CN104796983B - 一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统，所述系统包括站控层服务器，站控层数据通信网关，无线AP，无线基准点，手持移动终端和移动定位预警节点。本发明采用空间定位法与采样测速法以及平均值算法从空间角度精确定位站内工作人员的位置，定位精度更高，更安全可靠；本发明将手持移动终端融入了移动定位无线网络，有利于监测人员观测手持移动终端持有者的工作轨迹及所在位置，也方便于工作人员对变电站内检测设备的巡检记录；本发明所涉无线AP与无线基准节点低功耗，体积小，与变电站原有设备融入性高；本发明所涉及装置具有低成本、安装简易、维护周期长的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动定位方法及其系统，具体讲涉及一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统。
背景技术
随着电网技术的不断发展，智能变电站尤其是无人值守智能变电站在国内的建设与改造越来越多。但是国内的绝大多数智能变电站都没有针对工作人员安全作业边界监控和报警系统，站内人员工作期间，尤其是带电作业期间的实时监控方面存在不足。个别学者及企业公司也曾提出基于无线的变电站内定位系统，但是往往将定位系统定位的范畴限定在平面范围内，即建立在平面坐标系(x，y)下的坐标定位。然而变电站内由于检修维护及在线调试的需要，很多工作需要在变电站运行状态下工作人员攀登在一定高度完成，例如避雷器监测装置的维护，如果工作人员工作期间一时大意忽略了自己的位置以及与带电设备的安全距离，很容易造成人员伤亡事故。国内在空间范围对变电站工作人员的精确定位还缺乏一定的方法。
伴随着无线通信技术的逐渐完善，手持移动终端的出现大大方便了变电站内工作人员进行站内一次设备、自动化仪表以及在线监测装置的状态信息与数据信息的读取和监听，也方便了站内监测装置的参数配置与在线调试，但是目前智能变电站内出现的手持移动终端只是孤立的作为调试装置，没有融入变电站内的无线网络，也不方便应用于站内人员巡检时装置巡检完成记录。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统，该系统包括站控层服务器，站控层数据通信网关，多个无线基准点，手持移动终端，多个无线AP(集中接入点)及安装于变电站内安全帽上的移动定位预警节点。系统的无线基准点均匀分布在变电站厂区地面建筑物以及门型钢结构顶端，手持移动终端为手持设备，用于工作人员站内巡检与检修时站内智能无线装置的参数配置、数据查询与监听、现场调试与巡检登记，也可以用于无线基准点的参数配置，校准以及无线AP的无线访问。本系统采用空间四点定位法、采样测速法，加权平均值法建立数学模型精确定位站内工作人员以及持手持设备的巡检人员的空间坐标，从空间角度监测工作人员的位置，结合手持设备的功能实现变电站内巡检定位网络化，保证工作人员不仅远离地面危险区域，而且远离空间危险区域。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其改进之处在于，所述方法包括
(1)广播安装的基准节点；
(2)广播安装的无线AP；
(3)用区域内RSSI最大的无线AP组成局域簇，建立无线AP邻居列表并上传；
(4)输入初始安装时的节点坐标建立站内空间模型；
(5)周期性广播无线AP，将定时唤醒的基准节点与无线AP信息交互与时间校准；
(6)判断移动节点的进入；
(7)无线AP发送唤醒的广播，基准节点进入工作模型；
(8)交互信息并将计算的时间同步误差和RSSI值上传至站控层服务器；
(9)根据RSSI值构建的空间数学模型选取三组最优模型；
(10)控制所述三组模型内的基准节点间互通信计算模型内无线电波的传播速度；
(11)控制三组模型内的基准节点分别同移动节点信息交互计算移动节点间的和各基准节点间的距离；
(12)根据计算数据定位移动节点坐标判断危险区域；
(13)危险报警。
优选的，所述步骤(1)中的基准节点的安装包括在场站内的绝缘杆体、建筑物以及门型钢结构上均匀安装无线基准点，距离地面1.5m处安装地面层无线基准点，门结构顶端横担处安装高空层无线基准点。
