基于改进BP神经网络的井下无线定位算法研究*莫树培，徐广允（贵州工业职业技术学院图书与信息中心，贵州贵阳550000）摘要：针对煤矿井下作业人员安全，提出一种无线定位算法。利用无线网络，采集采样点接收到各个AP的MAC地址和信号强度RSSI，与采样点坐标位置组成训练集；用训练集对加入动量项的BP神经网络进行离线训练，训练完成后，待测点接收到MAC和RSSI信息带到训练过的BP神经网络进行定位。实验结果显示，该定位算法提高了收敛速度和定位精度。关键词：无线定位；BP神经网络；RSSI；动量项中图分类号：TD67文献标志码：A文章编号：1009-0797（2019）03-0101-03ResearchonUndergroundWirelesspositioningBasedonImprovedBPNeuralNetworkMOShupei，XUGuangyun（BookandInformationCenter,GuizhouIndustryPolytechnicCollege,Guiyang550000,china）Abstract:Inviewofthesafetyofcoalmineworkers,awirelesslocationalgorithmisproposed.Usingwirelessnetwork,thesamplingpointsre-ceivetheMACaddressandsignalstrengthRSSIofeachAP,andformtrainingsetwiththecoordinatepositionofsamplingpoints.ThetrainingsetisusedtotraintheBPneuralnetworkwithmomentumtermoffline.Afterthetrainingiscompleted,themeasuredpointreceivesMACandRSSIinformationandtakesittothetrainedBPneuralnetworkforpositioning.Theexperimentalresultsshowthatthealgorithmimprovestheconvergencespeedandlocationaccuracy.Keywords:Wirelesspositioning;BPneuralnetwork;RSSI;momentumterm0引言煤矿井下作业人员安全，关系煤矿安全保障能力，目前井下人员定位多采用射频识别技术（FRID），定位精度不高，无法满足井下定位需要。近年来有部分国有大中型煤矿开始使用无线网络进行井下信息传输，在不增加设备的情况下可用其进行人员无线定位。无线定位算法主要有质心算法、加权质心算法和神经网络算法等；质心算法基于无线网络的连通性，易于实现定位，但定位精度不高；加权质心算法通过设置权值提升网络中的信息利用率提高定位精度，但在井下复杂的电磁环境中，会干扰有用信息从而影响定位精度；神经网络算法可解决信号模型中参数不精确问题，提升定位精度，但收敛速度缓慢。针对上述问题，本文提出基于改进BP神经网络的井下人员定位算法加快收敛速度，并提高定位精度。1改进BP神经网络算法改进BP神经网络算法是在BP神经网络基础上加入动量项，加快收敛速度。该算法实施定位分为离线训练阶段和在线定位阶段。根据实验条件，本文设计BP神经网络分为4层，包含输入层1层、隐含层2层和输出层1层。输入向量矩阵RSSIi(i=1,2,,n)表示目标点获取n个AP节点的RSSI值。图1BP神经网络定位模型神经网络的激活函数是用于激活每个神经元，隐含层和输出层采用双曲正切函数（sigmoid函数）为激活函数，表达式为：φi(vi(n))=αtanh(bvi(n))a,b>0（1）对式1求vi(n)导数为：φi'(vi(n))=absech2(bvi(n))=ba[a-yi(n)][a+yi(n)]（2）式中：yi(n)=φi(vi(n))；当神经元i位于输出层时，其局域梯度表示为：δi(n)=ei(n)φi'(vi(n))=ba[di(n)-yi(n)][a-yi(n)][a+yi(n)（3）式中：di(n)是神经元的输出响应；煤矿现代化2019年第3期总第150期*基金项目：贵州省科技厅，黔科合LH字【2016】7069;贵州工业职业技术学院，校级课题20180201101··中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

