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基于无线射频识别技术的供电所现场作业人员定位跟踪方法

2024-11-21 75 上传者：管理员

摘要：为避免供电所现场作业人员误入危险区域，针对监控覆盖面不全面、安全围栏网不完善的问题，基于无线射频识别技术设计一种供电所现场作业人员定位跟踪方法。使用RFID电子标签、读写器、通信网络构建无线射频识别系统，将关键数据保存到数据库，根据实际需求向读写器传输命令，识别电子标签，锁定现场作业人员活动大概范围；运用多边测距算法，结合多组预测定位数据，采用引力搜索优化定位数据，自动完成供电所现场作业人员位置跟踪。仿真结果表明，所提方法覆盖率最终维持在100%，定位跟踪时间最高为0.62 s，定位标准差显著较低。

关键词：
人员定位
供电所
引力搜索
无线射频识别
系统构建
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在深化供电所协同融合（中压专业协同、低压营配融合），进而深化供电所各领域数智化技术探索和应用实践的过程中[1-3]，为更好保障作业人员的安全，对其位置的定位跟踪技术变得尤为迫切。

对于人员定位跟踪问题，当前已有相关研究成果。融合电力载波通信技术与可见光通信技术，监测对作业人员的实时跟踪与定位，凭借Visual Basic可视化界面显示目标具体位置点[4]。但在采集阶段容易出现漏检，实时跟踪效果差。在信道状态信息中获取目标位置概率频谱，通过MUSIC算法明确人员移动速率和方位，运用改进三边定位质心算法获悉人员位置，模拟人员运动轨迹，得到定位跟踪结果[5]。但方法获得的概率频率受环境信息影响大，定位精度和抗干扰能力有待提升。基于非测距压缩感知的煤矿隧道人员定位算法[6]，根据目标节点与感知节点之间的连通性信息，设计一种非测距压缩感知定位模型，并为定位区域建立了数据库，为解决定位精度低和时延问题提供了解决方案，但该方法算法复杂度较高，对效率产生影响。

伴随互联网技术的发展，位置跟踪服务取得人们的高度关注，无线射频识别技术被越来越多地应用在货物管理、交通识别等领域，其拥有低成本、定位正确率高、识别效率快等优势[7]。根据供电所特殊的环境特点，本文结合无线射频识别技术提出电子标签下供电所现场作业人员定位跟踪方法。首先创建无线射频识别系统，按照工作频率的不同分类电子标签，利用链路质量概念减少供电所空间对无线射频识别系统的影响，使用牛顿第二定律计算供电所现场作业人员的加速度值，更新定位跟踪位置坐标，完成高精度供电所现场作业人员定位跟踪任务。

1、基于无线射频识别技术的跟踪电子标签设置

无线射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术拥有非接触识别的特征，在任何外部环境下均能正常应用，不会遭受潮湿、遮挡、磨损等条件的负面影响，读写速率快[8-9]。无线射频识别系统整体架构如图1所示。

图1 无线射频识别系统架构

系统中包含如下内容：

(1)RFID电子标签。电子标签就是射频识别系统的信息表现形式，安装在被识别物体内。标签类别有主动式、被动式、半主动式三种[10]。主动式电子标签的应用范围最广，会在供电系统的作用下自主向读写器传输信号。

依照工作频率划分电子标签，包含低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签、微波电子标签。各类电子标签的参数设置情况可参考表1。

表1 各类电子标签的参数设置

(2）读写器。通过无线收发板块、天线、操控板块、接口电路等。读写器是无线射频识别系统内的数据采集设备，承担标签数据的读取与保存，同时把获取的信息传递至计算机。

(3）通信网络系统。系统内涵盖数据库服务器和不同类型的信息系统。数据库服务器可以处理读写器输送的数据，并按照相应需求完成数据处理，把关键数据保存至数据库[11-12]。其他信息系统凭借自身实际需求向读写器传输命令，完成电子标签识别操作。

2、作业人员位置跟踪方法

2.1 距离参数的极大似然估计算法

无线射频识别技术能有效锁定供电所现场作业人员大致的活动范围，但为了获得更加精准的定位跟踪结果，在无线射频识别系统基础上，充分考虑信号衰退、多径效应、信号屏蔽等多种情况，基于引力搜索方法，设计供电所现场作业人员定位跟踪方法。

供电所是一个较为封闭的空间，在无线系统接收信息时会产生反射、减损等状况，使用链路质量理念降低供电所空间对无线射频识别系统的影响。链路质量为信息传输时基站接收信息的质量，0-245是数据质量的上、下限极值。将基站接收无线信号强度与链路质量之间的关联解析式记作：

式中，rssi表示基站接收无线信号的强度；LQI表示链路质量。

按照统计学中的Shadowillg模型，将接收到的无线信号强度变换为基站和终端二者的间距，记作：

式中，d表示真实距离；d0是单位距离，通常取值是1.5 m;γ是无线信号传输时的动态衰退系数，该系数的大小与供电所无线网络应用环境相关；Xδ是随机高斯分布噪声。使用式（2）就能获得终端与基站的真实间距值。

定位跟踪过程中，按照无线射频系统中接收信号强度大小挑选出N个距离值。倘若待定位的供电所现场作业人员坐标方位是L(x,y)，无线射频系统基站坐标是B1(x1,y1),B2(x2,y2),…,Bn(xn,yn)基站和终端的测量间距是d1,d2,…,dn。

经过排列N组基站和终端之间的距离数据获得以下公式：

重新组合N组距离数据，各组内涵盖M个关联解析式进行交叉定位，共生成种组合模式。每个组合模式均能组成一个关于x、y的线性方程组，即AX=B。使用极大似然估计策略计算AX=B方程组得到如下结果：

