改进LANDMARC算法在舱室作业人员轨迹定位中的应用

黄 菊

（南通科技职业学院，江苏 南通 226007）

改进LANDMARC算法在舱室作业人员轨迹定位中的应用

黄 菊

（南通科技职业学院，江苏 南通 226007）

针对船舶修造企业舱室的特殊工作环境的安全要求，提出一种以RFID射频技术为基础的人员定位系统，以实现船上人员的轨迹分布与精准定位。采用改进的LANDMARC算法，通过用距离替换RSSI值对传统的LANDMARC算法进行改进，解决在空间定位中的偏差问题。在实验环境下对系统的设计思路进行了验证，结果表明改进的LANDMARC算法具有更高的定位精度，可用于船舶修造密闭舱室作业人员的跟踪定位。

RFID；舱室人员定位；LANDMARC

本文著录格式：黄菊. 改进LANDMARC算法在舱室作业人员轨迹定位中的应用[J]. 软件，2016，37（11）：129-132

0 引言

船舶修造舱室内作业是一种有限空间环境下的、风险较高的作业，由于其作业环境的特殊性，容易出现各种危险，易燃易爆气体、有毒气体、各种机械伤害和人身伤害等，在安全管理上稍有疏忽，就会引发事故[1]。

随着物联网技术的兴起，射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）开始被应用于人员定位领域，如仓储货物定位、图书管理、煤矿井下人员定位等。标签、读卡器和传递射频信号的天线就可以组成一个最基本的RFID系统。远距离射频卡和读卡器被用来感应射频识别物体，读卡距离可达100米，可同时识别100张感应卡，读卡速度达到100公里/小时，能够对快速移动的物体或人员进行远距离准确识别。

因此，本文提出了基于改进的LANDMARC算法的RFID定位技术，利用其设计一个适用于船舶修造密闭舱作业的人员定位系统，以此提高船舶修造企业的信息化水平，规范作业人员的作业情况，实时锁定作业人员在有效工作区域内的位置，加强安全防范，为紧急或危险情况下，快速寻找人员提供有效定位线索。

2 相关工作

2.1 远距离射频卡的工作原理

远距离射频卡的内部有唯一的序列号，并可以

存储一系列的数据，当感应卡处于读卡器的有效读取范围内时，远距离射频卡被读卡器连续发射的电磁问询信号激活，从而反馈给读卡器一个携带有感应卡号的应答信号，通过远距离射频卡与读卡器之间的信号问询与应答，读卡器能够准确快速地识别远距离射频卡内携带的号码，并将读取到的远距离射频卡号和内部存储的数据按照一定的输出格式输出给计算机、外部控制器或其他终端设备，从而实现对远距离射频卡的识别。

远距离射频卡采用射频技术，穿透能力强，可穿透人的身体，因此卡片可随身携带，不必在感应范围内人工取卡去对准读头；无方向性，只要物体经过感应区范围就能读取到；卡片为被动式工作，对人体无害，只有当卡片在读卡器感应范围内，电子卡才工作，省电高效。

2.2 LANDMARC介绍

本文采用的是LANDMARC定位系统，其受环境影响小，且系统搭建简单。LANDMARC是基于有源RFID动态校验的定位算法，采用固定位置的参考标签来进行辅助定位。当待定位标签位于RFID读写器的检测范围内时，获取其到达读写器的信号强度。信号强度与距离具有对应关系，LANDMARC定位算法通过待定位标签的信号强度与参考标签发送到读写器的信号强度做相应的计算，得到两者的距离关系，来实现辅助定位。其核心思想是采用额外的固定参考标签的信号强度与待定位标签的信号强度反映距离信息，依据“最近邻居”思想，结合参考标签的权值和坐标，计算出待定位标签的位置。

2.3 改进的LANDMARC算法

LANDMARC定位算法应用于船舶修造密闭舱这一特殊工作环境下，在某些情况下会出现偏差。在修造舱中有位置确定的监控节点，在这些确定位置上依次布置好标签作为定位区域的参考标签．但在实际的定位实验中发现，作业人员并不是固定在船舱地面工作，而是工作在三维空间，某些区域无法合理的布置参考标签。而传统的LANDMARC设计是应用于平面的，因此需将定位模型构建在空间中。

