一种基于5G+的井下通信与定位一体化系统的制作方法

一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统
技术领域
1.本发明涉及能源领域5g应用，具体为一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统。


背景技术：

2.第五代移动通信技术简称5g技术，5g具有高宽带、低时延、多连接、高可靠特性，因此被广泛的应用于各行各业。其中，80％应用场景为室内，5g网络不仅为室内业务提供必要的网络基础，还有效促进室内定位技术发展，5g网络提供万物泛在连接，通过融合各种不同定位技术方案可满足各种定位精度的位置服务需求。此外，5g技术也在很大程度上促进了能源领域尤其是煤矿产业智能化发展。近年来，中煤集团大海则煤矿、内蒙古智能煤炭公司麻地梁煤矿、国家能源集团上湾煤矿、山东能源集团鲍店煤矿等不断探索5g井下应用，为煤矿产业注入了新鲜的血液。
3.然而，井下环境特殊，一是巷道表面煤层和岩石导致信号传输特性复杂，大型电机设备相对集中，电磁干扰严重，二是井下存在瓦斯等爆炸性气体，用于井下的电气设备必须满足隔爆条件。井下复杂环境为5g技术的应用和融合带来了许多的问题和挑战，目前，5g网络尚未广泛应用于煤矿产业。此外，当前煤矿井下人员定位系统、无线通信系统独立运行，尚未有行之有效的一体化架构体系。
4.在井下人员定位方面，定位系统往往以考勤功能为主，未能实现井下作业人员实时定位，不利于抢险救灾工作。井下人员定位技术以uwb定位应用最为广泛，常用toa以及三角定位法完成位置计算，超宽带简称uwb，到达时间简称toa。该方法在非视距情况下定位精度下降且需至少三个基站方可准确定位，这为井下人员定位带来了很大的挑战。
5.由此看来，如何实现高速率、多连接、安全可靠的井下通信，如何满足井下作业人员定位精度和实时性需求，提高井下人员定位系统鲁棒性，节约建设及维护成本，如何用一张网解决煤矿通信问题和定位问题都显得极为重要。综上，本发明提出一种行之有效的基于5g 的井下通信与定位一体化系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统，实现高速率、多连接、安全可靠的井下通信，满足井下作业人员定位精度和实时性需求，提高井下人员定位系统鲁棒性，节约建设及维护成本，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统，该通信与定位一体化系统包括以下模块：数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、终端显示模块。
8.所述数据采集模块与数据传输模块相连接，所述数据传输模块与数据处理模块相连接，所述数据处理模块与终端显示模块相连接；所述数据采集模块用于收集定位数据和通信数据，所述数据传输模块用于传输收集的数据信息到达数据处理模块，所述数据处理模块用于将收集的数据进行分流处理，所述终端显示模块用于将处理后的定位、通信结果
在终端显示出来。
9.所述数据采集模块中，定位数据为：(a)、uwb定位微基站传输的目标与基站距离；(b)、5g cu/du传输的波达方向；(c)、惯性传感器传输的目标位移及方向角；通信数据为：具备5g通信能力用户终端回传的高清图片、视频、传感数据、控制信号等多源数据；上述数据通过数据传输模块回传至服务器中。
10.所述数据传输模块采用5g分布式基站与uwb定位微基站共同部署，uwb定位微基站通过千兆网口与prru级联，uwb定位相关数据由此传至prru中，而用户终端数据通过无线传输由prru接收；所述5g分布式基站架构中，定位、通信数据经过prru上传至5g cu/du中，一个cu/du可连接多个rhub，一个rhub可连接多个prru。图2为该系统的架构示意图。
11.prru采用矿用本安型集成prru，图3为矿用本安型集成prru的硬件示意框图，符合以下要求：(a)采用本质安全型设计；(b)支持4g/5g网络，可集成wi-fi/wi-fi 6芯片；(c)支持天线、网口等多种接口；prru支持4g/5g/wi-fi 6多种通信模式，根据具体业务需求切换通信模式，如在fr1频率范围内，wi-fi6的传输速率高于5g，时延要求不高的矿井图像、控制信息等，宜选用矿用wi-fi 6。
12.uwb定位微基站用于井下人员、车辆、设备等定位，通过目标佩戴/搭载标识卡获取收发端飞行时间差，从而计算目标与基站距离并将该信息通过5g网络回传至服务器中；用户终端指具备5g通信能力的终端设备，包括5g手机、矿用摄像头、矿用惯性传感器、采煤机、液压支架等；通过铺设5g分布式基站可完成终端设备多源数据交互，从而实现井下远程作业、安全检测、危险预警等多种业务需求。