2.2 引力搜索优化定位数据

运用多边定位得到现场作业人员的坐标，但因复杂的外部环境会产生一定偏差，使用引力搜索优化坐标值，输出最精准的坐标位置。引力搜索的原理包含万有引力定律与牛顿运动定律，关联计算两个定律获得问题的最优解。如果上文获得的坐标存在于S维空间中，在t时段的第a个坐标的质量是Ma(t)，坐标质量大小使用自适应度函数计算。由牛顿力学可知，质量越大惯性越大，引力固定的条件下运动会逐渐缓慢，证明运动会朝着最优坐标前进。自适应度函数通过链路质量计算得来，涵盖了众多影响因子的权重值，获得以下解析式：

式中，fita表示自适应度函数，best(a)是强度最高的自适应度函数，worst(a)是强度最低的自适应度函数。

依照外有引力定理获得S维空间的t时段中，坐标b相对于坐标a的引力是：

式中，R代表两个坐标的间距，x是坐标的空间方位，φ是偏差因素，G是引力常数。

按照牛顿第二定律，计算供电所现场作业人员在t时段中的加速度值为：

式中，是第a个坐标处于S维空间承受的作用力。

最终计算定位跟踪的位置更新过程，完成供电所现场作业人员定位数据的准确识别，更新过程为：

式中，(rand)表示供电所面积大小，V0(t)是t时段下作业人员移动的速度。

3、算例分析

为更好地证明本文定位跟踪方法的合理性与精准性，进行算例分析。

算例分析对象为某典型供电所为算例分析对象，其现场作业人员工作流程如图2所示。

基于图2，获取不同岗位、不同编制的人员的工作内容和工作流程，在大小为110 m×110 m的供电所区域内进行现场作业人员的定位，进行实验，实验过程如下：

图2 工作人员工作流程

(1）将无线载波信号的工作频率调节成2.5 GHz，通信半径为25 m，基本单位距离为10 m，动态衰退系数为0.2、随机噪声等参变量均按照供电所外部环境进行设置；

(2）在无线射频识别系统架构中，主射频模块使用具有增强型8051内核的无线收发芯片，通过SPI接收从RF模块识别的电子标签ID信息，包括低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签、微波电子标签等，进行了双通道传输；

(3）现场作业人员定位终端节点使用CC2530芯片，在主动模式下，识别各个营销类、设备类、综合类信息，且通过ZigBee无线模块传输到ZigBee协调器节点；

(4）反复引入无线射频识别系统节点，通过串行端口RS232传输到上位机进行处理，保证定位结果可以显示不同岗位、不同编制的人员定位结果。

人员定位的界面与在定位区域内的分布状况如图3所示。

图3 现场作业人员定位跟踪结果

在图3中，供电所现场作业人员位置跟踪过程清晰，仅一次标注即可直接定位到供电所现场地图上，交互效果明显。将文献[4]可见光无线通信（Light Fidelity,LI-FI）方法和文献[5]信道状态信息法作为对比方法。

3.1 无线通信节点覆盖率对比

在真实的无线通信节点定位过程中，未知节点可能分布在任意区域，因定位跟踪方法自身性能的约束或节点通信半径限制等状况，定位时很容易产生盲区，也就是部分区域节点在覆盖范围之外无法实现定位。把可定位的节点个数和未知节点数量的比值设定为覆盖率，覆盖率越高，表明算法的定位覆盖范围越大，获得可靠定位跟踪结果的概率越大。三种方法的无线通信节点覆盖率对比情况如图4所示。

图4 三种方法无线通信节点覆盖率结果

从图4可知，在相同的节点随机部署条件下，两个对比方法的覆盖率变化并不明显，本文方法的覆盖率最大，在节点数量较少时就能实现很高的覆盖率。这是由于处于未知通信范围时，本文运用无线射频识别技术处理读写器输送的数据，保存关键数据并传输定位指令，完成高覆盖率电子标签识别。

3.2 定位跟踪精度对比

定位跟踪标准差表示定位方法在各节点距离下，定位偏差和定位偏差均值之间差值的平方根，展现出定位方法计算坐标和移动节点真实坐标偏差的离散水平，标准差越大表明算法定位准确性越差，反之定位精度越高。三种方法的定位标准差结果如图5所示。

由图5可知，定位标准差会随着节点距离的增多呈现出上升趋势，实验初期三种方法的定位标准差的差别较少，但在节点距离较大时，本文方法的定位标准差值远远低于两个文献方法，可以获得更精准的定位跟踪结果。原因在于，本文本采用链路质量理念，有效减少供电所空间对无线射频识别系统的影响，进一步提高跟踪正确性。

图5 定位跟踪标准差对比

3.3 定位跟踪速度对比

定位跟踪效率是衡量算法性能的重要指标，对三种方法的计算时间进行仿真对比，定位跟踪时间取值为每组实验的平均时间，结果如表2所示。从表2看出，本文方法定位跟踪所耗时长最短，信道状态信息法次之，LIFI法的计算时间最长，极易产生定位结果非空却定位失败的状况。

表2 三种方法定位跟踪时间对比/s

4、结束语

互联网与移动通信技术的持续发展极大地改变了人们的生产与生活。无线射频识别技术因其非接触特征，变成当前定位跟踪方法中应用最广泛的方法之一。在供电所运维现实基础上，提出基于无线射频识别技术的供电所现场作业人员定位跟踪方法，均具备极强的实践优势，为供电所现场人员的安全作业操作提供参考借鉴。

参考文献: