汪金花;郭云飞;吴兵;张博
【摘 要】In order to solve the problem that miner is difficult to escape or be rescued without the electricity or network. GRPM(Geomagnetic and Radio Positioning Method),a underground location method was constructed by combine underground geomagnetism with RFID radio frequency. It analyzed the geomagnetic data in underground tunnel, which have the characteristics of banded continuous and regional abrupt change. The suitability evaluation of typical roadway was carried out with some index such as the geomagnetic mean value,standard deviation and kurtosis coefficient,roughness.Location matching contrast experiment and effect analysis based on equal range matching are carried out in the adaptation zone,which about mean variance correlation(MSD),normalized product correlation(NPROD),and Hausdorff distance correlation(HD). The results proved that the standard deviation,roughness index is suitable for the suitability evaluation of roadway location,the analysis is accurate. The NPROD matching model based on the range of 1 tim
es to 2 times is suitable for the underground dynamic positioning,satisfies the requirement of accurate positioning with faster matching.%为了解决无电、无网络情况下井下人员逃生定位和救援导航的难题,架构了井下地磁与RFID射频结合的井下定位方法GRPM(Geomagnetic and Radio Positioning Method).分析了井下巷道地磁数据带状连续、区域易突变的特点,选取地磁平均值、标准差、峰态系数、粗糙度适配性指标,进行典型巷道区域的适配性评价.在适配区内开展均方差相关(MSD)、归一化积相关(NPROD),以及基于Hausdorff距离相关(HD)的定位匹配对比试验和基于等值域匹配的效果分析.试验结果表明:标准差、粗糙度指标适合巷道定位适配性评价,分析准确.基于1~2倍等值域的NPROD匹配模型适合井下人员动态行走定位,匹配速度较快,满足精确定位要求. LED路灯外壳
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2018(045)002
【总页数】5页(P6-10)
【关键词】井下定位;GRPM;地磁定位;适配性评价指标;适配性分析;匹配算法;等值线匹配
【作 者】多媒体操作系统汪金花;郭云飞;吴兵;张博
【作者单位】华北理工大学,河北 唐山063210;华北理工大学,河北 唐山063210;华北理工大学,河北 唐山063210;华北理工大学,河北 唐山063210
【正文语种】中 文
【中图分类】TD76
井下定位和紧急避险技术是实现井下安全生产和监督管理的关键保障。目前国内外如井下RFID定位技术、ZigBee定位技术及无线网络定位技术已经应用成熟[1-3]，这类监督管理井下定位系统，主要依赖电源网络，一旦井下突发险情或网络中断，遇险和救援人员的定位和避险导航就会受到限制。地磁定位技术源于1960年，一直应用于武器的导航定位、战场电磁信息对抗等军事方面。近几年，民用的地磁定位技术正在起步，国内外一些学者开展了相关的基础研究[4-9]。余秋星利用内置磁力仪进行了某大厦内部定位实验[5]；谢宏伟进行了地磁技术室内定位的实验分析[6]；张文杰开展了基于RFID和地磁场联合的室内定位技术研究[7]；郭鹏杰进行了智能小车地磁定位控制和规划的仿真实验[8]；汪金花等构建了基
