CN107817467A - 一种矿井定位方法与系统 - Google Patents

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CN107817467A CN201710886296.5A CN201710886296A CN107817467A CN 107817467 A CN107817467 A CN 107817467A CN 201710886296 A CN201710886296 A CN 201710886296A CN 107817467 A CN107817467 A CN 107817467A
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谢青松
王彬
王艺浓
金靖云
桂存
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Abstract

本申请公开了一种矿井定位方法与系统，其中定位方法包括：在矿工所在位置处，检测位于矿工附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度；将定位信号及其对应的定位信号强度传送至定位服务端，使定位服务端根据定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。

Description

一种矿井定位方法与系统
技术领域
本申请涉及矿井设施技术领域，尤其涉及一种矿井定位方法与系统。
背景技术
由于矿井内存在电磁屏蔽问题，因此，地面的定位设备确定矿井内矿工的位置时，无法直接通过矿工的手持通讯设备对其进行定位。为了提高矿井内矿工的安全性，需要在矿井内配置特定的定位设备。
目前，用于矿井内的定位设备包括RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)门禁系统。RFID门禁系统确定矿工位置的过程包括：矿井内的RFID读卡分站探测、读取矿工标识卡内的矿工信息，并将读取的矿工信息发送至地面上的监控服务器；监控服务器根据RFID读卡分站发送的矿工信息确定矿工的位置。
在实际定位过程中，沿矿井巷道的方向，每隔100米-200米安装一个RFID读卡分站。当矿工在矿井内运动时，其佩戴的矿工标识卡将被沿途布设的RFID读卡分站读到，并回传给监控服务器。但是，现今的RFID读卡分站的读取效范围较小，一般为10m，因此，当矿工运动至远离RFID读卡分站区域时，RFID读卡分站将无法读取矿工标识卡内的矿工信息，从而导致RFID门禁系统对矿工的监控过程是间断、非实时的。当矿工位于RFID读卡分站附近时，RFID读卡分站可读取到矿工信息，从而实现对矿工的准确定位。但是，当矿工位于两个RFID读卡分站之间的位置时，RFID读卡分站将无法读取到矿工信息，从而无法实现对矿工的精确定位。
发明内容
本申请提供了一种矿井定位方法与系统，以解决现有技术中无法实现对矿井内的矿工进行精确定位的问题。
第一方面，本申请提供了一种矿井定位方法，所述方法包括：
在矿工所在位置处，检测位于矿工附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的所述ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度；
将所述定位信号及其对应的定位信号强度传送至定位服务端，使所述定位服务端根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
优选地，预设指纹识别数据库的步骤包括，
在每个巷区内选取数个采样点；
在每个所述采样点处，检测位于该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度；
利用在每个所述采样点检测的采样信号、采样信号强度以及该采样点的地理位置，建立指纹识别数据库。
优选地，所述定位服务端根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置，具体包括，
所述定位服务端根据定位信号，确定矿工所在的巷区；
将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点；
在指纹识别数据库中，获取所述预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置；
计算所述定位信号强度与所述采样信号强度的方差；
选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
优选地，将所述定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端，具体包括，
采用wifi辅助传输设备，将在矿工所在位置处检测的所述定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端。
第二方面，本申请还提供了一种矿井定位系统，所述系统包括安置在矿井内的数个ibeacon、安置在矿工身上的信号检测矿工端、定位信号传输装置以及位于地面上的定位服务端，其中，
