孟 磊，丁恩杰，冯启言，李 庭

（1.中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心，江苏徐州 221008；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116）

基于Wi-Fi与WebGIS的井下移动目标定位与历史轨迹提取

孟 磊1，丁恩杰1，冯启言2，李 庭2

（1.中国矿业大学物联网（感知矿山）研究中心，江苏徐州 221008；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州 221116）

目前，国内井下人员定位系统中，多为人员考勤记录系统［1］，该系统采用被动式RFID和读卡器结合的方式，属于区域定位；定位表达方式采用文字表述或相对坐标展示其位置，而非地理空间坐标，降低了定位信息的实用价值。Wi-Fi技术已成功应用于井下应急通信、远程监控、巷道离层与变形监测等方面［2－4］。本文基于Wi-Fi技术对煤矿井下人员和机车目标连续定位，提出实时定位坐标与地理空间坐标影射方法，针对海量实时定位数据设计了一种高效的历史轨迹提取算法；采用WebGIS和Web Service技术，以徐州某煤矿为例，实现了上述算法的应用。

1 Wi-Fi定位坐标与地理坐标影射

Wi-Fi定位通过获取到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、接收信号强度指示（RSSI）等，采用信号传播的理论模型（式1），并结合实际测量参数，计算未知节点（要定位的目标）到信标节点（已知坐标的参考节点）之间的距离；然后采用三边测量算法［5］计算移动目标的相对坐标（xr，yr），从而实现定位。

式中：d为读卡器到标签距离；P（d）为读卡器接收的相距d处标签发射的信号强度（RSSI）；P（d0）为读卡器接收的相距1m处标签发射的信号强度（RSSI）；n为实测参数。

由于相对坐标系统与矿井实际坐标系统不一致，需要将二者统一在同一个参照系下，矿井实际坐标系统为地理空间坐标系，如西安80和北京54坐标系，将定位坐标影射到地理空间坐标系下，对于灾后人员搜救、井上调度等具有实用价值。本文采用井下无线接入节点（Wireless Access Point，无线AP）作为控制点，即信标节点，事先测定其地理坐标，建立坐标影射关系数据库，定位时获取目标相对位置坐标及对应的无线AP编号，由式（2）进行坐标影射。

式中：（x＇i，y＇i）为定位目标地理参照系下的坐标，（xi，yi）为按编号查找影射关系数据库所得无线AP的地理坐标，（Δx＇i，Δy＇i）为定位目标与无线AP间的相对坐标。

2 海量实时定位数据历史轨迹提取

Wi-Fi定位系统每5s产生1对坐标值，按每人每天工作6～8h计算，则对应4 000～6 000对以上的坐标记录，而对于24h工作的机车目标，则对应17 280对坐标记录，直接由这些坐标点生成轨迹，一方面会造成路线混乱，另一方面将耗费大量时间和系统资源。通过数据分析发现，这些海量实时定位数据中包括大量位置相近的伪重叠点。为此，本文提出一种基于GIS路径分析的海量实时定位数据历史轨迹提取算法。

首先筛选原始历史记录，根据查询的时间尺度移除相应空间粒度下的伪重叠点。按时间顺序计算当前点与前一时刻点之间的笛卡尔距离d，当d大于设定阈值dm，归入筛选结果数据集，并替换当前点进行下个点的筛选。起始和结束时刻的坐标点直接归入筛选结果集，距离阈值设定如下：

式中：Δt为查询时间尺度（h），考虑日常使用及系统负荷，设置查询最大时间尺度为48h；dm为距离阈值（m）。

大时间尺度下提取历史轨迹，筛选结果集可能漏掉巷道拐点，直接连线生成轨迹（直接轨迹）会造成部分线段处于巷道外（图1）。由于巷道很窄，可不考虑巷道内偏离中线的运动，由此将历史轨迹概化为巷道中线，而筛选结果集是落在巷道中线上或附近的点集，因此提取历史轨迹就转变为由巷道网络模型计算按时间顺序经过这些点的最短路径（间接轨迹）。图1说明以间接轨迹作为历史轨迹更合乎实际需要。

图1 直接与间接轨迹比较

3 系统实现

3.1 井下Wi-Fi定位网络

以徐州某煤矿为例，选择该矿井下人员、机车主要工作区域，共安装58个无线AP，包括－600水平大巷、－600绞车房、－600及－800猴车道上下滑板、－1 010车场及石门，7 426掘进面运输巷，2 447采煤面皮带机巷。对井下人员和井下机车配备定位卡，进入井下Wi-Fi网络覆盖区域内即可实时定位，获取的定位数据通过网络传输至井上应用子系统。

3.2 实时定位

底层定位数据传输至井上服务器，由独立的数据接收程序完成坐标影射，再由Sockets通信机制将影射数据推送至WebGIS，该系统采用Web Service架构，以ArcGIS Server为地图服务平台，由独立的Web Service接收Sockets数据包，前台采用ASP.NET和异步交互式网页开发技术Ajax，实现地图上移动目标位置的动态更新（图2）。

图2 实时定位

3.3 历史轨迹提取

在Web模式下实现海量实时定位数据提取历史轨迹，客户端负责向服务器端发送查询条件（时间段、目标名称）和接收服务器返回的路径结果，在前台地图中动态绘制轨迹线，服务器端针对客户端查询条件，筛选历史记录，分析最短路径，并在路径中提取点发送至客户端。运算流程见图3。

图3 海量实时定位数据历史轨迹提取算法流程

为实现上述算法，采用ArcGIS Server将巷道网络及其路径分析图层发布为网络分析服务，将NAServer-RouteParams.Stops设为筛选结果，调用NAServerPoxy.Solve方法生成路径，提取路径中的点发送至前台，由ArcGIS Server ADF Javascript绘制轨迹（图4）。

图4 历史轨迹绘制效果

4 结论

将Wi-Fi定位传感器网络中的无线AP作为控制点，建立实时定位坐标与地理坐标之间的影射关系，实现了在地理空间参照系下井下目标的动态连续定位，提升了Wi-Fi定位数据的实用价值。针对Wi-Fi海量实时定位数据设计的基于路径分析的历史轨迹提取算法，显著减少了参与计算的数据量，提升了系统效率，更清晰地表达了目标运动轨迹。该算法还需要进一步改进，包括在历史记录筛选过程中，如何针对不同查询时间尺度合理确定筛选距离阈值，即参与提取轨迹的坐标点集空间粒度的优选问题。同时，由于井下巷道系统错综复杂，二维投影坐标系下存在巷道交叠区域，基于GIS三维巷道模型的目标定位也是下一步研究的重点。

［1］ 谢晓佳，程丽君，王勇.基于Zigbee网络平台的井下人员跟踪定位系统［J］.煤炭学报，2007，32（8）：884－888.

［2］ 蒋峰，张凌涛，贺超英.Wi-Fi技术在矿井远程监控系统中的应用［J］.煤矿安全，2010（3）：62－65.

［3］ 李培煊，强蕊.基于Wi-Fi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究［J］.中国安全生产科学技术，2011，7（4）：139－143.

［4］ 丁恩杰，刘学瑞，黄艳秋，等.基于Wi-Fi的巷道离层和变形监测节点的设计［J］.煤炭科学技术，2011，39（1）：75－79.

［5］ 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社，2006.

2011－12－01；

2012－02－13

孟磊（1982－），男，博士，讲师，研究方向为煤矿GIS及其在感知矿山中的应用。E－mail：mengleicumt＠126.com