考虑到多数作业人员会将标签佩戴于胸前，为了使读写器更可靠的读到人员的标签信息，因此确定天线的安装位置为距离地面一米的高度处。天线位置确定后，需设计参考标签的具体位置。为了适应天线安装的高度，确保算法的精确性，参考标签需要设定在整个空间中。但在实际应用中，在整个空间分布多层标签既不合理，也不可行。传统的LANDMARC算法是基于信号强度的，因此为了得到参考标签的信号强度信息，参考标签的设定是必不可少的。在本次设计中，将算法依靠的信号强度转换成距离，来解决上述问题。

将传统LANDMARC系统中参考标签的位置用相应的坐标点替换，即参考标签的坐标为已知的。在已知天线坐标的情况下，可求出参考标签到天线的距离。然后通过获得待定位标签到天线的距离，用所获得的所有距离代替信号强度，其他原理相同，则可以根据参考标签的坐标以及计算所得的权值，计算得出待定位标签的坐标。

（1）参考标签到读写器的距离

根据参考标签的坐标，计算其到读写器的距离：

（2）待定位标签到读写器的距离

待定位标签到读写器的距离为：

（3）参考坐标与待定位标签的欧式距离

参考坐标jCT和待定位标签iDT之间的欧式距离为：

（4）参考标签的权值

选取最小的k个LRE（k<20），组成集合LRE=同时确定与选出的k个E相对LR应的参考标签。按照LRE的大小赋予相应参考标签在定位过程中不同的权值。参考标签的权值为：

（5）计算待定位标签的坐标

待定位标签的坐标计算公式为：

下面要解决的问题就是确定待定位标签到天线的距离。现在已知待定位标签到达读写器的信号强

度，因此只需将接收到的信号强度转换成距离，就能实现本系统的定位功能。

（6）RSSI测距

无线信号在实际应用中，会受到多种环境因素的影响，测量RSSI时，模型的选取直接影响测距的精度。在无线信号传输过程中，读写器接收到的待定位标签的信号强度与两者之间的距离转换，一般采用的理论模型为渐变模型，为了便于计算，参考距离一般选择为1 m。

其中：A为发射端和接收端相隔1米时的RSSI；n为环境衰减因子，与温度、湿度等环境相关；d为当前距离。

当A和n确定时，在已知信号强度的情况下，可知读写器与待定位标签之间的距离。

3 作业人员轨迹定位功能的实现

作业人员轨迹分析是依据人员定位所得的结果确定的。定位系统主要由读写器和天线组成。采用改进的LANDMARC算法实现人员的定位。

3.1 RFID架构设计

通过RFID设备来实现对于人员行踪的掌握。在舱室的四个角分别安装四个读写器，位置安装在距离地面一米的地方。参考标签设定为三层，呈矩形分别摆放在读写器上下。使用RFID技术对作业人员进行定位，并记录不同时间段内，作业人员的不同坐标，将坐标与时间汇总，便可得到人员的行踪。系统同时记录下读写器的编号、人员ID号和读写器状态等相关信息，并将相关数据存储到SQLServer2008数据库中。

3.2 数据库设计

通过RFID设备所获取的信号强度信息实现人员的行踪定位。因此要实现人员定位，所需的数据包括被定位标签的ID号，采集数据对应的时间，不同的天线采集到的信号强度，和信号强度所对应的天线号以及经过计算所得的距离。

在数据采集完毕后，系统会将信号强度转换成距离，与其他数据一并存储到表相应的列中。

3.3 基于改进的LANMDARC算法实现人员定位功能

根据2.3中得到的测距模型，测得天线接收到标签的信号强度信息，然后将信号强度转换成距离，进而应用改进的LANDMARC算法，对作业人员实现定位功能。

参数A和n在不同的环境，具有不同的值。A和n的值决定了接收信号强度和传输距离的关系，分析这两个常数对信号传输距离的影响。在中远船舶的舾装作业现场通过现场实验获得相应的参数值。