优选的，所述步骤(2)中无线AP的安装包括安装在控制柜或绝缘杆上均匀分布在场站内的无线AP，每三个间隔区域配置一个无线AP，采用控制柜电源或太阳能供电。
优选的，所述步骤(3)包括移动定位基准点安装后与区域内RSSI最大的无线AP组成区域簇，变电站内无线AP与通信网关组成Mesh或Star网络，移动定位基准点加入区域簇后与区域无线AP信息交互，无线AP记录区域簇内子节点地址并建立邻居列表，将簇内子节点地址上传至站控层服务器，站控层服务器根据初始安装时节点坐标输入建立站内空间模型。
优选的，所述步骤(5)无线基准点每30分钟进行无线AP RSSI最大认证，当检测到通信范围内当前所在簇AP的RSSI非最大值后，分别与当前簇AP和检测到的RSSI最大值AP互通信，脱离当前簇加入新簇，原簇内AP删除该无线基准点地址信息并将AP更换信息发送至站控层服务器；无线基准点采用休眠唤醒工作方式，每30秒钟与无线AP进行心跳信号交互，每10分钟与无线AP进行时间同步校准，无线AP每5秒钟向区域簇内发送广播信号。
优选的，所述步骤(6)包括探测是否有移动节点进入，无线AP每10分钟与通信网关进行时间同步校准。
优选的，所述步骤(7)包括移动定位与预警节点或手持移动终端每2秒钟发出一次心跳信号，无线AP监测到移动定位与预警节点进入区域后唤醒区域内无线基准节点停止休眠唤醒模式进入工作模式进行移动节点定位。
优选的，所述步骤(8)包括移动节点进入移动定位区域后无线基准节点与移动节点进行信息交互计算时间同步误差，并将无线基准节点与移动节点的RSSI信息与时间同步误差信息通过AP上传至站控层服务器。
优选的，所述步骤(9)包括站控层服务器根据各节点初始坐标及其反馈的RSSI值选取一个高空层无线基准点与三个地面层无线基准点构建空间四面体模型，使移动节点位于空间四面体内部并选取高空无线基准点在地面投影与地面层三点构成的三角形中心点距离最近的三组空间四面体作为定位模型。
优选的，所述步骤(10)包括站控层服务器控制选取空间四面体的四个基准节点之间进行信号交互并结合初始坐标计算当前空气介质下空间四面体内基准点之间的无线信号传播速度并取均值，得出每个四面体内无线信号传播速度。
优选的，所述步骤(11)包括站控层服务器根据移动节点与四个基准节点的信息传送时间以及节点之间时间同步误差，结合计算的四面体内空间无线电波速度计算移动节点到四面体的四个基准节点的距离值并分别在三个四面体数学模型下计算出三组移动节点坐标并进行加权均值处理求得移动节点坐标。
优选的，所述步骤(12)包括站控层服务器通过定位模型计算出站内手持移动终端或移动定位预警节点靠近禁止区域或与带电高压线路及一次设备距离接近危险击穿距离时通过区域内无线AP向移动定位预警节点发出预警信号，无线AP与移动预警节点同时发出蜂鸣报警，当手持移动终端或移动预警节点离开危险区域或与带电高压线路及一次设备距离大于危险距离后报警信号停止。
本发明基于另一目的提供的一种基于无线的变电站内在线移动定位系统，其改进之处在于，所述系统包括站控层服务器，站控层数据通信网关，无线AP，无线基准点，手持移动终端和移动定位预警节点。
优选的，所述手持移动终端集成无线用户收发模块，可进行站内无线AP与移动定位基准点的参数配置、在线调试以及数据读取；可集成站内无线监测装置的网络信息进行监测装置的参数配置，在线调试，数据查询；可进行站内一次设备、自动化保护设备、自动化仪表与在线监测设备的RFID巡检扫描，站内工作人员持手持设备进行巡检时不仅可通过站内站控层服务器观测其活动轨迹，而且通过远端访问站控层服务器观测其活动轨迹。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用空间定位法与采样测速法以及平均值算法从空间角度精确定位站内工作人员的位置，定位精度更高，更安全可靠；
2、本发明将手持移动终端融入了移动定位无线网络，有利于监测人员观测手持移动终端持有者的工作轨迹及所在位置，也方便于工作人员对变电站内检测设备的巡检记录；
3、本发明所涉无线AP与无线基准节点低功耗，体积小，与变电站原有设备融入性高；
4、本发明所涉及装置具有低成本、安装简易、维护周期长的特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于无线的变电站内在线移动定位系统结构图。
