针对煤矿井下的特殊环境（煤矿井下巷道和开采区一般比较狭长），针对这一特殊环境，将二维定位环境转化为一维线性定位环境，并提出了相应的定位模型和比值定位算法，解决其受环境因素影响较大的缺点，简化定位算法模型，提高井下人员定位的精度。研究目标：本项目设计的基于RSSI的井下人员精确定位算法和煤矿综合监控人员定位系统组成一个贯穿井上和井下的通信网络，实现地面人员对井下各个区域人员活动及分布的全面掌控，方便为井下人员生产工作进行优化，提高生产效率。由于本算法定位精度较高，如遇井下突发安全事故，井上人员能够立即通过本系统查找出各人员的具体位置和状况，为制定救援方案提供及时、有效的数据，使人员伤亡和事故损失降到最低。拟解决的问题：我们知道井下环境较为复杂，在采用RSSI技术进行定位时，待测地点的环境、温度、气压等因素有较大差异，测量距离和路径衰减之间没有一个固定的数学模型。通常采用的模型有基于各种测量数据的纯经验式模型，也有结合在物理参数测量及数据分析的基础上的半经验式模型。无论哪种模型，都无法很好的适应于实际的通信环境，将其准确的模拟出来。通过在模拟井下巷道中测试中得到以下结论，采用RSSI定位算法进行定位时，接收到的信号强度容易受定位环境因素的影响，信号波动比较大。于是，本项目中设计了基于RSSI的误差补偿算法，根据对接收到的RSSI进行误差补偿，通过实际环境测得的数据来推算出特殊距离下的RSSI均值，利用这些值对系统的信号传播模型进行校正，更加精确得捕捉信号传播的衰减规律和特征，使得建立的传输模型和实际环境下的传播特征更加接近，从而有效地提高人员定位的精确程度。3.拟采取的研究方案及可行性分析(包括有关方法、路线、试验手段、关键技术等说明)：(限1500字内)具体研究方案：通常表示位置节点和信标之间的距离与测量误差之间存在以下关系： (3.1)以上公式方差可表示为： (3.2)对式（3.2）中的误差系数分别求偏导并令两个偏微分方程为0，可得： (3.3)假如和都已知，那么修正值为， (3.4)应用RSSI定位时，虽然定位区域不变，误差系数和也会随着周围环境的变化而发生改变，这种改变会影响到定位系统的适应性。为了解决这个问题，在无线传感器网络中，可以根据信标节点的位置已知性，通过信标之间的通信，测算出，再利用以上方法倒推出特定环境下和的值，将和更新到其余适宜的网络节点中，不仅提供了网络节点的适应能力，也保障了系统定位测量的精度。这种测距补偿方法通过误差补偿RSSI测距数值，提升了系统定位精度，但它只是对测量数据误差的一种综合式的补偿，并没有针对某一特定环境因素引起的误差进行针对性的补偿，上述补偿方式只能使测量值尽可能地接近实际值。在此基础上，我们又引入距离比值定位算法，所谓距离比值定位，就是根据接收到的标签信号强度，分别计算出锚节点与待测区域两端读卡器的距离和，然后利用两种距离的比值来分析计算出标签的位置。具体算法如下：假设(,0)是两个读卡器B1、B2之间的任意的一枚锚节点，根据读卡器接收到锚节点的信号强度，可以计算出其到达两个标签的距离分别是和，根据式（3.4）可以推导出： (3.5)由此可以得到锚节点与读卡器B1和B2之间的距离比值，即： (3.6)在井下巷道对人员进行定位时，假设人员携带的标签为，标签移动坐标为，结合RSSI误差补偿方式，对待测区域两端读卡器接收到的标签信号强度进行误差补偿，并参照锚节点位置计算方法，计算出标签与两读卡器的距离和，则移动标签的距离比为： (3.7)假设为与、的差值，则有： (3.8)移动标签在待测区域内与距离最近的锚节点之间差值，必定是与所有锚节点差值中最小的一个。所以，只要比较出这个最小差值，就可以近似地认为距离最近的锚节点坐标即为移动标签的坐标，即,从而实现对移动标签的精确定位。可行性分析：在待测环境里布置的各种传感器节点是一维线性分布的。假设待测区域两端的读卡器B1和B2相距为D，其间的锚节点则是一维线性均匀分布的，共个，那么任意两个锚节点之间的距离为。图1 误差分析示意图如图1所示，以锚点、为例，比更接近B1，、到读卡器B1的距离分别为和，到读卡器B2的距离分别是和，其中，则有以下关系： (3.9)由于、均为正数，且，所以，根据式（3.9）可推导出： (3.10)继而可以得出： (3.11)从上式可以看出，锚节点到两读卡器的距离比值，自B1方向到B2方向是单调递增的。当移动标签在相邻两个锚节点之间移动时，如标签在锚节点和之间移动，那么或的坐标可以近似表示的坐标，大多数情况下，的位置误差不会超过。