GIS 技术在UWB 基站可视化模式监测中的应用

戴建炜，杨青，左天才，刘正春，刘常茂

（乌江渡发电厂，贵州遵义 563100）

目前，导航定位技术已经被广泛应用于我国社会经济发展各行业领域，形成以GIS 为主要技术代表的导航定位技术，也作为国际间公认的重要无线产业之一，现有技术主要包括了室外、室内两种定位技术。其中以GIS 为代表的全球导航定位技术，目前已经基本发展成熟，能够达到无基础线路布设前提下，实现快速传输且距离不受限等技术优点，所以被广泛应用于交通运输、抢险救灾、导航定位等方面。超宽带技术作为新型无线通信技术，能够经发送、接收纳秒级以下的较窄脉冲实现数据的有效传输，可以在传输数据中达到GHz 量级带宽，实现较高的空间分辨率，并且可以从理论层面实现厘米级测距，满足精准定位。现阶段应用广泛的基于UWB的典型定位技术系统，包括Localizers、Ubisense、Sapphire 等系统。基本由4 个接收器、多个漫游器以及单个控制中心组件所组成，能够运用AOA、TDOA 等混合定位式算法定位标签，并且可以达到15 cm的定位精准度。因此，该研究将GIS 技术应用于UWB 基站监测，实现可视化监测。

1 关键技术概述

1.1 组件式GIS技术

GIS 技术由最初的组件式GIS 发展形成WebGIS技术应用。在这个技术发展过程中，WebGIS 技术能够有效解决GIS 技术的传统技术弊端问题。并且能够在应用中有效划分各GIS 功能模块为多控件，实现不同控件功能各不相同。GIS 技术原理如图1所示。

图1 GIS技术原理

1.2 UWB简介

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。该技术是近年来新兴的一项全新无线通信技术，与传统通信技术有着极大差异，通信过程中不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒级窄脉冲来传输数据。UWB 调制采用纳秒级脉冲宽度完成脉冲快速上升和下降，脉冲覆盖的频谱不需常规窄带调制所需的RF 频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。频谱形状可通过持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。使用脉冲宽度为纳秒级的无线脉冲信号作为定位载波，是无线定位领域精度最高、性能最稳定的技术。在频域上，由于其占用的频带较宽，且无线功率密度较低，对于其他的无线设备来说相当于噪声信号，不会对其造成干扰，也加强了自身的抗干扰性。无线定位系统基于超窄脉冲技术，是国内领先的高精度无线定位产品。UWB 定位系统技术如图2 所示。

图2 UWB定位系统技术物理层示意图

2 基站可视化模式监测系统设计

2.1 系统总体架构

人员定位系统采用超宽带（UWB）定位技术实现高精度定位，精准定位系统主要由应用层、解算层、传输层和设备层（定位基站和定位标签）构成，如图3所示。

图3 定位系统整体框架图

1）设备层。用于获知底层的位置信息，通过超宽带（UWB）信号实现对定位标签的定位。设备层主要包括定位基站和定位标签，是定位系统的核心设备，用来获取原始的位置信息。定位基站周期性广播自身的标识信息，定位标签接收超宽带信号后，完成时间戳信息的获取，通过通信基站信道，回传时间戳信息以及相关状态信息。通信基站以及定位基站将自身的数据通过主干网络传输到解算层，在定位解算应用服务部分完成定位数据的解析。同时，通信基站也可以接收到应用层下发的指令，完成相关的操作，如对设备的呼叫、撤离等。

2）传输层。传输层也称主干通信网（简称“主干网”），是基站与服务层、应用层之间的数据传输通道。定位基站通过以太网（有线或无线）将定位数据传输到定位服务器，在定位服务器完成位置信息的解算。

从上往下将应用层相关指令传输到通信基站；从下将定位原始数据传输给服务层。

3）解算层（服务层）。解算层（服务层）包括定位应用服务软件、系统管理软件、对外软件。定位应用服务软件根据不同的定位方式，实现定位原始数据的解算，从而得到有用的位置信息。

定位应用服务软件根据不同的定位方式，实现定位原始数据的解算，从而得到有用的位置信息。

同时，服务层负责管理与维护整个定位网络，保证定位的实时、可用。

4）应用层。通过位置信息与视频流数据，以地图的形式实时跟踪定位标签的位置，应用层获得实时的位置信息后，结合视频等信息，可以实现各种复杂的应用，如实时轨迹显示、电子围栏和视频联动等。

智能安全监管系统通过人员定位应用层提供WebSocket和Http，通过WebSocket 可获取标签卡的实时位置数据，通过Http 可获取系统相关的数据进行开发和集成。对佩戴定位标签人员在定位基站覆盖区域内的作业人员精确定位和作业风险管控。

2.2 系统数据获取

为了保证项目的顺利实施和成果的高可用性，该项目使用高精度激光扫描仪作为主设备，获取毫米级相对精度的原始数据，并最终制作厘米级绝对精度的三维模型。三维建模数据获取及处理过程如图4 所示。

图4 三维建模数据获取及处理过程

3 系统数据库设计

UWB 基站可视化模式监测系统的数据库接口设计，运用了MySQL 5.7 或更高版本作为数据库服务器，建立了三层架构，在中间层处理基站业务规则、数据访问并进行合法性校验，在客户端无需交互数据库，而是经DCOM 通信连接中间层，实现数据库及中间层交互。由于经中间层实现了数据访问，不再建立数据库及客户端相应的数据连接，不仅减少了数据库的数据服务器连接数量，还能够有效提高系统的可维护性，完成组件层、数据库端以及MTS的事务处理。

以UWB基站的信息添加删除操作代码示例如下：

4 系统仿真测试

该文将GIS 技术应用于UWB 基站可视化模式安全监管监测系统中，采用了Xeon 服务器，运用Windows2012 或更高版本，运用了MySQL 5.7 数据库，在Windows7 平台完成以上系统操作，应用GIS 接口及对应三维开发组件，支持了该系统开发的框架数据访问方式，能够实现该系统的GIS 系统操作及空间分析功能。并整合了Sun Microsystems 公司的JAVA 平台，能够提供全新的开发环境，选择熟悉的开发编程语言。图5 为安全监管监测系统的可视化监测数据处理流程。

图5 可视化监测数据处理流程

5 结束语

总而言之，随着UWB 基站技术的发展，在基于UWB 基站可视化安全监管监测系统设计中，保证构建完善的数据库系统至关重要。通过运用GIS 技术实现了二次开发，不仅很大程度降低了该系统实现的整体开发难度，更缩短了整个系统设计开发周期，有效降低了开发成本，创建了良好的系统显示界面。所以在此次设计开发的系统测试中，系统通过UWB 基站实现可视化安全监管监测，通过运用GIS技术，为系统开发人员成功提供全新开发环境，实现了可视化编程环境，方便后期该系统的源代码进一步编辑、改进和完善。