于地磁导航定位的井下避险系统[9]。这些基础研究为井下地磁定位应用提供了借鉴和参考。关于地磁匹配定位的成熟的研究主要在水下定位和卫星定位等方面[10-15]，如刘亚云进行了地磁匹配导航算法及地磁场模拟系统研究[11]；胡晓等开展了水下定位中CC与HD算法的稳定性和抗干扰能力实验[12]；贾磊等提出了鲁棒算法与粗精匹配相结合的平均绝对差的匹配算法[13]。然而，关于井下地磁匹配定位的相关报道很少。笔者利用地磁定位自主、无源的优势，从井下自主避险或机器人救援导航的角度，设计了一种地磁与RFID 射频结合的井下定位方法GRPM，并根据井下巷道地磁场特点，进行了区域巷道的地磁定位适配性分析和匹配算法对比试验，为井下地磁定位技术的基础研究应用提供参考。
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1 GRPM的工作原理
GRPM井下定位技术是井下应急避险与智能导航的基础技术，主要利用射频识别与地磁匹配来完成井下定位。当井下发生突发状况时，在无电或网络中断情况下，可以利用GRPM完成人员定位和路线导航，其工作原理如图1所示。
图1 GRPM井下定位技术工作原理示意图
井下人员P001随身携带定位装置，定位装置中装有射频读写卡、电子指南针等传感器。P001行走在巷道中，定位装置辐射场可激活P001周边的射频卡，获取巷道关键拐点位置近似坐标；同时地磁传感器可以连续接收井下地磁场数据，自动生成行走路线地磁实时向量。通过射频信息和地磁数据的综合处理，可以获得P001在井下行走的实时空间位置，直接显示在定位装置的显示屏上。当井下通讯网络正常时，GRPM定位装置与井下通讯进行实时信息传输，将井下人员位置信息和运动轨迹发送给监控中心。在发生突发状况或灾害，井下通讯网络发生供电中止或信号中断(不稳定)情况时，P001可以利用定位装置实现自主单独定位。还可以通过定位装置的信息平台了解所处环境和避险设施，分析逃生的最优路径。
GRPM井下定位技术包含井下地磁基准图的构建、载体的地磁探测、地磁定位匹配等技术。其中井下地磁匹配的适配性分析、匹配算法优化是实现地磁定位的关键。为提高匹配效率，需要在实测地磁图上分析各个区域地磁特征的适配性，通过计算均值、方差、熵等地磁分布数字特征，选择出地磁定位匹配适配区，提高地磁导航计算的时效性和精准性。井下的地磁匹配定位属于线匹配模式，在地磁适配区域内，根据井下人员行走测量的地磁序列，按照优化匹配算法完成地磁基准图点位搜索、平移和匹配的计算工作，得出井下人
员的实际位置。GRPM井下定位方法的优化包括井下地磁分布特征的适配性评价与地磁匹配算法优化等。
2 井下地磁图适配性分析
2.1 井下地磁图的特征
井下地磁场同样有“月变”“日变”的周期波动，但对应空间点的地磁基础数据是一个相对固定的基数。巷道内实际测量的磁场数据是各类磁场源的叠加，包括正常地磁场、环境磁场和载体干扰场等。地磁场强计算公式如下：
Bi=g(xi,yi,t)+ei+mi
(1)
式中：Bi为磁力仪测得磁场强度；g(xi，yi，t)为点(xi，yi) 处t时刻的正常磁场；ei为环境磁场影响测量值；mi为磁力仪载体干扰场。
井下磁力仪载体干扰场mi主要来自于地磁测量人员，由于人员在巷道内行走速度较慢，平
均在5 m/s以下，对地磁测量影响极小，可忽略不计。ei为环境磁场影响，井下地磁干扰场有很多，如巷道支护金属材料和通风设备等，安装在狭长巷道内不同区域，会直接影响巷道地磁测量结果。井下巷道内的地磁干扰场ei数值大小不一，且较复杂，实际测量结果所占比例不稳定，对地磁数值B扰动十分明显，所以巷道地磁图不是简单带状地磁等值图。
如图2所示，受到环境磁场不同程度的影响，巷道内地磁数据有连续与断层的现象。有些区域地磁值稳定，只在几百至几千纳特范围波动；有些区域受外界因素干扰太大易发生突变，两点相距几米，地磁测量值却增加到几万纳特，数据出现断崖式的变化。在附属设施较少的普通巷道中，区域内磁总场会呈现出连续性的变化趋势，磁总场曲面通常是连续的、平滑的(见图2(a))；当巷道内有发电设备、通风设备和运输装置时，这些含铁元素设备所产生的干扰场会明显拉动整个局部地磁异常值，表现为地磁总场突变，出现断层现象(见图2(b))。针对巷道内地磁数据变化各异的现象，需要进行区域地磁变化分析，量化分析区域地磁定位的适配性程度。
(a)巷道地磁连续变化双电源控制器
(b)巷道地磁断层现象图2 巷道局部地磁变化图
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2.2 井下地磁图适配性指标
在定位匹配区域中，地磁图不同空间坐标点的地磁值会出现相近或相同现象，空间坐标与地磁值不完全是一一对应的关系。地磁图适配性是地磁定位匹配的适应性，即地磁场特征在相关匹配中表征地理空间位置的能力。最终匹配定位是依据适配性指标大小，来确定该区域定位方法：地磁单独定位或射频与地磁结合定位。光触媒滤网
从公开发表的文献可知，描述地磁图特征的适配性指标有地磁场平均值、标准差、粗糙度、地磁熵、峰态系数和累加梯度均值等多达10几种。笔者根据井下地磁场分布特征，选取地磁平均值、地磁标准差、峰态系数、地磁粗糙度4种特征指标，用于量化评价区域地磁特征的丰富程度。井下地磁图适配性评价指标及其含义如表1所示。