通过以上算法模型分析可知，通信节点是通过与锚节点和接收器进行通信，并从中获取锚节点的坐标，进而得到自身坐标的。若要实现通信节点的精确定位，则测距范围内需要部署足够多的锚节点，无形中增加了通信网络的成本。由于锚节点在定位区域内又是均匀部署的，一个锚节点也可以为一定数量的移动节点所共用，且当锚节点部署比较稀疏的时候，距离比值定位法会更加明显的体现出它的优越性，锚节点部署的数量对人员的定位精度影响不是十分明显，也就降低了整个通信网络的成本。此外，项目中我们将在实验室中使用软件对项目所提出的模型和算法性能进行仿真实验、分析和改进。在有一定的理论和仿真结果后，就可以对理论研究结果进行实际验证。综上所述，根据我们的研究经验和初步研究结果，在认真分析了项目的关键科学问题后，本课题组认为：本项目的总体目标在通过努力工作之后是能够实现的。4.项目的特色与创新之处:(限500字内)本项目的特色；利用改进的RSSI测距算法，通过分析接收信号的强度，计算距离比值来确定位置，这样可以有效减少传统RSSI定位算法中的多径效应，降低传感器节点差异等引起的测量误差，在对信号强度的数据分析上更加接近实际值，有效的提高了系统的人员定位系统的精度和准确性。通过将二维的平面定位转化成一维的线性定位，不仅降低了无线传感器网络的硬件开销，还减少了各类节点发送和接收的数据量，简化了计算过程，节省了系统能耗，延长了系统的使用寿命，体现出了改进算法的优越性。本项目的创新之处：针对传统基于距离的RSSI节点定位算法需要“先测距，再定位”而带来的计算复杂和定位速度慢的问题，本文在将二维定位环境转化为一维线性定位环境基础上，提出了相应的定位模型和比值定位算法，无需对井下工作环境的参数进行估计，也无需应用信号传播模型估计未知节点与锚节点之间的距离，通过建立测试点数据，根据RSSI测得的值直接进行定位，因此算法的时间复杂度与空间复杂度都较小，适合节点的快速定位。5.项目的分年度具体实施内容和预期成果(包括发表相关论文、论著、申请发明专利等)：(限500字内)本项目拟在两年内完成，具体进度安排如下：2017.04：进行现场调研2017.06：整理现场调研资料；2017.07：制定详尽的研究工作计划和课题实施方案；2017.09：开发能够基本符合井下实际环境的数学模型；2017.12：对所开发的井下巷道模型进行分析与测试；2018.03：对改进的RSSI算法进行分析与测试；2018.04：准备发表论文等各项工作；2018.10：根据各项研究内容，形成研究报告。项目完成后，发表北大核心论文2篇。6.研究基础(与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩):(限800字内)项目主持人张楠一直从事煤矿综合监控系统的研究，多次从事与本项目有关的技术研究。参与了汾西煤矿集团的攻关课题“数字化矿山三维模型的构建及开发”、同煤集团的攻关课题“选煤厂胶带输送机伤人保护装置”等项目的研发，在此基础上不断深入，以第一作者的身份发表多篇与煤矿综合监控相关的论文和专利，已有坚实的研究基础，团队中有副教授和博士各一人，科技人员素质较高，其中吴利刚在攻读博士期间曾经参与完成过多个国家自然基金项目，所以本项目组成员具有很强的科研能力，有能力承担此项目的开展与实施。主要研究成果：1 张楠.煤矿综合监控系统的设计与实现J.矿业研究与开发，2012，32（2）:8893.2 张楠.矿井移动目标并发接收时间片调度算法J.煤矿安全，2012，43（6）:9092.3 张楠.基于无线传感网络的液压系统数据测量方法研究J.煤炭工程，2015，47（4）：105107.4 张楠.煤矿顶板锚固体失稳模式探测仪的研发与应用J.中国煤炭，2016，42（9）:5053. 5 张楠.基于温度补偿的光纤光栅井下锚杆受力动态检测技术J.煤矿安全，2016，47（4）:146149.6 张楠.基于CAN总线的煤矿综合监控系统的设计与实现J.大同大学学报，2012，4:58-61.7 张楠.智能ETC系统中电子标签的防碰撞算法研究J. 大同大学学报，2011，1:80-83.实用新型专利：1.煤矿井下移动目标定位仪 （独立完成）2.一种胶带输送机保护装置 （独立完成）3.一种煤矿井下人员定位仪 （独立完成）4.一种便携式瓦斯检测仪 （独立完成）5.一种车载监控仪 （独立完成） 发明专利:1.