CN113988238B - 一种基于动态计算的文物定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于动态计算的文物定位方法，采集带有RFID电子标签的文物目标的接收信号强度RSS数据，获得去噪后的文物目标RSS数据；利用LDPL模型计算文物目标的位置改变量；计算两个相邻时间段中同一个RFID阅读器接收的RSS数据的变化量，求解文物目标发生移动的判断阈值；对判定发生移动的文物目标，产生报警信号，计算文物目标发生移动后的位置坐标。本发明能够在缺乏先验知识的多标签环境下实现文物位置的精确估计，辅助文物管理人员调整文物至期望位置，提高了文物目标定位的计算效率。

Description

一种基于动态计算的文物定位方法
技术领域
本发明属于动态计算领域，涉及目标定位问题，特别是一种现代智能博物馆的文物定位方法，旨在为现代智能博物馆提供一种现代化智能管理的方法。
背景技术
在高度动态的计算环境中，目标定位已经成为一个重要的问题。获得目标的准确位置有利于提高智能设备的运行效率，例如博物馆内展览文物应具有明确的位置。现代智能博物馆的智能管理系统应能够监控和统计游客数量，并且在文物将被破坏或被盗时及时做出处理。因此，需要将文物置于最佳展示位置，并提供有效的管理，以提高文物的稳定性，减少地震等灾害所产生的震动、坠落或倒塌等对文物造成的破坏。传统的文物管理方法主要依靠视频监控来防止文物被盗，其过程需要人工进行管理，智能化程度较低。为此，许多博物馆一直在寻找提高定位精度的高效解决方案。文物定位主要包括基于超声波或无线网等基于非RFID的文物定位方法和基于RFID的文物定位方法两大类。基于非RFID的文物定位方法，其发射或接收信号容易受到游客移动的影响。而RFID能够对文物的位置进行实时定位，提高了文物管理系统的管理效率和安全性。现有基于RFID的文物定位方法通常需要给定先验知识并利用单个阅读器进行定位。Xu等人(Xu HP,Hui L.The museum access andhistorical relic manage system based on RFID technology[C].6th InternationalConference on Pervasive Computing and Applications,2011:22-25.)提出了一种基于RFID的文物定位方法，该方法利用金属柜实时获取并识别电子标签信号，并将其传输至监控系统，以防止文物损坏或被盗。但该方法的定位精度较低，难以确定文物被错误放置时的准确位置。Ayala等人(Ayala I,Amor M,Pinto M,Fuentes L,Gámez N.iMuseumA:anagent-based context-aware intelligent museum system[J].Sensors,2014,14(11):21213-21246.)提出了一种基于上下文感知的智能博物馆系统，该系统能够获取游客信息并识别游客意图，从而帮助游客更好地参观博物馆。但该系统会受到游客参观时所产生的噪音影响，并且无法在管理员和游客之间提供沟通服务。Xin等人(Xin R,WangXM.Research of museum relics manage system based on RFID technology[J].Computer and Digital Engineering,2012,40(3):40-42.)提出了一种基于RFID的智能博物馆系统，其实现了智能导航，并根据游客具体需求提供相应的移动信息服务。但该系统只能提供身份识别，无法对文物的位置进行估计。张小松等人(张小松，马振，曹亮.基于RFID技术的博物馆数字化管理及应用[J].电子技术与软件工程，2021(1)：84-85.)提出了一种基于RFID的博物馆管理及其数字化系统，该系统能够实现文物信息的良好鉴别，以降低文物损坏风险。但是该系统难以检测由于人员疏忽或连续振动而引起的细微位置变化。
根据对数距离路径损耗(Log-distance path loss，LDPL)模型，随着对信号接入点距离的增加，接收信号强度值单调递减，这种特性使得接收信号强度可以作为一个有效的特征值用于对目标进行定位。在基于信号强度的定位方法中，通常使用通路路径损耗模型LDPL来将信号强度转换为距离。传统基于LDPL模型的目标定位的缺点在于，当目标位置发生很细微的变化，阅读器获得的接收信号强度也可能发生很大变化，从而导致直接采用基于LDPL模型所计算的文物目标移动距离难以判定文物目标是否发生移动。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于动态计算的文物定位方法，采用LDPL模型对发生移动的文物位置进行精确估计，并根据文物应放置的期望位置，能够在缺乏先验知识的多标签环境下实现文物位置的精确估计，辅助文物管理人员调整文物至期望位置。本发明通过计算动态阈值来判定文物是否发生移动，提高了文物目标定位的计算效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
