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1、铀尾矿库 WSN 安全监控镜像约束域定位算法 余修武 范飞生 夏凡 周利兴 刘永 李向阳 张枫 南华大学环境与安全工程学院 金属矿山安全与健康国家重点实验室 湖南省铀尾矿库退役治理技术工程技术研究中心 摘 要： 铀尾矿库的 WSN 安全监控监测技术是一门新型领域技术, 是实现铀尾矿库安全综合治理的重要前提, 定位技术因其能够快速定位事件发生区域的地理位置而成为 WSN 的关键技术之一。RSSI 测距定位技术因其易于实现、成本低等特点而被广泛应用, 然而其在铀尾矿库中会受到多径、非视距等因素的影响, 远距离得到的 RSSI 值测距误差较大。为此, 提出一种镜像最小通信圆约束域定位算法, 未知节点
2、利用多个近距离 RSSI 测距值生成最小通信圆, 以锚节点坐标镜像最小通信圆生成镜像圆, 多条件约束形成定位区域进行区域定位。仿真结果表明:多最小通信圆定位效果优于单最小通信圆, 且比传统 RSSI 和 RSSI 质心算法具有更高的定位精度和较小的误差均方差。关键词： 无线传感器网络; 铀尾矿库; RSSI 测距; 定位技术; 镜像原理; 最小通信圆; 作者简介：余修武, 博士, 副教授。作者简介：范飞生, 硕士研究生。收稿日期：2017-03-06基金：金属矿山安全与健康国家重点实验室开放基金项目 (2016JSKSSYS04) Constraint region location algo
3、rithm of WSN safety monitoring image in uranium tailingsYU Xiuwu FAN Feisheng XIA Fan ZHOU Lixing LIU Yong LI Xiangyang ZHANG Feng School of Environment and Safety Engineering, University of South China; Abstract： The wireless sensor network ( WSN) safety monitoring technology of the uranium tailing
4、s is a new field technology, which is an important guarantee for the safety comprehensive management of the uranium tailings, and the location technology is one of the key technologies of WSN because of its ability to quickly locate the location of the event occurrence region. The received signal st
5、rength indicator ( RSSI) ranging localization technology has been widely used because it is easy to implement with a low cost, however, it can be influenced by the factors such as multipath, non-line-of-sight and other factors in the uranium tailings, so the error of RSSI ranging in the long-distanc
6、e is large. Therefore, a image minimum communication circle constraint region location algorithm ( IMC-CC) was put forward. The unknown node generated the minimum communication circle using multiple close RSSI ranging values, then the image circle was generated by the minimum communication circle of
7、 the anchor node coordinate image, and the region localization was carried out by forming the localization region with the multi-condition constraint. The simulation results showed that the localization effect of multiple minimum communication circles was better than that of single minimum communica
8、tion circle, and compared with the traditional RSSI and RSSI centroid algorithms, the localization accuracy was higher, with a smaller error mean square deviation.Keyword： wireless sensor network (WSN) ; uranium tailings; received signal strength indicator (RSSI) ranging; positioning technology; ima