图2为本发明提供的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于无线的变电站内在线移动定位方法及其系统，具体为一种精度高，安装灵活方便，适用于变电站内工作人员巡检以及带电作业环境下的精确的人员定位方法及其系统。
本发明一种基于无线的变电站内在线移动定位系统包括站控层服务器，站控层数据通信网关，多个无线AP(集中接入点)，多个无线基准点，手持移动终端及多个安装于变电站内安全帽上的移动定位预警节点。系统采用空间四点定位法、采样测速法与加权平均值法建立数学模型精确定位站内工作人员以及持手持移动终端的巡检人员的空间坐标，从空间角度监测工作人员的位置。
本发明一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，具体流程如下：
1、站控层服务器与数据通信网关安装在控制室屏柜内，无线基准点均匀布设在场站内的绝缘杆体、建筑物以及门型钢结构上，地面层无线基准点安装距离地面1.5m处，高空层基准点安装在门结构顶端横担处，采用高能锂电池供电。
2、无线AP均匀分布在场站内，安装在控制柜或绝缘杆上，每三个间隔区域配置一个无线AP，采用控制柜电源或太阳能供电，安全帽上的移动定位与预警节点采用高能锂电池供电。手持移动终端集成无线用户收发模块，可进行站内无线AP与移动定位基准点的参数配置、在线调试以及数据读取；可集成站内无线监测装置的网络信息进行监测装置的参数配置，在线调试，数据查询；可进行站内一次设备、自动化保护设备、自动化仪表与在线监测设备的RFID巡检扫描，站内工作人员持手持设备进行巡检时不仅可以通过站内站控层服务器观测其活动轨迹，而且通过远端访问站控层服务器观测其活动轨迹。
3、移动定位基准点安装后与区域内RSSI最大的无线AP组成区域簇，变电站内无线AP与通信网关组成Mesh或Star网络。
4、移动定位基准点采用低功耗设计，加入区域簇后与区域无线AP信息交互，无线AP记录区域簇内子节点地址并建立邻居列表，将簇内子节点地址上传至站控层服务器，站控层服务器根据初始安装时节点坐标输入建立站内空间模型。
5、无线基准点每30分钟进行无线AP RSSI最大认证，当检测到通信范围内当前所在簇AP的RSSI非最大值后，分别与当前簇AP和检测到的RSSI最大值AP互通信，脱离当前簇加入新簇，原簇内AP删除该无线基准点地址信息并将AP更换信息发送至站控层服务器；无线基准点采用休眠唤醒工作方式，每30秒钟与无线AP进行心跳信号交互，每10分钟与无线AP进行时间同步校准，无线AP每5秒钟向区域簇内发送广播信号，探测是否有移动节点进入，无线AP每10分钟与通信网关进行时间同步校准。
6、站内维护人员及持手持巡检人员进入厂区后，移动定位与预警节点或手持移动终端每2秒钟发出一次心跳信号，无线AP监测到移动定位与预警节点进入区域后唤醒区域内无线基准节点停止休眠唤醒模式进入工作模式进行移动节点定位。
7、空间四点定位法为移动节点进入移动定位区域后无线基准节点与移动节点进行信息交互计算时间同步误差，并将无线基准节点与移动节点的RSSI信息与时间同步误差信息通过AP上传至站控层服务器。
8、站控层服务器根据各节点初始坐标及其反馈的RSSI值选取一个高空层无线基准点与三个地面层无线基准点构建空间四面体模型，使移动节点位于空间四面体内部并选取高空无线基准点在地面投影与地面层三点构成的三角形中心点距离最近的三组空间四面体作为定位模型。
9、站控层服务器控制选取空间四面体的四个基准节点之间进行信号交互并结合初始坐标计算当前空气介质下空间四面体内基准点之间的无线信号传播速度并取均值，得出每个四面体内无线信号传播速度。
10、站控层服务器根据移动节点与四个基准节点的信息传送时间以及节点之间时间同步误差，结合计算的四面体内空间无线电波速度计算移动节点到四面体的四个基准节点的距离值并分别在三个四面体数学模型下计算出三组移动节点坐标并进行加权均值处理求得最后移动节点坐标x0,y0,z0，计算公式如下：
四点空间定位法的计算公式：
解方程组(1)得出xa,ya,za：
解方程组(2)得出xb,yb,zb：
解方程组(3)得出xc,yc,zc:
11、根据空间四面体的体积进行加权平均算法，权值根据三个空间四面体的高层基准点在地面投影与本模型地面层三个基准点组成的三角形中心点距离反比选取分别为m％,n％,k％，其中距离最小的权值最大，依次类推，且m％+n％+k％＝1，根据方程式(4)计算得出移动节点坐标x0,y0,z0：
12、所述站控层服务器通过定位模型计算出站内手持移动终端或移动定位预警节点靠近禁止区域或与带电高压线路及一次设备距离接近危险击穿距离时通过区域内无线AP向移动定位预警节点发出预警信号，无线AP与移动预警节点同时发出蜂鸣报警，当手持移动终端或移动预警节点离开危险区域或与带电高压线路及一次设备距离大于危险距离后报警信号停止。
实施例
如图1所示，本发明公开的一种基于无线的变电站内在线移动定位系统及其方法用于智能变电站内工作人员精确定位及危险区域预警，其系统结构包括站控层服务器，站控层数据通信网关，多个无线AP(集中接入点)，多个无线基准点，手持移动终端及多个安装于变电站内安全帽上的移动定位预警节点。
站控层服务器与数据通信网关安装在控制室屏柜内，无线天线引出控制室固定在控制室外屋顶。无线基准点均匀布设在场站内的绝缘杆体、建筑物以及门型钢结构上，地面层无线基准点安装距离地面1.5m处，高空层基准点安装在门结构顶端横担处，采用高能锂电池供电。无线AP均匀分布在场站内，安装在控制柜或绝缘杆上，每三个间隔区域配置一个无线AP，采用控制柜电源或太阳能供电，安全帽上的移动定位与预警节点采用高能锂电池供电。
如图2所示，本发明公开的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法为移动定位基准点与无线AP安装后向周围发送广播信号，移动定位基准点与区域内RSSI最大的无线AP组成区域簇，无线AP与通信网关组成Mesh或Star网络。移动定位基准点加入区域簇后与区域无线AP信息交互，无线AP记录簇内子节点地址并建立邻居列表，将簇内子节点地址上传至站控层服务器，站控层服务器根据初始安装时记录的节点坐标建立站内空间模型。
无线基准点采用休眠唤醒工作方式，每30秒钟与无线AP进行心跳信号交互，每10分钟与无线AP进行时间同步校准，无线AP每5秒钟向区域簇内发送广播信号，探测是否有移动节点进入，无线AP每10分钟与通信网关进行时间同步校准。
站内维护人员及持手持巡检人员进入厂区后，移动定位与预警节点或手持移动终端每2秒钟发出一次心跳信号，无线AP监测到移动定位与预警节点或手持移动终端进入区域则唤醒区域内无线基准节点停止休眠唤醒模式进入工作模式进行移动节点定位。
移动节点进入移动定位区域后无线基准节点与移动节点进行信息交互计算时间同步误差，并将无线基准节点与移动节点的RSSI信息与时间同步误差信息通过AP上传至站控层服务器，站控层服务器根据各节点初始坐标及其反馈的RSSI值选取一个高空层无线基准点与三个地面层无线基准点构建空间四面体模型，使移动节点位于空间四面体内部并选取高空无线基准点在地面投影与地面层三个基准点构成的三角形中心点距离最近的三组空间四面体作为定位计算模型。
站控层服务器控制空间模型的四个基准节点之间进行信号交互并结合初始坐标计算当前空气介质下空间四面体内基准点之间的无线信号传播速度并取均值，得出每个四面体内无线信号传播速度。
站控层服务器根据移动节点与四个基准节点的信息传送时间以及时间同步误差，计算的四面体内空间无线电波速度分别在三个四面体数学模型下计算出移动节点与基准节点的空间距离，进一步计算三组数据模型下移动节点坐标并进行加权均值处理求得最后移动节点坐标x0,y0,z0。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述方法包括
(1)广播安装的基准节点；
(2)广播安装的无线AP；
(3)用区域内RSSI最大的无线AP组成区域簇，建立无线AP邻居列表并上传；
(4)输入初始安装时的节点坐标建立站内空间模型；
(5)周期性广播无线AP，将定时唤醒的基准节点与无线AP信息交互与时间校准，无线基准点每30分钟进行无线AP RSSI最大认证，当检测到通信范围内当前所在簇AP的RSSI非最大值后，分别与当前簇AP和检测到的RSSI最大值AP互通信，脱离当前簇加入新簇，原簇内AP删除该无线基准点地址信息并将AP更换信息发送至站控层服务器；无线基准点采用休眠唤醒工作方式，每30秒钟与无线AP进行心跳信号交互，每10分钟与无线AP进行时间同步校准，无线AP每5秒钟向区域簇内发送广播信号；