当神经元i位于任意隐含层输出层时，其局域梯度表示为：δi(n)=φi'(vi(n))∑kδk(n)ωki(n)（4）式中：k是神经元i的下一层网络中的所有神经元。BP神经网络算法实际就是对代价函数的误差曲面进行梯度下降方式寻找最优，在修正w(n)时，按n时刻的负梯度方式进行修正，在没有考虑以前时刻的梯度方向，会使训练过程发生震荡收敛慢。针对此问题提出改进BP神经网络加入动量项，改善收敛性能。动量项表达式为：Δw(n)=-η坠ε(n)/坠w(n)+αΔw(n-1))（5）式中：η为学习率；α为动量因子，1＞α≥0；当α为0时，为传统的BP神经网络算法。2测试策略本实验是在贵州工业职业技术学院实训楼未启用负二层地下停车场进行，选取100m*4m的实验区域模拟井下巷道环境，利用电磁干扰器模拟井下机电设备工作时产生的电磁干扰。程序编写使用TensorFlow,编辑环境用Python，编辑器用Anaconda，编写出BP神经网络算法和改进BP神经网络算法。结合现场环境安装4个AP终端间距在25m内，可满足400m2无线信号全覆盖，用CC2530作为采集无线设备，每个采样点采集20次RSSI值，求出RSSI的平均值，与采样点的坐标位置一起组成集合{x,y,RSSI1,RSSI2,…,RSSIn}。根据实验场地，每隔2m采集1个采样点，共采集153个采样点，组成神经网络的训练集。3性能分析离线训练阶段：将训练集中RSSI值作为两个模型输入，将训练集中采样点坐标位置作为模型输出，设置学习率η为0.42；动量因子α为0.58；把训练集分别带到两个模型中进行训练，经过多次迭代计算后，完成训练。经过测试BP神经网络算法和改进BP神经网络算法训练达到最优时，迭代次数见表1。表1两种神经网络算法最优迭代次数从表1中可看出BP神经网络算法迭代次数为2459次，改进BP神经网络算法迭代次数为1126次，由此可得改进BP神经网络算法迭代次数较少，算法复杂度优于BP神经网络算法，从而加快神经网络收敛速度。在线定位阶段：测试人员从起始位置（0,0）带上CC2530作为待测点，以2m/s的速度做随机曲线运动，走到终点位置（100,4），经过多次反复行走，共随机得到59个待测点数据。将得到带测点数据用质心算法、加权质心算法、BP神经网络算法和改进BP神经网络算法进行定位计算，得到算法定位误差概率图，如图2所示：图2算法定位误差累计概率图由图2可知，四种算法定位误差小于1m概率分别为21.49%，30.21%，42.13%；48.64%，而定位误差小于3m概率分别提高到62.87%，69.45%，87.38%，94.54%；而定位误差小于5m概率分别到87.12%，90.26%，95.87%，97.91%。根据定位误差概率，可看出改进BP神经网络算法比质心算法和加权质心算法定位精度大幅提高，比BP神经网络算法定位精度略有提高，所以改进BP神经网络算法能够满足井下人员无线定位的需要。4结论针对煤矿井下无线定位算法的不足，将BP神经网络引入到定位方法中，并BP神经网络加入动量项，改进BP神经网络算法，通过训练神经网络，得到较好的定位效果。本文中利用动量项优化BP神经网络，提出改进BP神经网络算法，提升收敛速度，同时提高定位精度。参考文献：[1]唐丽均,杨智勇.煤矿井下精确定位技术比较分析[J].煤矿现代化，2014，121：71-72.[2]莫树培.悬臂式掘进机截齿截割模型构建及受力分析[J].煤矿机械,2015,36(1):113-115.[3]张剑英,张跃辉,周立宇.基于自组织竞争网络的井下人员煤矿现代化2019年第3期总第150期定位算法迭代次数BP神经网络2459改进BP神经网络1126102··中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net

定位融合算法[J].工矿自动化，2016，42(3)：44-47.[4]卞国龙,黄海松,王安忆,等.基于PSO－BP算法的无线传感器网络定位优化［J］．电讯技术，2017，57(2):139-144．[5]莫树培.煤矿井下配电系统电容电流的测量方法研究[J].煤炭技术,2014,33(9):209-211.[6]李丽娜,梁德骕,王越,等.粒子滤波结合RBF神经网络用于室内定位[J].计算机工程与设计,2017,38(9):2509-2514.[7]孙继平,蒋恩松.测距平面约束下投影巷道空间的扩频定位方法[J].煤炭学报,2017,42(5):1339-1345.作者简介：莫树培（1982-），男，布依族，贵州都匀人，副教授，工学硕士，主要从事无线网络传感器、模式识别与人工智能的研究。