CN105954714A - 一种隧道人员定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道人员定位系统及方法，包括若干电子标签和若干参考节点，若干参考节点对应收发信息的电子标签，每个参考节点通过对应的网关连接远程通讯网络，远程通讯网络连接中心服务器，中心服务器连接远程监控电脑终端和显示屏，将传统的现场管理模式推广到远程管理模式，隧道外的管理人员可以通过远程监控电脑终端对作业人员进行考勤和追踪定位，当出现危险的时候，管理人员可以通过远程监控电脑终端向隧道内的作业人员下达报警信息，从而使施工人员可以迅速离开危险区域。

Description

一种隧道人员定位系统及方法

技术领域

本发明隧道人员安全领域，具体涉及一种隧道人员定位系统及方法。

背景技术

随着全面深入改革不断取得新的成效，中国的经济进入了稳定的发展时期，各种交通建设迅速发展，公路与铁路建设的主战场逐渐扩展到地质条件较为复杂的山区，相应的桥隧建筑也在增加，从而对山区道路建设提出了更严的标准。目前，隧道工程普遍存在工作面广、施工时间长、地质情况变化莫测等特点，这些特点不但增加了施工的难度，也会出现一些突发事故，从而导致工程延期，不能按时完成施工，更严重的是有些突发事故可能会引起人员伤亡，造成巨大的损失。传统的隧道施工管理技术暴露出很多问题，不能保证隧道施工的安全高效，一旦发生施工事故，如果缺乏对作业人员位置和遇险人员的撤退路线的掌握，救灾抢险工作就很难实施，作业人员的生命安全也无法得到保障，这给国家和社会带来了巨大的损失。

综上所述，由于隧道自身的结构特点和隧道建设项目没有系统的安全生产管理体系，从而导致隧道事故不断发生。当事故发生后，隧道外的管理人员不能及时与隧道里的工作人员即时通信，不能及时掌握隧道里工作人员的分布及作业情况，难以进行人员的精准定位，从而不能保证事后救援效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种隧道人员定位系统及方法，能提高工作人员的管理水平，实时了解工作人员的位置和动态，特别是在紧急情况下能够进行快速营救，对其进行精确定位有着十分重要的意义。

为了达到上述目的，一种隧道人员定位系统，包括若干电子标签和若干参考节点，若干参考节点对应收发信息的电子标签，每个参考节点通过对应的网关连接远程通讯网络，远程通讯网络连接中心服务器，中心服务器连接远程监控电脑终端和显示屏；

所述网关采用ZigBee节点，ZigBee节点包括与通用接口连接的数据采集模块和其他模块，通用接口连接微处理模块，微处理模块连接无线通信模块，通用接口、微处理模块和无线通信模块连接电源模块。

所述数据采集模块包括传感器和数模转换模块，其他模块包括按键模块和LED模块。

所述微处理模块包括微控制器和存储器，无线通信模块包括用于接收电子标签信息的天线和用于发送信息的ZigBee射频模块。

所述网关通过有线通信与远程通信网络连接，远程通信网络包括以太网、GPRS、CDMA中的至少一种。

所述中心服务器通过GPRS-DTU模块与显示屏连接，GPRS-DTU模块均通过RS232与中心服务器和显示屏连接。

一种隧道人员定位方法，包括以下步骤：

步骤一，采用基于RSSI的隧道人员定位算法，节点距离d可由无线信道的式1得出，

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10nlg\left(\frac{d}{d_0}\right)+\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中，P(d)指离发射端间距为d时接收端获得的RSSI值；P(d₀)指离发射端间距为d₀时接收端获得的RSSI值；n表示路径损耗指数，它的取值范围为2～5，通常需要在现场测得；ξ指传播损耗随距离增大的速率；

在工程建设中，我们经常把式1简化为式2：

RSSI＝A-10nlgd (2)

其中，A表示信号收发端间距为1m时接收端获得的RSSI值，n与式1中的n相同；

步骤二，网关把RSSI值传输至计算机，然后由计算出定位节点的坐标，由式2可得，参考节点和定位节点的间距为：

$d={10}^{\frac{A-RSSI}{10n}}---\left(3\right)$

步骤三，因变量y与自变量x₁,x₂,L,x_m满足以下回归模型：

$\left\{\begin{array}{c}y=a_0+a_1{x}_1+a_2{x}_2+L+a_m{x}_m+\mathrm{\ξ}\\ E\mathrm{\ξ}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