S1.利用第j个RFID阅读器接收第i个带有RFID电子标签的文物目标的射频信号，采集带有RFID电子标签的文物目标的接收信号强度RSS数据Rij,0；
S2.对所采集的文物目标RSS数据进行去噪，消除冗余噪点和奇异RSS数据，获得去噪后的文物目标RSS数据Rij，其中，Rij表示去噪后第j个RFID阅读器接收到的第i个文物目标的信号强度；
S3.利用LDPL模型计算文物目标的位置改变量Δdi；
S4.计算两个相邻时间段中同一个RFID阅读器接收的RSS数据的变化量，包括当前时间段窗口内RSS的平均值和下一个时间段窗口内RSS的平均值/>其中，wl表示当前时间段窗口大小，ws表示下一个时间段窗口大小，ri表示第i个时间窗口的RSS；
S5.计算Rs，k与Rl，k的相对差值τ＝|(Rl，k-Rs，k)/Rl，k|；
S6.求解文物目标发生移动的判断阈值δ；
S7.若τ小于阈值δ，则判定文物目标没有移动，返回步骤S1；否则，判定文物目标发生移动，产生报警信号，转至步骤S8；
S8.根据第j个RFID阅读器的位置坐标为得到第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi(xi,yi,zi)为/>其中，
dij＝Δdi+dij,0，dij,0为第i个文物目标和第j个RFID阅读器之间的欧氏距离；
S9.输出每个被移动后的文物目标的位置估计值。
所述的第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度Rij＝Pj-10nilogdij，0+N，其中，Pj为第j个RFID阅读器的发射功率ni为路径损耗指数，N是噪声随机值。
所述的步骤S3根据第i个文物目标的位置改变后第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度Rij′＝Pj-10ilog(dij+Δdi)+N，获得第i个文物目标的位置改变量
所述的步骤S6对接收信号强度的均值和均偏差Rv进行更新，/>Rv←Rv+h×(|Err|-Rv)，其中，g和h是设定的一对增益，取值范围均为(0,1)，/>将阈值δ更新为/>其中，k为设定的步长参数。
所述的g为0.125，h为0.25，Rv初始值设为0。
所述的步长参数k设置为0.02。
本发明的有益效果是：
1)发明利用了LDPL模型中接收信号强度变化随相距距离变化而变化的理论，应用到RSS会随着文物位置改变量而改变，计算出文物移动的距离。然后根据移动后的距离使用多阅读器进行精确定位。
2)本发明通过分析文物目标的位置改变量，对于预设范围内的文物目标位置改变则认为文物位置未改变，而仅对超出预设范围的文物目标位置改变才进行目标位置精确估计，从而大幅度降低计算量，减小系统负荷。
3)本发明利用基于移动平均理论的检测算法比较了两个相邻时间段RSS变化RSS均值，有利于消除RSS的噪声，保证数据的有效性。所提方法能够保证在缺乏先验知识并存在周围环境干扰的条件下实现大量文物目标的位置精确估计，并且能够实现对文物实时监控，以用于现代博物馆中文物保护。
4)本发明提出了一种新的目标发生移动的判断阈值设置方法，该方法为目标是否发生移动的判定提供了确切的方案。
附图说明
图1是本发明的模型计算方法流程图；
图2是本发明的文物位置估计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明根据文物的RFID标签数据，采用LDPL模型计算文物的位置，并对文物进行实时监控。
本发明提出的基于动态计算的文物定位方法利用RFID阅读器(Receive signalstrength indicator，RSSI)对部署在文物中的电子标签进行实时监控，以实现多标签环境下的文物位置估计。
本发明利用RFID阅读器对部署在文物上的电子标签进行实时监控，利用阅读器在缺乏先验知识时进行多标签定位，从而实现多标签环境下文物位置信息的获取。利用LDPL模型对发生移动的文物位置进行精确估计，并根据文物应放置的期望位置，辅助文物管理人员调整文物至期望位置。
本发明所提出的文物定位方法流程如图1所示，其主要步骤包括：
步骤S1：利用第j个(j＝1，2，…，J)RFID阅读器接收第i个(i＝1，2，…，I)带有RFID电子标签的文物目标的射频信号，以采集带有RFID电子标签的文物目标的接收信号强度(Receive signal strength，RSS)数据Rij，0。
步骤S2：采用去噪算法对所采集的文物目标RSS数据进行去噪，以消除冗余噪点和奇异RSS数据，从而获得去噪后的文物目标RSS数据Rij，其中，Rij表示去噪后第j个RFID阅读器接收到的第i个文物目标的信号强度。