（收稿日期：2018-12-10）新型防跑车防护装置的应用贾青霄，刘磊，吴传伟（兖州煤业股份有限公司杨村煤矿，山东济宁272118）摘要：采区轨道上山大绞车自动控制挡车栏，是用在倾斜井巷提升系统中防止跑车的专用设备，它与带有深度指示器的斜巷提升绞车配套使用，可实现巷道全程挡车栏自动控制。该挡车栏具有系统简单、安全可靠等优点，能够有效防止斜巷跑车事故的发生。但当发生跑车事故时，挡车拦在常闭状态下将矿车挡住防止跑车事故扩大的同时，由于车辆与挡车栏硬性撞击，往往发生挡车栏损坏的现象。为减少对挡车栏的损伤，减少影响提升运输时间，工区管理人员及技术人员集思广益，对现有挡车栏进行改造，增加了全断面绳栏缓冲器。采取新型挡车栏后，当跑车事故发生时，能够在缓冲器0.3~10m范围内有效阻拦车辆，减轻了对挡车栏的损伤，避免了跑车事故扩大。关键词：挡车栏；运输；车辆；缓冲器中图分类号：TD553文献标志码：A文章编号：1009-0797（2019）03-0103-03DesignandApplicationofaNewProtectivedeviceforRoadsterJIAQingxiao,LIULei,WUChuanwei（YangcunCoalMine,YanzhouCoalMiningCompanyLimited,ShandongJining272118）Abstract：Theautomaticcontrolofstopperininclinedroadwayisaspecialequipmentforpreventingsportscarininclinedshafthoistingsys-tem.Itisusedincombinationwithinclinedroadwayhoistingwinchwithdepthindicator.Ithastheadvantagesofsimplesystem,safetyandre-liability,andcaneffectivelypreventtheaccidentofroadsterininclinedroadway.Inordertoreducethedamagetothebarricadeandreducetheinfluenceonthetransportationtime,thedamageofthebarricadeoftenoccursduetotherigidimpactbetweenthevehicleandthebarricade,whiletheminingcarisblockedintheconditionofblockingthecartopreventtheexpansionofthesportscaraccident.DistrictmanagementandtechnicalstaffSiguangYi,withtheguidanceoftheproductiontechnologydepartmentandthecooperationoftherelevantfactoryperson-nel,hasreformedtheexistingcarbarrierandaddedafullsectionroperailbufferdevice.Aftertheadoptionofthenewblock,whentheacci-dentofsportscaroccurs,itcaneffectivelyblockthevehiclewithintherangeof0.310mofthebuffer,whichreducesthedamagetothebarrierandavoidstheexpansionoftheaccidentofthesportscar.Keywords：Arrester；Transport；Vehicle；Bufferunit0引言南三煤轨道上山位于兖州煤业股份有限公司杨村煤矿东翼大巷区域，是进入三煤轨道集中巷各综采工作面的重要轨道运输斜巷，承担着较重的运输任务。在斜巷提升运输过程中，如果发生车辆跑车事故，在挡车拦常闭状态下将车辆挡住，由于车辆与挡车栏硬性撞击，往往造成车辆及挡车栏损坏。这种情形一旦发生，既耽误生产影响提升运输，也增加了维护乃至更换挡车栏的人力财力物力。为此，工区管理人员及技术人员集思广益,通过现场观察分析和研究，对现有挡车栏进行改造，增加了全断面绳栏缓冲器，减轻了对挡车栏的损伤，明显减少了影响提升运输时间。1装置组成新型防跑车防护装置具有操作简单、安全可靠、性能优良的特点，主要由跑车防护装置用隔爆兼本安型主控箱及辅助电控箱、反向迫开式框架、钢丝绳、气动收放器、传感器、缓冲器组成。具备挡煤矿现代化2019年第3期总第150期103··中国煤炭行业知识服务平台www.chinacaj.net