13.以上井下设备都满足防爆要求，以本质安全型最优。本质安全型简称本安型，是电气设备的一种防爆型式，在特殊高危的爆炸性井下生产环境中也不会引燃周围环境爆炸性混合物，无需专门的防爆外壳，可缩小设备的体积和重量，简化设备的结构，同时，本安型电气设备的传输线可以用胶质线和裸线，可以节省大量电缆，适合用于煤矿井下。
14.所述数据处理模块位于服务器中，图4为数据处理模块的原理框图，包括数据分流模块、融合定位算法模块和通讯管理模块；所述数据分流模块用于将回传至服务器中数据分流为定位数据和通信数据，分别送至融合定位算法模块和通讯管理模块，经过处理可获得人员定位信息及通信业务结果。
15.针对井下人员定位需求，所述融合定位算法模块的原理框图如图5所示，包括非视距状态监测模块、uwb 5g定位模块、pdr修正模块和粒子滤波模块；行人航迹推算修正模块简称pdr修正模块；将定位数据送入非视距状态检测模块，判定当前环境是否为非视距状态，若不是非视距状态，采用uwb 5g定位模块，反之，辅之以pdr修正模块，最后，采用粒子滤波模块融合定位结果。
16.所述非视距状态监测模块采用分类算法计算当前状态：首先，设定分类特征量；其次，通过视距与非视距状态下的实测训练数据计算特征量边界值；最后，通过分类算法判定当前是否为非视距状态。
17.所述的uwb 5g定位模块包含一种单锚节点定位方法，具体步骤如下：
18.(1)uwb采用toa计算基站与目标的距离，5g基带提取波达方向，就能唯一确定目标与基站间的相对位置；
19.(2)根据提前存储的基站位置坐标，计算目标的绝对位置。
20.所述pdr修正模块的修正公式如下：
[0021][0022]
式中，和表示k时刻pdr与5g uwb定位得到的位置坐标，ω1、ω2为动态权重，pk为加权处理后的定位坐标；
[0023]
进一步地，权重ω1、ω2表达式如下：
[0024][0025]
式中，t表示pdr持续定位时间，sk表示k时刻5g uwb定位结果标准差，表示k时刻5g uwb定位结果标准差，表示k时刻前n个时刻5g uwb定位所得的位置坐标集合；
[0026]
f(t,sk)回归模型由支持向量机拟合而成，测试数据为非视距环境的实测数据。
[0027]
pdr方法受惯性器件漂移误差的影响，随着时间的推移定位精度下降，5g uwb在非视距情况下，定位结果稳定性变差。综合以上因素，采用pdr持续定位时间t和5g uwb定位结果标准差sk作为权重参数，可有效修正定位结果，保证在非视距下的定位精度需求。
[0028]
所述粒子滤波模块采用基于粒子滤波的定位方法，该方法主要是利用各种定位信息更新粒子状态从而计算出目标位置信息；粒子初始位置由5g uwb定位提供，在初始位置处均匀撒点，权重平均分配；k时刻位置信息由融合定位算法模块求得，粒子权重需定期更新并归一化。
[0029]
所述终端显示模块与服务器相连，涉及人员定位系统及通讯管理系统的终端显示界面；人员定位系统终端界面包含电子地图、人员实时位置坐标点、人员位置历史数据查询信息、特定区域人员分布情况，主要用于人员日常管理及灾后急救工作；通讯管理系统终端界面包含井下设备安全状态和作业相关反馈信息，主要用于对井下设备的远程自动控制和监测。
[0030]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0031]
1、5g分布式基站与uwb定位微基站共同部署，将通信与定位系统融合，用一张网络解决煤矿通信和井下定位问题，实现定位通信一体化；
[0032]
2、通过级联uwb定位微基站和矿用本安型集成prru，将通信与定位设备合一，共享站址资源、传输资源，减少系统重复建设；
[0033]
3、通过采用uwb测距、5g测角的方法，替代传统的三角定位法，单个锚节点即可实现位置计算，且基站铺设半径可提升至两倍左右，有效地节约了建设及维护成本；
[0034]
4、通过采用pdr修正模块，解决非视距下uwb定位精度下降的问题，确保在非视距下也能满足井下人员实时定位精度需求，提高了井下人员定位系统的鲁棒性。
附图说明
[0035]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0036]
图1是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的模块组成示意图；
[0037]
图2是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的架构示意图；
[0038]
图3是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的矿用本安型集成prru的硬件示意框图；
[0039]
图4是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的数据处理模块的原理框图；
[0040]
图5是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的融合定位算法模块的原理框图；
[0041]