步骤S3：利用LDPL模型计算文物目标的位置改变量Δdi。
步骤S31：根据LDPL模型，第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度Rij可表示为：
Rij＝Pi-10nilog dij，0+N (1)
其中，Pj为第j个RFID阅读器的发射功率，dij，0为第i个文物目标和第j个RFID阅读器之间的欧氏距离，ni为路径损耗指数，N是噪声随机值。
步骤S32：利用公式(1)中接收信号强度Rij和距离dij之间的关系，假设第i个文物目标的位置改变量为Δdi，此时第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度为Rij′。
Rij′＝Pj-10ni log(dij+Δdi)+N (2)
步骤S33：根据公式(1)和(2)，能够获得第i个文物目标的位置改变量Δdi为：
步骤S4：利用移动平均理论的检测算法，根据公式(4)和(5)计算两个相邻时间段中同一个RFID阅读器接收的RSS数据的变化量：
其中，wl表示当前时间段窗口大小，ws表示下一个时间段窗口大小，ri表示第i个时间窗口的RSS，Rl，k表示当前时间段窗口内RSS的平均值，Rs，k表示下一个时间段窗口内RSS的平均值。
步骤S5：计算Rs，k与Rl，k的相对差值：
τ＝|(Rl，k-Rs，k)/Rl，k| (6)
步骤S6：为了避免RFID阅读器所接收的文物目标信号强度的不稳定性对文物目标定位精度的影响，需要求解文物目标发生移动的判断阈值δ，用于判断文物目标是否发生移动。δ的计算步骤如下：
步骤S61：对于当前时间段获得的第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度R′ij，根据公式(7)、(8)和(9)对接收信号强度的均值和均偏差Rv进行更新：
Rv←Rv+h×(|Err|-Rv) (9)
其中，g和h是一对增益，其取值范围均为(0,1)，根据经验进行调优。
步骤S62：将阈值δ更新为：
其中，k为步长参数，根据经验进行调优。
步骤S7：根据步骤5所计算的相对差值τ和步骤6所计算的阈值δ，若τ小于阈值δ，则判定文物目标没有移动，转至步骤S1；否则，判定文物目标发生移动，产生报警信号，转至步骤S8。
步骤S8：假设第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi为(xi,yi,zi)T，第j个RFID阅读器的位置坐标为此时，第j个RFID阅读器与第i个文物目标的距离为dij＝Δdi+dij,0。
考虑到dij与(xi,yi,zi)T和满足以下关系：
由公式(11)，可以得出每个阅读器位置与该文物目标位置的关系：
根据公式(12)，可得：
将公式(13)写成矩阵形式，有：
其中，
根据最小二乘法，可得：(xi,yi,zi)T＝(ATA)-1ATb。因此，第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi为(ATA)-1ATb。
步骤S9：输出每个被移动后的文物目标的位置估计值。
本发明的实施例如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1：利用第j个(j＝1，2，…，J)RFID阅读器接收第i个(i＝1，2，…，I)带有RFID电子标签的文物目标的射频信号，以采集带有RFID电子标签的文物目标的接收信号强度(Receive signal strength，RSS)数据Rij，0。
步骤S2：对所采集的文物目标RSS数据进行去噪，以消除冗余噪点和奇异RSS数据，从而获得去噪后的文物目标RSS数据Rij，其中，Rij表示去噪后第j个RFID阅读器接收到的第i个文物目标的信号强度。
步骤S3：利用LDPL模型计算文物目标的位置改变量Δdi。
步骤S31：根据LDPL模型，第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度Rij可表示为：
Rij＝Pi-10ni log dij，0+N (15)
其中，Pj为第j个RFID阅读器的发射功率，dij，0为第i个文物目标和第j个RFID阅读器之间的欧氏距离，ni为路径损耗指数，N是噪声随机值。
步骤S32：利用公式(1)中接收信号强度Rij和距离dij之间的关系，假设第i个文物目标的位置改变量为Δdi，此时第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度为Rij′。
Rij′＝Pi-10ni log(dij+Δdi)+N (16)
步骤S33：根据公式(15)和(16)，能够获得第i个文物目标的位置改变量Δdi为：