对因变量y和自变量x₁,x₂,L,x_m之间的关系进行测试，从而得到s组数据：

(x_i1,x_i2,L,x_im；y_i)；i＝1,2,L,s

步骤四，根据s组测试数据可推测出线性回归系数，由多元线性回归模型式4及s组测试数据可得到下式：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=a_0+a_1{x}_{11}+a_2{x}_{12}+L+a_m{x}_{1m}+{\mathrm{\ξ}}_1\\ y_2=a_0+a_1{x}_{21}+a_2{x}_{22}+L+a_m{x}_{2m}+{\mathrm{\ξ}}_2\\ LL\\ y_s=a_0+a_1{x}_{s1}+a_2{x}_{s2}+L+a_m{x}_{sm}+{\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

在式5中，ξ₁,ξ₂,L,ξ_s为随机变量，是各个表达式的残差，这n次测试的残差平方和可表示为：

$R(a_0,a_1,L,a_m)=\underset{i}{\overset{s}{\Σ}}{(y_i-a_0-a_1{x}_{i1}-L-a_m{x}_{im})}^2---\left(6\right)$

在式6中，R(a₀,a₁,L,a_m)可以度量这s组测试数据与回归函数之间的拟合程度；

步骤五，求R(a₀,a₁,L,a_m)的最小值则有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_0}=0\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_1}=0\\ LL\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_m}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

为简化式7，可定义以下矩阵：

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ M\\ y_s\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{cccc}1& x_{11}& L& x_{1m}\\ 1& x_{21}& L& x_{2m}\\ M& M& & M\\ 1& x_{s1}& L& x_{sm}\end{array}\right],\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ M\\ a_m\end{array}\right],e=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\\ M\\ {\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right]$

则5式可简化为：

Y＝Xβ+e (8)

式6可简化为：

R(β)＝(Y-Xβ)′(Y-Xβ)＝Y′Y-2Y′Xβ+β′X′Xβ (9)

在式9中，R(β)对β求导：

$\frac{\∂R\left(\mathrm{\β}\right)}{\∂\mathrm{\β}}=0---\left(10\right)$

由式9及式10可得：

X′Xβ＝X′Y (11)

当X′X可逆时，由式11可得：

β＝(X′X)^-1X′Y (12)

式12中的β为回归系数，令m＝1，则可以得到：

$\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\‾}{y}\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-\stackrel{\‾}{x}\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ \frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\end{array}\right]---\left(13\right)$

令y_i＝RSSI_i,x_i＝logd_i,i＝1,2,…,s，将计算得到的x_i值及实测的RSSI_i值带入式13，即可得回归系数β；

步骤六，将得到的A和n代入式2和式3中，即可求得定位节点与参考节点的距离，然后通过上位机软件的算法即可求出该定位节点在隧道中的位置。

与现有技术相比，本发明的系统将传统的现场管理模式推广到远程管理模式，隧道外的管理人员可以通过远程监控电脑终端对作业人员进行考勤和追踪定位，当出现危险的时候，管理人员可以通过远程监控电脑终端向隧道内的作业人员下达报警信息，从而使施工人员可以迅速离开危险区域，本系统能够使隧道外的管理人员可以根据LED显示屏和电脑终端看到的实际情况下达合理的命令，从而减少了管理人员去施工现场的次数，真正地实现了隧道内作业人员的远程管理，本发明除了用于隧道、矿井等人员定位系统外，还对车路协同和车车通信的研究、隧道智能交通的发展、以及物联网技术在交通领域的推广也有一定的促进作用，本发明实现了隧道内作业人员的标准化管理和精细化管理，有利于隧道内作业人员信息的集成化、企业的管控一体化，具有非常高的工程实用价值。

本发明的方法可以随时对隧道内的作业人员进行定位追踪，能够及时、准确地将隧道内各个区域人员情况动态反映到洞外的远程监控电脑终端，使管理人员能够随时掌握隧道内人员的总数及分布情况，以便进行更加合理的调度管理。