图6是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的一种井下巷道不同路段一体化基站布置示意图；
[0042]
图7是本发明一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统的经过融合定位算法处理和经过传统单一uwb定位方法处理后定位结果对比图；
[0043]
图中标号：100、数据采集模块，200、数据传输模块，300数据处理模块，400、终端显示模块，310、数据分流模块，320、融合定位算法模块，330、通讯管理模块，321、非视距状态监测模块，322、uwb 5g定位模块，323、pdr修正模块，324、粒子滤波模块。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
请参阅图1-图7，本发明提供技术方案：一种基于5g 的井下通信与定位一体化系统，该通信与定位一体化系统包括以下模块：数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、终端显示模块。
[0046]
所述数据采集模块与数据传输模块相连接，所述数据传输模块与数据处理模块相连接，所述数据处理模块与终端显示模块相连接；所述数据采集模块用于收集定位数据和通信数据，所述数据传输模块用于传输收集的数据信息到达数据处理模块，所述数据处理模块用于将收集的数据进行分流处理，所述终端显示模块用于将处理后的定位、通信结果在终端显示出来。
[0047]
所述数据采集模块中，定位数据为：(a)、uwb定位微基站传输的目标与基站距离；(b)、5g cu/du传输的波达方向；(c)、惯性传感器传输的目标位移及方向角；通信数据为：具备5g通信能力用户终端回传的高清图片、视频、传感数据、控制信号等多源数据；上述数据通过数据传输模块回传至服务器中。
[0048]
所述数据传输模块采用5g分布式基站与uwb定位微基站共同部署，uwb定位微基站通过千兆网口与prru级联，uwb定位相关数据由此传至prru中，而用户终端数据通过无线传输由prru接收；所述5g分布式基站架构中，定位、通信数据经过prru上传至5g cu/du中，一个cu/du可连接多个rhub，一个rhub可连接多个prru。图2为该系统的架构示意图。
[0049]
prru采用矿用本安型集成prru，图3为矿用本安型集成prru的硬件示意框图，符合以下要求：(a)采用本质安全型设计；(b)支持4g/5g网络，可集成wi-fi/wi-fi 6芯片；(c)支持天线、网口等多种接口；prru支持4g/5g/wi-fi 6多种通信模式，根据具体业务需求切换
通信模式，如在fr1频率范围内，wi-fi6的传输速率高于5g，时延要求不高的矿井图像、控制信息等，宜选用矿用wi-fi6。
[0050]
uwb定位微基站用于井下人员、车辆、设备等定位，通过目标佩戴/搭载标识卡获取收发端飞行时间差，从而计算目标与基站距离并将该信息通过5g网络回传至服务器中；用户终端指具备5g通信能力的终端设备，包括5g手机、矿用摄像头、矿用惯性传感器、采煤机、液压支架等；通过铺设5g分布式基站可完成终端设备多源数据交互，从而实现井下远程作业、安全检测、危险预警等多种业务需求。
[0051]
以上井下设备都满足防爆要求，以本质安全型最优。本质安全型简称本安型，是电气设备的一种防爆型式，在特殊高危的爆炸性井下生产环境中也不会引燃周围环境爆炸性混合物，无需专门的防爆外壳，可缩小设备的体积和重量，简化设备的结构，同时，本安型电气设备的传输线可以用胶质线和裸线，可以节省大量电缆，适合用于煤矿井下。
[0052]
所述数据处理模块位于服务器中，图4为数据处理模块的原理框图，包括数据分流模块、融合定位算法模块和通讯管理模块；所述数据分流模块用于将回传至服务器中数据分流为定位数据和通信数据，分别送至融合定位算法模块和通讯管理模块，经过处理可获得人员定位信息及通信业务结果。
[0053]
针对井下人员定位需求，所述融合定位算法模块的原理框图如图5所示，包括非视距状态监测模块、uwb 5g定位模块、pdr修正模块和粒子滤波模块；行人航迹推算修正模块简称pdr修正模块；将定位数据送入非视距状态检测模块，判定当前环境是否为非视距状态，若不是非视距状态，采用uwb 5g定位模块，反之，辅之以pdr修正模块，最后，采用粒子滤波模块融合定位结果。
[0054]
所述非视距状态监测模块采用分类算法计算当前状态：首先，设定分类特征量；其次，通过视距与非视距状态下的实测训练数据计算特征量边界值；最后，通过分类算法判定当前是否为非视距状态。
[0055]
所述的uwb 5g定位模块包含一种单锚节点定位方法，具体步骤如下：
[0056]
(1)uwb采用toa计算基站与目标的距离，5g基带提取波达方向，就能唯一确定目标与基站间的相对位置；
[0057]
(2)根据提前存储的基站位置坐标，计算目标的绝对位置。
[0058]