(6)判断移动节点的进入；
(7)无线AP发送唤醒的广播，基准节点进入工作模型；
(8)交互信息并将计算的时间同步误差和RSSI值上传至站控层服务器；
(9)根据RSSI值构建的空间数学模型选取三组最优模型；
(10)控制所述三组模型内的基准节点间互通信计算模型内无线电波的传播速度；
(11)控制三组模型内的基准节点分别同移动节点信息交互计算移动节点间的和各基准节点间的距离；
(12)根据计算数据定位移动节点坐标判断危险区域；
(13)危险报警。
2.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基准节点的安装包括在场站内的绝缘杆体、建筑物以及门型钢结构上均匀安装无线基准点，距离地面1.5m处安装地面层无线基准点，门结构顶端横担处安装高空层无线基准点。
3.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中无线AP的安装包括安装在控制柜或绝缘杆上均匀分布在场站内的无线AP，每三个间隔区域配置一个无线AP，采用控制柜电源或太阳能供电。
4.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括移动定位基准点安装后与区域内RSSI最大的无线AP组成区域簇，变电站内无线AP与通信网关组成Mesh或Star网络，移动定位基准点加入区域簇后与区域无线AP信息交互，无线AP记录区域簇内子节点地址并建立邻居列表，将簇内子节点地址上传至站控层服务器，站控层服务器根据初始安装时节点坐标输入建立站内空间模型。
5.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(6)包括探测是否有移动节点进入，无线AP每10分钟与通信网关进行时间同步校准。
6.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(7)包括移动定位与预警节点或手持移动终端每2秒钟发出一次心跳信号，无线AP监测到移动定位与预警节点进入区域后唤醒区域内无线基准节点停止休眠唤醒模式进入工作模式进行移动节点定位。
7.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(8)包括移动节点进入移动定位区域后无线基准节点与移动节点进行信息交互计算时间同步误差，并将无线基准节点与移动节点的RSSI信息与时间同步误差信息通过AP上传至站控层服务器。
8.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(9)包括站控层服务器根据各节点初始坐标及其反馈的RSSI值选取一个高空层无线基准点与三个地面层无线基准点构建空间四面体模型，使移动节点位于空间四面体内部并选取高空无线基准点在地面投影与地面层三点构成的三角形中心点距离最近的三组空间四面体作为定位模型。
9.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(10)包括站控层服务器控制选取空间四面体的四个基准节点之间进行信号交互并结合初始坐标计算当前空气介质下空间四面体内基准点之间的无线信号传播速度并取均值，得出每个四面体内无线信号传播速度。
10.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(11)包括站控层服务器根据移动节点与四个基准节点的信息传送时间以及节点之间时间同步误差，结合计算的四面体内空间无线电波速度计算移动节点到四面体的四个基准节点的距离值并分别在三个四面体数学模型下计算出三组移动节点坐标并进行加权均值处理求得移动节点坐标。
11.如权利要求1所述的一种基于无线的变电站内在线移动定位方法，其特征在于，所述步骤(12)包括站控层服务器通过定位模型计算出站内手持移动终端或移动定位预警节点靠近禁止区域或与带电高压线路及一次设备距离接近危险击穿距离时通过区域内无线AP向移动定位预警节点发出预警信号，无线AP与移动预警节点同时发出蜂鸣报警，当手持移动终端或移动预警节点离开危险区域或与带电高压线路及一次设备距离大于危险距离后报警信号停止。
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