根据拟合程序得A为-45.8，n为2.61。代入测距模型得：

表1 定位信息表

四个天线检测到标签时，将获取的标签ID号、信号强度RSSI和获取时间，传输到读写器中。在Visual studio2010中将信号强度转换成距离，并将转换后的信息，存储到数据库中的表TagInfo中。通过调用数据库中表TagInfo的Tag_Distance，结合改进后的LANMDARC算法，实现人员的定位功能。其中将RSSI转换成距离的关键代码如下：

4 定位检测实验及结果分析

4.1 人员定位测试

选取中远船务的船舶底边舱为作业现场进行实验。在舱室的四个角安装四个读写器，任选10个位置，作为待定位标签的放置位置。作业人员携带RFID标签，当进入读写器的有效工作范围内时，标签自动将卡内储存的信息和标签的ID号发射出去；读写器接收标签发射来的射频信号，内部MCU处理并提取信息经传输线传送至监控主机，主机通过内部设定软件和定位算法对数据进行处理，最终由显示屏显示舱内作业人员的基本信息、作业位置、作业时间及移动轨迹等实时信息。

4.2 实验结果

图1为矩形模型布局下的LANDMARC算法和改进的LANDMARC 算法对选取的10个待定位标签进行坐标计算。将两种算法得到的坐标与10个位置的实际坐标相比较，得出定位误差比较图。在底边舱中，传统LANDMARC算法的估计误差在0.48 m-1.9 m之间，平均误差为1.29 m。而改进的算法，其估计误差在0.29 m-1.59 m之间，平均误差为0.96 m，结果证明改进的LANDMARC算法比传统LANDMARC算法定位精度有明显改善。

图1 种算法的估计误差比较

图2 为LANDMARC算法和改进的LANDMARC 算法的误差累积概率分布曲线（CDF）。通过计算处于某个定位精度之上的测量次数占总测量次数的比例，来评价改进算法的稳定性。传统的LANDMARC算法应用于空间定位时，会出现较大幅度的波动。改进后的LANDMARC算法的估计误差EE在1.5米后趋于稳定，定位精度收敛速度相对较慢，但稳定性较好。

图2 CDF曲线比较

5 结论

本文针对船舶修造企业舱室的特殊工作环境的安全要求，提出一种以RFID射频技术为基础的人员定位系统，以实现船上人员的轨迹分布与精准定位。针对LANDMARC算法在实际空间定位中存在一定误差的问题，对LANDMARC算法进行改进，使其与RSSI与距离转换模型相结合，将LANDMARC算法建立在距离的基础上，用测试距离代替信号强度，减少参考标签。实验结果证明，改进的LANDMARC算法具有更高的定位精度，稳定性也较好。

[1] 徐昆伦, 王世强. 船舶修造密闭舱室作业危害因素分析及预防措施[J]. 安全, 2015, 02: 35-38.

[2] 殷红. 改进LANDMARC算法在列检员定位系统中的应用[J]. 兰州交通大学学报, 2015, 34(6): 95-100

[3] 董永峰. 基于RFID的虚拟参考标签三维室内定位算法[J].计算机工程与设计, 2015, 36(6): 1535-1539.

[4] 汪冬, 葛万成. 基于参考标签可信度和偏差自校正的RFID室内定位算法[J]. 计算机应用, 2014, 34(11): 3170-3172.

Application of Improved LANDMARC Algorithm to Personnel Location on Field Cabin

HUANG Ju
(Nantong science and technology Career Academy, Nantong, Jiangsu 226007)

Aiming at the safety requirements of the special working environment of ship building enterprise cabins, a personnel positioning system based on RFID radio technology is proposed to realize the trajectory distribution and precise positioning of ship personnel. By using the improved LANDMARC algorithm, the traditional LANDMARC algorithm is improved by replacing the RSSI value with distance to solve the problem of spatial localization. The results show that the improved LANDMARC algorithm has higher positioning accuracy and can be used in the tracking and positioning of ship building and confined cabin crews in the experimental environment.

RFID; Cabin personnel positioning; LANDMARC

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.11.028

南通市科技局科技计划项目“基于RFID技术的轨迹分析考勤系统”(AA2013042)

黄菊(1981-)，女，硕士，讲师，研究方向计算机软件与理论、物联网。