9、ge theory; minimum communication circle; Received： 2017-03-060 引言安全监测监控技术一直是制约铀尾矿库安全生产与治理的关键技术之一。铀尾矿库一般范围较大, 且其中存在大量的具有放射性污染和有毒有害的物质, 现今大多还是处于人工现场采集数据或使用卫星遥感、航拍成像等高危险、高成本的监测监控方式, 而无线传感器网络 (WSN) 因具有适用于各种复杂、恶劣和危险的监测环境且成本低廉等特点, 被广泛应用于各种监测领域, 为铀尾矿库监测提供了一个全新的技术手段。定位技术是 WSN 用于确定信息源位置、监控目标方向的关键技术之一1-3, 及时获
10、取铀尾矿库突发事件发生区域的位置信息, 能够为铀尾矿库的安全预警提供方位。定位是节点对周围环境和目标参数信息的收集及提取, 辅以角度、距离、时钟等多维参数进行计算获取自身或其他节点的准确位置4-5。定位技术能够对各种复杂、危险环境发生的突发事件进行精确定位及追踪。RSSI 属于典型的定位算法6-9, 其容易实现、成本低、无需额外硬件且能够方便的从无线芯片的寄存器中直接读取, 但由于其在铀尾矿库中会受到非视距、多径等因素的影响, 远距离 RSSI 值测距容易产生较大误差10-11, 针对 RSSI测距误差问题, 文献12提出了一种正态分布跟踪动态方差模型 (LNSM-DV) , 并引入最小二乘法
11、动态调整 LNSM-DV, 分析 RSSI 方差和距离的关系用来减小RSSI 的测距误差;文献13提出在物理层中使用片内多径分离技术求取抗干扰RSSI 值;文献14依据 RSSI 值大小求取权重并计算质心来增加定位精度;以上这些算法均需获取大量的 RSSI 值进行分析, 因此增加了通信开销, 且计算中所涉及的 RSSI 值, 在距离大于某一值时, RSSI 波动造成的随机干扰很难进行消除, 会使局部误差增大。为此, 提出一种未知节点只利用少量近距离 RSSI 值测距生成最小通信圆, 依据镜像原理生成镜像圆的约束域定位算法 (Image minimum communication circle
12、constraint region location algorithm, IMC-CC) , 该算法可屏蔽远距离 RSSI 值, 减少干扰、降低测距误差。1 镜像最小通信圆约束域理论镜像理论15最早由法国精神医生拉康提出, 他认为人生是从镜子开始认识自我、引导自我和约束自我的一个过程, 镜像其实是冗余的一种类型, 简单的可以称之为复制版本, 其具有功能的同向性和扩展应用无差别性, 镜是呈现像的载体, 像是自我认识、引导和约束的复制同构体。镜像最小通信圆借鉴于镜像理论, 未知节点通过通信范围识别认识自我, 即未知节点以自我为圆心生成最小通信圆, 并根据已知节点 (锚节点) 绝对坐标模拟锚节点开
13、始引导自我, 即锚节点以自身为圆心生成相同镜像圆, 最终由未知节点和锚节点构成了一个镜像圆结构模型, 由锚节点镜像圆交叉约束未知节点位置达到定位效果。1.1 最小通信圆未知节点 (S 节点) 以一定功率向其周围锚节点发送识别信号, 锚节点收到识别信息后反馈自身位置坐标和得到的 RSSI 值给 S 节点, 如图 1 有 A, B, C 和 D 4 个锚节点, S 节点收到 4 个 RSSI 值, 分别为 RSSIA, RSSIB, RSSSC和 RSSID, S 节点对 RSSI 值进行降序排列, 如 RSSIBRSSSCRSSIARSSID, 并分别计算到各锚节点的距离, 设分别为 dA, d
14、B, dC和 dD。定义在 S 的通信范围内, 以 S 节点自身为圆心, 以某锚节点到 S 节点的间距为半径生成的圆, 称为最小通信圆。如图 1 (a) 所示为 S 节点以 dB为半径, 自身为圆心生成的最小通信圆, 图 1 (b) 为以 dC为半径的最小通信圆。在 A, B, C和 D 节点中, B 节点离 S 节点距离最小, 生成的最小通信圆也最小。1.2 交叉镜像圆S 节点确定最小通信圆后, 由于其通过反馈机制已知锚节点坐标, S 节点模拟以锚节点坐标为圆心、最小通信圆为半径, 生成镜像圆。由于节点的相对性, 当B 节点在 S 节点的最小通信圆内, 则 S 节点必也存在于以 B 节点为圆
15、心的镜像圆 (设为 Bcircle) 之中, 称之为 S 节点约束于 B 节点镜像圆, 即 SB circle, 如图 1 (a) 灰色区域;A, C 和 D 节点由于不在最小通信圆内, 它们生成的镜像圆内必不存在 S 节点, 称之为 S 节点反约束于 A, C 和 D 节点镜像圆, 即。那么 , S 节点存在范围可描述为 , 约束范围可简称为 SB。当最小通信圆以 dC为半径时, 由于 dBdC, 则 S 节点必共同约束于 B 和 C 的镜像圆, S (B circleC circle) , 反约束于 A 和 D 镜像圆, , 那么 S 节点存在范围可描述为, 约束范围可简称为 SC, 如图
16、 1 (b) 灰色区域。同理最小通信半径可以取 dA和 dD。2 铀尾矿库节点定位铀尾矿库一般规模较大, 节点呈平面网状结构布设, 其结构给节点间通信带来了便利, 通信阻碍较少。如图 2 所示为某铀尾矿库节点的布设示意图, 未知节点或新加入节点 (如附着与移动机械或人员的移动节点以及节点死亡后新增加的节点) 可通过周围已知节点, 使用镜像最小通信圆约束域理论, 确定自己的位置信息。2.1 最小通信圆半径在 RSSI 定位算法中, 常用的对数路径损耗模型16如式 (1) 所示。式中:A 表示信号经过 1 m 传输路径后的路径损耗值;l 为信号传播距离;n 表示传播因子, 和具体无线传播环境有关。图 1 最小通信圆交叉模型 Fig.1 Model of minimum communication circle 下载原图图 2 铀尾矿库各节点布设示意 Fig.2 Uranium tailings node layout schematic diagram