附图说明

图1为本发明的系统拓扑图；

图2为本发明ZigBee节点结构框图；

图3为本发明隧道人员定位系统设备节点组网示意图；

图4为本发明RSSI实测值与线性回归值对比曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，一种隧道人员定位系统包括若干电子标签和若干参考节点，若干参考节点对应收发信息的电子标签，每个参考节点通过对应的网关连接远程通讯网络，远程通讯网络连接中心服务器，中心服务器连接远程监控电脑终端和显示屏，电子标签作为定位节点；

所述网关采用ZigBee节点，ZigBee节点包括与通用接口连接的数据采集模块和其他模块，通用接口连接微处理模块，微处理模块连接无线通信模块，通用接口、微处理模块和无线通信模块连接电源模块，数据采集模块包括传感器和数模转换模块，其他模块包括按键模块和LED模块，微处理模块包括微控制器和存储器，无线通信模块包括用于接收电子标签信息的天线和用于发送信息的ZigBee射频模块，中心服务器通过GPRS-DTU模块与显示屏连接，GPRS-DTU模块均通过RS232与中心服务器和显示屏连接。

优选的，网关通过有线通信与远程通信网络连接，远程通信网络包括以太网、GPRS、CDMA中的至少一种。

一种隧道人员定位方法包括以下步骤：

步骤一，采用基于RSSI的隧道人员定位算法，节点距离d可由无线信道的式1得出，

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10nlg\left(\frac{d}{d_0}\right)+\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中，P(d)指离发射端间距为d时接收端获得的RSSI值；P(d₀)指离发射端间距为d₀时接收端获得的RSSI值；n表示路径损耗指数，它的取值范围为2～5，通常需要在现场测得；ξ指传播损耗随距离增大的速率；

在工程建设中，我们经常把式1简化为式2：

RSSI＝A-10nlgd (2)

其中，A表示信号收发端间距为1m时接收端获得的RSSI值，n与式1中的n相同；

步骤二，网关把RSSI值传输至计算机，然后由计算出定位节点的坐标，由式2可得，参考节点和定位节点的间距为：

$d={10}^{\frac{A-RSSI}{10n}}---\left(3\right)$

步骤三，因变量y与自变量x₁,x₂,L,x_m满足以下回归模型：

$\left\{\begin{array}{c}y=a_0+a_1{x}_1+a_2{x}_2+L+a_m{x}_m+\mathrm{\ξ}\\ E\mathrm{\ξ}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

对因变量y和自变量x₁,x₂,L,x_m之间的关系进行测试，从而得到s组数据：

(x_i1,x_i2,L,x_im；y_i)；i＝1,2,L,s

步骤四，根据s组测试数据可推测出线性回归系数，由多元线性回归模型式4及s组测试数据可得到下式：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=a_0+a_1{x}_{11}+a_2{x}_{12}+L+a_m{x}_{1m}+{\mathrm{\ξ}}_1\\ y_2=a_0+a_1{x}_{21}+a_2{x}_{22}+L+a_m{x}_{2m}+{\mathrm{\ξ}}_2\\ LL\\ y_s=a_0+a_1{x}_{s1}+a_2{x}_{s2}+L+a_m{x}_{sm}+{\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

在式5中，ξ₁,ξ₂,L,ξ_s为随机变量，是各个表达式的残差，这n次测试的残差平方和可表示为：

$R(a_0,a_1,L,a_m)=\underset{i}{\overset{s}{\Σ}}{(y_i-a_0-a_1{x}_{i1}-L-a_m{x}_{im})}^2---\left(6\right)$

在式6中，R(a₀,a₁,L,a_m)可以度量这s组测试数据与回归函数之间的拟合程度；

步骤五，求R(a₀,a₁,L,a_m)的最小值则有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_0}=0\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_1}=0\\ LL\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_m}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

为简化式7，可定义以下矩阵：

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ M\\ y_s\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{cccc}1& x_{11}& L& x_{1m}\\ 1& x_{21}& L& x_{2m}\\ M& M& & M\\ 1& x_{s1}& L& x_{sm}\end{array}\right],\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ M\\ a_m\end{array}\right],e=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\\ M\\ {\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right]$

则5式可简化为：

Y＝Xβ+e (8)