所述信号检测矿工端用于检测矿工所在附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的所述ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度；
所述定位信号传输装置用于所述矿工信号检测端检测的定位信号及定位信号强度传送至定位服务端；
所述定位服务端用于根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
优选地，所述系统还包括信号检测采样点端、采样信号传输装置以及数据库预设模块，其中，
所述信号检测采样点端用于在采样点处检测该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度；
采样信号传输装置用于将所述采样信号与采样信号强度发送至所述数据库预设模块；
所述数据库预设模块用于根据所有采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置，建立指纹识别数据库。
优选地，所述定位服务端具体包括，巷区确定模块、预备采样点获取模块、采样点信号获取模块、方差计算模块及矿工定位模块，其中，
所述巷区确定模块用于根据检测的所述定位信号，确定定矿工所在的巷区以及相邻巷区；
所述预备采样点获取模块用于将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点；
采样点信号获取模块用于在指纹识别数据库中，获取所述预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置；
所述方差计算模块用于计算所述信号检测矿工端检测的定位信号强度与所述采样点信号获取模块获取的采样信号强度的方差；
所述矿工定位模块用于选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
优选地，所述定位信号传输装置具体包括wifi传输设备。
由以上技术方案可见，本申请实施例提供的一种矿井定位方法与系统，用于对矿井内的矿工进行精确定位，从而提供矿井安全。其中该申请的矿井定位方法包括：在矿井内设置数个ibeacon，并在每对相邻ibeacon之间的区域内设置数个采样点；获取每个采样点的采样点信号及其强度，并利用所有采样点的采样点信号强度及其地理位置，建立指纹识别数据库；当矿工携带具有蓝牙功能的设备进行矿井内时，该设备将检测位于矿工的定位信号与定位信号强度，并将定位信号及其对应的定位信号强度传送至定位服务端；定位服务端将定位信号、定位信号强度与指纹识别数据库内的采样点信号、采样点信号强度进行比对，选择差距最小的采样点的地理位置作为矿工的位置。本申请中，相邻采样点的间距在1-3m范围内，因此检测的矿工的定位误差可保持1.25m以下，实现了对矿工的精确定位。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种巷区的结构示意图；
图2为另一种巷区的结构示意图；
图3为本申请矿井定位方法的流程图；
图4为本申请预设指纹识别数据库的流程图；
图5为本申请定位服务端计算矿工位置的流程图；
图6为本申请矿井定位系统的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本申请中，为了便于对矿井内的位置进行快速定位，将矿井巷道沿着巷道延伸的方向划分为数个巷区，对数个巷区进行编码，其中，Ni表示为第i个巷区。每个巷区的大小根据巷道的宽度进行设定，例如，矿井巷道的宽度范围为5-10m时，巷区设定为类正方形，即巷区的宽度与长度保持一致；矿井巷道的宽度范围为1-5m时，巷区设定为类长方形，巷区的宽度为矿井巷道宽度，巷区的长度为矿井巷道宽度的2-4倍。
每个巷区设置数个ibeacon。ibeacon指的是使用BLE(Bluethooth，蓝牙低能耗)技术的装置，其工作方式是配备有BLE通信功能的设备使用BLE技术向周围发送自身特有的ID信号，接收设备(待测装置)接到该ID信号将采取预设的动作。在实际的应用中，可根据接收的ID信号的强度推算ibeacon信号源与接收设备的距离，具体包括：首先，获取ibeacon与接收设备之间相距1m时的参考接收信号强，记为参考强度；然后，接收设备利用接收的ID信号的强度与参考强度的比值，估算ibeacon信号源与接收设备的距离。
巷道内的每个ibeacon实时向环境中发送ID信号，ibeacon的ID信号记载了其所在巷区的编码以及其在巷区内的具体位置。ibeacon发送的ID信号随传播距离的增加而发生衰减，即在靠近ibeacon的区域内，检测的ID信号的强度较大；在远离ibeacon的区域内，接受的ID信号的强度较小，甚至检测不到ID信号。因此，可根据信号强度，判断矿工与ibeacon的距离。
数个ibeacon均匀分布在巷区内。每个ibeacon具有一个表征其身份的编码，例如Ai-j表示为第i个巷区内的第j个ibeacon。在实际使用过程中，相邻ibeacon的间距不易大多或过小，目前获得的较为适宜的间距范围为10-15m。当然，巷区内ibeacon的数量与安置位置应当根据矿井的实际宽度进行设置，若矿井巷道的宽度范围为5-10m，将矿井巷道划分成多个呈类正方形的巷区，每个巷区内均匀的设置5个ibeacon，其中，四个ibeacon位于该巷区的四个边角处，剩余的一个位于该巷区的几何中心点处，即位于四个ibeacon的中心位置。图1为一种巷区的结构示意图，如图1所示，在巷区Ni内，包括Ai-1、Ai-2、Ai-3、A(i+1)-1、A(i+1)-2 5个ibeacon，其中，Ai-1、Ai-2位于巷区Ni-1与Ni的分界线上，因此，Ai-1、Ai-2被巷区N(i-1)与Ni共用；A(i+1)-1、A(i+1)-2位于巷区Ni与Ni+1的分界线上，因此，A(i+1)-1、A(i+1)-2被巷区Ni与Ni+1共用。例如，在巷区N3内，包括A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2 5个ibeacon，其中，A3-1、A3-2位于巷区N2与N3的分界线上，因此，A3-1、A3-2被巷区N2与N3共用；A4-1、A4-2位于巷区N3与N4的分界线上，因此，A4-1、A4-2被巷区N3与N4共用。
若矿井巷道的宽度范围为1-5m，划分的每个巷区呈类长方形，在巷区内设置3-5个ibeacon，且所有ibeacon沿矿井巷道的中心线方向均匀的排布。图2为另一种巷区的结构示意图，如图2所示，在巷区Ni内，包括Ai-1与A(i+1)-1两个ibeacon，其中，Ai-1位于巷区Ni-1与Ni的分界线上，因此，Ai-1被巷区Ni-1与Ni共用；A(i+1)-1位于巷区Ni与Ni+1的分界线上，因此，A(i+1)-1被巷区Ni与Ni+1共用。
在矿井内将数个ibeacon安装完成后，便可对矿工进行矿下定位。图3为本申请矿井定位方法的流程图，如图3所示，该定位方法包括：
步骤100：在矿工所在位置处，检测位于矿工附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度。为便于下文的描述，将手机蓝牙上检测的所述ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度。
矿工携带具有蓝牙功能的设备进入矿井内，例如携带具有蓝牙功能的手机，则手机上的蓝牙模块将检测矿工附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及ID信号的强度。
步骤200：蓝牙模块将检测的所有ID信号及其对应的强度均发送至位于地面的定位服务端。
目前，将定位信号及定位信号强度从蓝牙模块传送至定位服务端的传输设备有多种，本申请中，采用wifi辅助传输设备，将在矿工所在位置处检测的所述定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端。
步骤300：定位服务端根据检测的所述ID信号及其强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
在此，对指纹识别数据库的预设过程进行详细说明。图4为本申请预设指纹识别数据库的流程图，如图4所示，该预设过程包括：
步骤001，在每个巷区内选取数个采样点；
步骤002，在每个采样点处，检测该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度；
步骤003：利用在每个所述采样点检测的采样信号、采样信号强度以及该采样点的地理位置，建立指纹识别数据库。
其中，在实际选取采样点时，应确保选取采样点可均匀分布在巷区内，且相邻采样点的间距不宜过大或过小，其间距应保持在1-3m范围内。为了便于对每个采样点进行辨识，本申请中，对选取的数个采样点进行编码，例如，Bi-k表示为第i个巷区内的第k个采样点。对于每个采样点，对应记录其所在的地理位置，即其在矿井内的具体位置。
在每个采样点处，检测该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度，其中，采样点附近区域包括采样点所在巷区以及相邻巷区内。以下将通过图1所示的巷道为例，说明检测采样信号与采样信号强度的过程。
例如，在巷区B3内，包括A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2 5个ieacoB以及B3-1、B3-2、B3-3、B3-44个采样点；在巷区B4内，包括A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-25个ieacoB以及B4-1、B4-2、B4-3、B4-4 4个采样点。在采样点B3-1处检测的采样信号为A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个iecoA的ID信号，且其对应的采样信号强度分别为20、10、30、10、5、2、0.2、0.1。在采样点B3-2处检测的采样信号为A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个ieacoB的ID信号，其对应的采样信号强度分别为10、20、30、5、10、2、1、0.2、0.1。在采样点B4-1处也检测的采样信号为A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个iecoA的ID信号，但其对应的采样信号强度分别为10、20、30、5、10、2、1、0.2。
利用上述方法，获取矿井巷道内的所有采样点对应的采样信号与采样信号强度，再结合采样点的对应编码以及地理位置等信号，可构建成指纹识别数据库。将指纹识别数据库存储至矿工携带具有蓝牙功能的设备内(例如手机)，可也将其存至位于地面的定位服务端(例如计算机)，本申请中，将指纹识别数据库存在位于定位服务端。