步骤S4：利用移动平均理论的检测算法，根据公式(18)和(19)计算两个相邻时间段中同一个RFID阅读器接收的RSS数据的变化量：
其中，wl表示当前时间段窗口大小,这里取值为100，ws表示下一个时间段窗口大小，这里取值为10，ri表示第i个时间窗口的RSS，Rl，k表示当前时间段窗口内RSS的平均值，Rs，k表示下一个时间段窗口内RSS的平均值。
步骤S5：计算Rs，k与Rl，k的相对差值：
τ＝|(Rl，k-Rs，k)/Rl，k| (20)
步骤S6：求解文物目标发生移动的判断阈值δ。δ的计算步骤如下：
步骤S61：对于当前时间段获得的第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度R′ij，根据公式(21)、(22)和(23)对接收信号强度的均值和均偏差Rv进行更新：
Rv←Rv+h×(|Err|-Rv) (23)
其中，g和h是一对增益，其取值范围均为(0,1)，根据经验进行调优，这里设置g为0.125，h为0.25，Rv初始值设为0。
步骤S62：将阈值δ更新为：
其中，k为步长参数，这里设置为0.02。
步骤S7：根据步骤5所计算的相对差值τ和步骤6所计算的阈值δ，若τ小于阈值δ，则判定文物目标没有移动，转至步骤S1；否则，判定文物目标发生移动，产生报警信号，转至步骤S8。
步骤S8：假设第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi为(xi,yi,zi)T，第j个RFID阅读器的位置坐标为此时，第j个RFID阅读器与第i个文物目标的距离为dij＝Δdi+dij,0。
考虑到dij与(xi,yi,zi)T和满足以下关系：
由公式(25)，可以得出：
根据公式(26)，可得：
将公式(27)写成矩阵形式，有：
其中，
根据最小二乘法，可得：(xi,yi,zi)T＝(ATA)-1ATb。因此，第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi为(ATA)-1ATb。
步骤S9：输出每个被移动后的文物目标的位置估计值。

Claims (5)

1.一种基于动态计算的文物定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用第j个RFID阅读器接收第i个带有RFID电子标签的文物目标的射频信号，采集带有RFID电子标签的文物目标的接收信号强度RSS数据Rij,0；
S2.对所采集的文物目标RSS数据进行去噪，消除冗余噪点和奇异RSS数据，获得去噪后的文物目标RSS数据Rij，其中，Rij表示去噪后第j个RFID阅读器接收到的第i个文物目标的信号强度；
S3.利用LDPL模型计算文物目标的位置改变量Δdi；
S4.计算两个相邻时间段中同一个RFID阅读器接收的RSS数据的变化量，包括当前时间段窗口内RSS的平均值和下一个时间段窗口内RSS的平均值其中，wl表示当前时间段窗口大小，ws表示下一个时间段窗口大小，ri表示第i个时间窗口的RSS；
S5.计算Rs，k与Rl，k的相对差值τ＝|(Rl，k-Rs，k)/Rl，k|；
S6.求解文物目标发生移动的判断阈值δ；
所述的步骤S6对接收信号强度的均值和均偏差Rv进行更新，/>Rv←Rv+h×(|Err|-Rv)，其中，g和h是设定的一对增益，取值范围均为(0,1)，/>将阈值δ更新为/>其中，k为设定的步长参数；
S7.若τ小于阈值δ，则判定文物目标没有移动，返回步骤S1；否则，判定文物目标发生移动，产生报警信号，转至步骤S8；
S8.根据第j个RFID阅读器的位置坐标为得到第i个文物目标发生移动后的位置坐标Pi(xi,yi,zi)为(ATA)-1ATb，其中，
dij＝Δdi+dij,0，dij,0为第i个文物目标和第j个RFID阅读器之间的欧氏距离；
S9.输出每个被移动后的文物目标的位置估计值。
2.根据权利要求1所述的基于动态计算的文物定位方法，其特征在于，所述的第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度
Rij＝Pj-10nilog dij，0+N，其中，Pj为第j个RFID阅读器的发射功率ni为路径损耗指数，N是噪声随机值。
3.根据权利要求1所述的基于动态计算的文物定位方法，其特征在于，所述的步骤S3根据第i个文物目标的位置改变后第j个RFID阅读器接收的第i个文物目标的接收信号强度Rij′＝Pj-10nilog(dij+Δdi)+N，获得第i个文物目标的位置改变量
4.根据权利要求1所述的基于动态计算的文物定位方法，其特征在于，所述的g为0.125，h为0.25，Rv初始值设为0。
5.根据权利要求1所述的基于动态计算的文物定位方法，其特征在于，所述的步长参数k设置为0.02。
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