式6可简化为：

R(β)＝(Y-Xβ)′(Y-Xβ)＝Y′Y-2Y′Xβ+β′X′Xβ (9)

在式9中，R(β)对β求导：

$\frac{\∂R\left(\mathrm{\β}\right)}{\∂\mathrm{\β}}=0---\left(10\right)$

由式9及式10可得：

X′Xβ＝X′Y (11)

当X′X可逆时，由式11可得：

β＝(X′X)^-1X′Y (12)

式12中的β为回归系数，令m＝1，则可以得到：

$\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\‾}{y}\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-\stackrel{\‾}{x}\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ \frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\end{array}\right]---\left(13\right)$

令y_i＝RSSI_i,x_i＝logd_i,i＝1,2,…,s，将计算得到的x_i值及实测的RSSI_i值带入式13，即可得回归系数β；

步骤六，将得到的A和n代入式2和式3中，即可求得定位节点与参考节点的距离，然后通过上位机软件的算法即可求出该定位节点在隧道中的位置。

参考图3，隧道全长1800m，分为上行线与下行线。根据隧道双向同时施工的特点，将整条隧道分为四个900m区域，本发明的系统的参考节点为线性分布，在每个区域内，每隔20m安置一个参考节点，每隔100m安置一个协调器节点，电子标签随机分布在具有ZigBee网络的隧道内。

本发明的工作原理及工作过程是：隧道内的作业人员佩戴电子标签在隧道内施工，电子标签可以收发信息，参考节点将电子标签发射的信息接收后传递给网关(协调器节点)，网关(协调器节点)通过有线通信方式将作业人员的信息传输给远程通信网络模块(以太网、GPRS、CDMA等)，远程通信网络模块(以太网、GPRS、CDMA等)通过数据通信接口将作业人员的信息传输到中心服务器，远程监控电脑终端与中心服务器连接，这样在远程监控电脑终端可以查看工作人员的位置和动态，中心服务器通过GPRS-DTU模块连接LED显示屏，从而使工作人员的位置和动态显示在LED显示屏上。

隧道外的管理人员通过远程监控电脑终端可以远程了解到隧道内作业人员的工作状况和位置，减少了去隧道现场检查工作的情况，管理人员可以根据远程了解的情况进行合理的调度，避免了人力资源浪费的情况，当管理人员通过远程监控电脑终端发现隧道内有危险时，可以使用远程监控电脑终端向作业人员发送报警信息，从而使他们避开危险区域，当事故发生后，管理人员可以根据电脑终端显示的作业人员的位置积极开展针对性的救援，从而提高了救援效率。

基于ZigBee的隧道人员安全定位系统可以使管理人员在任意时刻可动态掌握隧道内作业人员的工作状况和位置等信息，并可为后期的统计分析提供数据依据。

Claims (6)

1.一种隧道人员定位系统，其特征在于，包括若干电子标签和若干参考节点，若干参考节点对应一个收发信息的电子标签，每个参考节点通过对应的网关连接远程通讯网络，远程通讯网络连接中心服务器，中心服务器连接远程监控电脑终端和显示屏；

所述网关采用ZigBee节点，ZigBee节点包括与通用接口连接的数据采集模块和其他模块，通用接口连接微处理模块，微处理模块连接无线通信模块，通用接口、微处理模块和无线通信模块连接电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种隧道人员定位系统，其特征在于，所述数据采集模块包括传感器和数模转换模块，其他模块包括按键模块和LED模块。

3.根据权利要求1所述的一种隧道人员定位系统，其特征在于，所述微处理模块包括微控制器和存储器，无线通信模块包括用于接收电子标签信息的天线和用于发送信息的ZigBee射频模块。

4.根据权利要求1所述的一种隧道人员定位系统，其特征在于，所述网关通过有线通信与远程通信网络连接，远程通信网络包括以太网、GPRS、CDMA中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种隧道人员定位系统，其特征在于，所述中心服务器通过GPRS-DTU模块与显示屏连接，GPRS-DTU模块均通过RS232与中心服务器和显示屏连接。

6.一种隧道人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采用基于RSSI的隧道人员定位算法，节点距离d可由无线信道的式1得出，

$P\left(d\right)=P\left(d_0\right)-10n\lg \left(\frac{d}{d_0}\right)+\mathrm{\ξ}---\left(1\right)$