利用指纹识别数据库包含的采样点的信息数据，将其与矿工携带的蓝牙模块检测的定位信号、定位信号强度进行比较，查找采样信号、采样信号强度与定位性号、定位信号强度最接近的采样点，将该采样点的地理位置定为矿工的位置。图5为本申请定位服务端计算矿工位置的流程图，如图5所示，该过程包括：
步骤201：定位服务端根据定位信号，确定矿工所在的巷区；
步骤202：将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点；
步骤203：在指纹识别数据库中，获取预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置；
步骤204：计算定位信号强度与采样信号强度的方差；
步骤205：选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
以下将通过图1所示的巷区为例，说明利用指纹识别数据库，确定矿工位置的过程。若定位信号包括A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个ibeacon的ID信号，其对应的定位信号强度为15，15，25，8，8，1，0.1，0.1，则确定矿工位于巷区N3或巷区N4。将巷区N3与巷区N4内的采样点B3-1、B3-2、B3-3、B3-4、B4-1、B4-2、B4-3、B4-4设为预备采样点。在指纹识别数据库中，获取每个采样点B3-1、B3-2、B3-3、B3-4、B4-1、B4-2、B4-3、B4-4对应的采样信号强度及地理位置。例如采样点B3-1对应的采样信号为A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个ibecoA的ID信号，其对应的采样信号强度分别为20、10、30、10、5、2、0.2、0.1；采样点B4-1对应的采样信号为A3-1、A3-2、A3-3、A4-1、A4-2、A4-3、A5-1、A5-28个ibecoA的ID信号，但其对应的采样信号强度分别为10、20、30、5、10、2、1、0.2。将定位信号强度依次与每个采样点的采样信号强度进行方差计算，例如，定位信号强度与采样点B3-1的采样信号强度的方差计算为：
定位信号与采样点B4-1的方差计算为：
采用上述方法，计算定位信号强度与其他预备采样点的采样信号强度的方差。选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。以采样点B3-1与采样点B4-1为例，选取采样点B3-1的地理位置为矿工定位位置。
当然，若预备采样点的数量较多，则造成计算过程较慢，则对矿工的定位存在延时问题，特别是矿工在矿井内运动时，将无法及时追踪矿工的位置。为此，本实施例中，将采样点分为定巷采样点与定位采样点，利用定巷采样点确定矿工的所在的巷区，利用定位采样点确定矿工在巷区内的具体位置。以如图1所示的巷道为例，巷区N3包括定巷采样点B3-1、B3-2、B3-3、B3-4以及定位采样点C3-1、C3-2、C3-3、C3-4。定位过程具体包括，计算定位信号强度与定巷采样点的采样信号强度的方差，选择最小方差对应的定巷采样点所在的巷区为矿工所在巷区；计算定位信号强度与定位采样点的采样信号强度的方差，选择最小方差对应的定位采样点的地理位置为矿工所在位置。
在实际定位过程中，若相邻的采样点间距过大，则不能实现对矿工的精确定位，当然，根据测不准原理可知，相邻的采样点距离也不可过小。本申请中，将相邻采样点的间距保持在1-3m范围内。在此范围内，可实现对矿工的精确定位。例如，相邻采样点的距离为2.5m时，则对矿工定位的最大误差为1.25m。
为配合上述的定位方法，本申请还提供一种矿井定位系统。图6为本申请矿井定位系统的一个实施例的结构示意图，如图6所示，该矿井定位系统包括安置在矿井内的数个ibeacon、安置在矿工身上的信号检测矿工端、定位信号传输装置以及位于地面上的定位服务端。
其中，信号检测矿工端检测矿工所在附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，本申请中，将检测的ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度。定位信号传输装置将矿工信号检测端检测的ID信号及其强度传送至定位服务端。目前，可实现信号传输的装置有多种，本申请中，采用wifi传输设备将定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端。定位服务端根据定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
为了建立指纹识别数据库，本申请的矿井定位系统还包括定位信号采样点端、采样信号传输装置以及数据库预设器。其中，数据库预设模块设置在定位服务端内。
定位信号采样点端用于在采样点处检测该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号及其强度，本申请中，将其检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度。采样信号传输装置将采样信号与采样信号强度发送至数据库预设模块。数据库预设模块将根据所有采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置，建立指纹识别数据库。