所述pdr修正模块的修正公式如下：
[0059][0060]
式中，和表示k时刻pdr与5g uwb定位得到的位置坐标，ω1、ω2为动态权重，pk为加权处理后的定位坐标。
[0061]
进一步地，权重ω1、ω2表达式如下：
[0062][0063]
式中，t表示pdr持续定位时间，sk表示k时刻5g uwb定位结果标准差，表示k时刻5g uwb定位结果标准差，表示k时刻前n个时刻5g uwb定位所得的位置坐标集合；
[0064]
f(t,sk)回归模型由支持向量机拟合而成，测试数据为非视距环境的实测数据。
[0065]
pdr方法受惯性器件漂移误差的影响，随着时间的推移定位精度下降，5g uwb在非视距情况下，定位结果稳定性变差。综合以上因素，采用pdr持续定位时间t和5g uwb定位结果标准差sk作为权重参数，可有效修正定位结果，保证在非视距下的定位精度需求。
[0066]
所述粒子滤波模块采用基于粒子滤波的定位方法，该方法主要是利用各种定位信息更新粒子状态从而计算出目标位置信息；粒子初始位置由5g uwb定位提供，在初始位置处均匀撒点，权重平均分配；k时刻位置信息由融合定位算法模块求得，粒子权重需定期更新并归一化。
[0067]
所述终端显示模块与服务器相连，涉及人员定位系统及通讯管理系统的终端显示界面；人员定位系统终端界面包含电子地图、人员实时位置坐标点、人员位置历史数据查询信息、特定区域人员分布情况，主要用于人员日常管理及灾后急救工作；通讯管理系统终端界面包含井下设备安全状态和作业相关反馈信息，主要用于对井下设备的远程自动控制和监测。
[0068]
为了在保证巷道全覆盖的基础上节约铺设成本，针对不同巷道地段设计了不同铺设方案。图6是本发明一种井下巷道不同路段一体化基站布置示意图，一体化基站指uwb定位微基站级联prru部分。将巷道分为长直段和交叉地段，在长直段，将基站均匀分布在巷道两侧；在交叉地段，需增加基站个数以保证任何朝向都有足够多的基站；以上基站铺设间距均采用在定位误差允许范围内的最大间距，相较uwb定位，uwb 5g定位方法可允许基站铺设半径可提升至两倍左右。此外，针对井下大巷，作业繁忙区域采用一体化基站，实现5g无线通信及人员精确定位；其他分支巷道，只需安装uwb定位分站，用于补全定位盲区，实现井下定位的全覆盖。
[0069]
图7为经过本发明融合定位算法处理和经过传统单一uwb定位方法处理后定位结果对比图，测试场景为井下长直段巷道。从图中可以看出，传统单一uwb定位在非视距区域(矩形框区域)明显偏离实验真实路径，直至到达下一视距状态定位点处方可得到修正，而本发明提出的融合定位算法模块可及时修正定位偏差，降低了异常值对系统精度的影响，提高了定位性能。因此，相较传统单一uwb定位方法，本发明的融合定位算法可有效修正非视距情况下的定位偏差，使得系统实时输出高精度的位置坐标信息，从而提高了定位系统鲁棒性。
[0070]
本发明针对非视距下uwb定位精度下降的问题，设计了uwb 5g定位模块和pdr修正模块。在长直段巷道路段，沿图7相同实验路径进行50次定位测试，取其中非视距情况下的定位点数据统计可得：传统单一uwb定位方法的最大误差为2.4382m，平均误差为0.5831m，本发明融合定位算法的最大误差为0.5283m，平均误差为0.1463m，平均定位精度提升了约74.9％。
[0071]
实施案例一：
[0072]
非视距状态监测模块采用分类算法计算当前状态：
[0073]
(1)首先，设定分类特征量：分类特征量为5g uwb定位结果标准差s和定位偏差系数γ，前者代表定位结果的稳定性，后者表征5g uwb定位与pdr定位两种定位结果的偏差，两者在视距和非视距情况下表现出完全不同的特性。
[0074]
记k时刻前n个时刻，5g uwb定位与pdr两种方法解算所得的位置坐标集合分别为：
则k时刻5g uwb定位结果的标准差sk和定位偏差系数γk分别表示为：
[0075][0076][0077]
其中，为两种定位结果的欧式距离。
[0078]
(2)其次，计算分类边界值：分类边界值是由视距和非视距环境下的实测数据统计得出，具体方法为：首先，确定一体化基站铺设间距：铺设间距指在定位误差允许范围内的最大间距；其次，在固定基站位置的情况下分别测取视距和非视距环境中的特征值，统计相应的概率分布，确定边界值，使得能够准确区分视距和非视距情况。最后，选择误差允许范围内的基站铺设最大间距；
[0079]
边界值的确定是经验所得，需根据实测的特征值数据动态调整；
[0080]
(3)判定当前是否为非视距状态：采用k近邻分类算法判定当前是否为非视距状态，需在一段持续时间δt内满足判定条件方可确定环境状态，这是为了排除一些特异数据。
[0081]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0082]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。