其中，P(d)指离发射端间距为d时接收端获得的RSSI值；P(d₀)指离发射端间距为d₀时接收端获得的RSSI值；n表示路径损耗指数，它的取值范围为2～5，通常需要在现场测得；ξ指传播损耗随距离增大的速率；

在工程建设中，我们经常把式1简化为式2：

RSSI＝A-10nlgd (2)

其中，A表示信号收发端间距为1m时接收端获得的RSSI值，n与式1中的n相同；

步骤二，网关把RSSI值传输至计算机，然后由计算出定位节点的坐标，由式2可得，参考节点和定位节点的间距为：

$d={10}^{\frac{A-RSSI}{10n}}---\left(3\right)$

步骤三，因变量y与自变量x₁,x₂,L,x_m满足以下回归模型：

$\left\{\begin{array}{c}y=a_0+a_1{x}_1+a_2{x}_2+L+a_m{x}_m+\mathrm{\ξ}\\ E\mathrm{\ξ}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

对因变量y和自变量x₁,x₂,L,x_m之间的关系进行测试，从而得到s组数据：

(x_i1,x_i2,L,x_im；y_i)；i＝1,2,L,s

步骤四，根据s组测试数据可推测出线性回归系数，由多元线性回归模型式4及s组测试数据可得到下式：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1=a_0+a_1{x}_{11}+a_2{x}_{12}+L+a_m{x}_{1m}+{\mathrm{\ξ}}_1\\ y_2=a_0+a_1{x}_{21}+a_2{x}_{22}+L+a_m{x}_{2m}+{\mathrm{\ξ}}_2\\ LL\\ y_s=a_0+a_1{x}_{s1}+a_2{x}_{s2}+L+a_m{x}_{sm}+{\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

在式5中，ξ₁,ξ₂,L,ξ_s为随机变量，是各个表达式的残差，这n次测试的残差平方和可表示为：

$R(a_0,a_1,L,a_m)=\underset{i}{\overset{s}{\Σ}}{(y_i-a_0-a_1{x}_{i1}-L-a_m{x}_{im})}^2---\left(6\right)$

在式6中，R(a₀,a₁,L,a_m)可以度量这s组测试数据与回归函数之间的拟合程度；

步骤五，求R(a₀,a₁,L,a_m)的最小值则有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_0}=0\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_1}=0\\ LL\\ \frac{\∂R(a_0,a_1,L,a_m)}{\∂a_m}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

为简化式7，可定义以下矩阵：

$Y=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ M\\ y_s\end{array}\right],x=\left[\begin{array}{cccc}1& x_{11}& L& x_{1m}\\ 1& x_{21}& L& x_{2m}\\ M& M& & M\\ 1& x_{s1}& L& x_{sm}\end{array}\right],\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ M\\ a_m\end{array}\right],e=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ}}_1\\ {\mathrm{\ξ}}_2\\ M\\ {\mathrm{\ξ}}_s\end{array}\right]$

则5式可简化为：

Y＝Xβ+e (8)

式6可简化为：

R(β)＝(Y-Xβ)′(Y-Xβ)＝Y′Y-2Y′Xβ+β′X′Xβ (9)

在式9中，R(β)对β求导：

$\frac{\∂R\left(\mathrm{\β}\right)}{\∂\mathrm{\β}}=0---\left(10\right)$

由式9及式10可得：

X′Xβ＝X′Y (11)

当X′X可逆时，由式11可得：

β＝(X′X)^-1X′Y (12)

式12中的β为回归系数，令m＝1，则可以得到：

$\mathrm{\β}=\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\‾}{y}\left({\mathrm{\Σx}}_i^2\right)-\stackrel{\‾}{x}\left({\mathrm{\Σx}}_i{y}_i\right)}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\\ \frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\end{array}\right]---\left(13\right)$

令y_i＝RSSI_i,x_i＝logd_i,i＝1,2,…,s，将计算得到的x_i值及实测的RSSI_i值带入式13，即可得回归系数β；

步骤六，将得到的A和n代入式2和式3中，即可求得定位节点与参考节点的距离，然后通过上位机软件的算法即可求出该定位节点在隧道中的位置。