本申请中，定位服务端还包括巷区确定模块、预备采样点获取模块、采样点信号获取模块、方差计算模块及矿工定位模块。其中，巷区确定模块根据检测的定位信号，确定定矿工所在的巷区以及相邻巷区。预备采样点获取模块将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点。采样点信号获取模块在指纹识别数据库中，获取预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置。方差计算模块计算信号检测矿工端检测的定位信号强度与采样点信号获取模块获取的采样信号强度的方差。矿工定位模块用于选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
当然，本申请的矿井定位方法或设备的使用场景不限于矿井内的人员定位，还可用于隧道等场景内的人员定位。

Claims (8)

1.一种矿井定位方法，其特征在于，所述方法包括：
在矿工所在位置处，检测位于矿工附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的所述ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度；
将所述定位信号及其对应的定位信号强度传送至定位服务端，使所述定位服务端根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预设指纹识别数据库的步骤包括，
在每个巷区内选取数个采样点；
在每个所述采样点处，检测位于该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度；
利用在每个所述采样点检测的采样信号、采样信号强度以及该采样点的地理位置，建立指纹识别数据库。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述定位服务端根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置，具体包括，
所述定位服务端根据定位信号，确定矿工所在的巷区；
将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点；
在指纹识别数据库中，获取所述预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置；
计算所述定位信号强度与所述采样信号强度的方差；
选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端，具体包括，
采用wifi辅助传输设备，将在矿工所在位置处检测的所述定位信号及定位信号强度传送至地面的定位服务端。
5.一种矿井定位系统，其特征在于，所述系统包括安置在矿井内的数个ibeacon、安置在矿工身上的信号检测矿工端、定位信号传输装置以及位于地面上的定位服务端，其中，
所述信号检测矿工端用于检测矿工所在附近区域内的ibeacon发送的ID信号以及其强度，将检测的所述ID信号及其强度分别命为定位信号与定位信号强度；
所述定位信号传输装置用于所述矿工信号检测端检测的定位信号及定位信号强度传送至定位服务端；
所述定位服务端用于根据所述定位信号、定位信号强度与预设的指纹识别数据库，确定矿工的位置。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号检测采样点端、采样信号传输装置以及数据库预设模块，其中，
所述信号检测采样点端用于在采样点处检测该采样点附近区域内的ibeacon发送的ID信号及其强度，将检测的ID信号及其强度分别命为采样信号与采样信号强度；
采样信号传输装置用于将所述采样信号与采样信号强度发送至所述数据库预设模块；
所述数据库预设模块用于根据所有采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置，建立指纹识别数据库。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定位服务端具体包括，巷区确定模块、预备采样点获取模块、采样点信号获取模块、方差计算模块及矿工定位模块，其中，
所述巷区确定模块用于根据检测的所述定位信号，确定定矿工所在的巷区以及相邻巷区；
所述预备采样点获取模块用于将矿工所在巷区及相邻巷区内的采样点设为预备采样点；
采样点信号获取模块用于在指纹识别数据库中，获取所述预备采样点对应的采样信号、采样信号强度及地理位置；
所述方差计算模块用于计算所述信号检测矿工端检测的定位信号强度与所述采样点信号获取模块获取的采样信号强度的方差；
所述矿工定位模块用于选取最小方差对应的采样点的地理位置作为矿工定位位置。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述定位信号传输装置具体包括wifi传输设备。
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