UWB无线定位技术在隧道施工管理中的应用

李国鑫 杨文正

(1. 北京北大千方科技有限公司, 北京 100193;2. 北京华星北斗智控技术有限公司, 北京 100166)

0 引言

“十四五”期间数字交通和新基建的融合发展,全国主要城市地铁轨道交通的大力建设,尤其在地下空间复杂的施工环境中,针对人、机、物等全要素的安全监管工作提出了更高要求。随着无线通信技术的发展,射频识别(radio frequency identification，RFID)、蓝牙、无线网络通信技术(WiFi)、超带宽(ultra wide band，UWB)等技术在室内无线定位中广泛使用[1],为轨道交通地下隧道盾构施工中人员和车辆定位技术的发展注入了新的活力。其中,UWB技术作为新兴的无线定位技术,具有设备功耗低、多径分辨能力强、传输速率高、系统容量大、穿透能力强等优良技术特点[2],在短距离精确定位方面具有独特的优势,成为室内空间无线定位研究中的热点领域[3]。

1 UWB无线定位技术

UWB是近年来新兴的一种无线通信技术,UWB信号使用3.1～10.6 GHz的频段范围,并且该信号的发射功率须在1 mW以下[4]。高达GHz的信号带宽和独特的频域、时域特性,使其在信道容量上较其他通信方式有明显优势,可实现厘米级的高精度定位[5]。

UWB定位和其他多数定位方式相同,也是基于测距原理而实现,其测距模块的工作机制是：设置基站和标签,通过二者间的信息交流来记录信息的发送和到达时间,并根据获取的时间关系来推算出信号飞行时间,从而得到基站与标签之间的直线距离[6]。采用传统三角定位原理计算信号发射源的空间位置(图1)。定位标签发射源发射信号脉冲，基站接收机需要提前安装在需要定位的空间里面，并需要自定义一个直角坐标系统，测绘出每个接收机的X、Y、Z坐标。定位标签发射源发射的脉冲飞行速度为光速C，脉冲到达3个信号接收机的时间分别为T1、T2、T3,通过光速C*时间T就可以算得到3个距离L1、L2、L3，分别以3个距离为半径画出3个圆圈的交集处就是定位标签信号发射源的位置。

图1 UWB定位技术原理

2 系统设计

本研究采用UWB无线定位技术,研发地铁隧道施工管理系统,实现地铁隧道施工现场的人员、车辆、装备等定位信息采集、集成分析应用[7],可以获取隧道内部监控物体的动态分布情况、数量以及其所在的位置,实现实时定位、动态跟踪、定位查询、轨迹分析、电子围栏、定位求救等功能[8]。同时根据应用环境不同,可以在施工现场发光二极管(light-emitting diode，LED)屏幕上显示现场施工人员的数量和信息,也可在监控中心大屏幕上显示隧道内的监控信息[9]。

2.1 系统框架结构设计

基于无线定位技术的地铁隧道施工管理系统,采用浏览器/服务器(browser/server，B/S)运行环境,可通过浏览器在网络上实时浏览、查询、展示现场人员、车辆的位置及状态等相关信息。系统划分为应用层、业务层、数据层、支撑层的逻辑架构(详见图2系统框架结构)。其中，应用层提供可视化的人机交互界面,实现对目标区域人员和车辆的实时动态监控、目标定位和跟踪、历史数据查询等功能。业务层解析来自应用层的功能请求并实现系统的主要业务功能逻辑,为执行来自用户操作命令对应的任务,根据设计的业务功能,按照有效的业务逻辑对数据层中提取的定位数据进行解析和处理,最后将操作结果传送给应用层。数据层主要为整个系统的应用展示和业务分析提供数据保障,支撑层主要负责提供整个系统运行所需要的硬件设备、网络通信、基础软件等基础软硬件支撑环境[10]。

图2 系统框架结构

2.2 定位终端设备选型设计

智能定位终端系统主要由定位基站、定位标签芯片组成。针对地铁隧道施工的应用场景,定位基站采用室外型定位基站和隧道型基站结合应用,人员定位设备可采用安全帽定位标签,车辆定位设备采用车载型定位标签。

2.3 无线定位网络结构设计

智能定位系统传输网络可采用有线和无线结合的方式(详见图3网络拓扑结构图),地铁隧道内和基坑现场安装的所有接收机基站的位置已知,接收机通过脉冲探测器接收贴附于目标车辆设备、定位人员上的UWB标签发出的脉冲信号,得到亚纳米级精度的到达时间,并通过网络交换机连接传输给定位引擎服务器,引擎服务器对所接受的数据进行解译,同时采用定位算法对标签位置进行分析并得到定位数据,最终通过以太网或无线通信方式将定位结果发送到监控中心应用系统和远程客户端系统,应用软件平台通过对数据包解析得到对应标签位置信息,从而为用户提供空间位置显示并作进一步处理。

2.4 定位系统应用软件设计

系统基于合成框架SSH(struts,spring,hibernate)框架环境,利用Java开发语言,采用用户数据报协议(user datagram protocol，UDP)数据接口通信协议,通过MySQL存储管理信息,实现地铁隧道施工人员、车辆定位信息的采集、解析处理、综合分析等智能应用,并结合管控中心大屏幕可视化设备进行集中展示。

图3 网络拓扑结构图

3 系统功能应用

3.1 实时定位

智能定位可以实时显示隧道定位区域内不同类型人员(标签)和车辆的实时精确位置,监管人员可实时了解定位区域内人员、车辆的数量、分布和状态等信息,方便监管人员随时掌握信息,可以分区域统计人数、实时跟踪定位人员。

3.2 轨迹分析

系统可以记录下每个人员、每辆车辆的精确历史轨迹,当发生安全事故时候可以通过历史轨迹回放查看每一个人最后停留的位置,可以对应急救援提供决策支持。同时,系统还可以根据筛选条件搜索,进行多目标多倍速轨迹回放。

3.3 人员求救

人员佩戴的电子标签都具有一键呼救功能,如果遇到意外情况可以按下电子标签上的一键求救按钮,监控中心会在第一时间接收到求救报警信息,根据应用系统显示的人员求救位置信息实施快速准确的救援工作。

3.4 电子围栏

监管人员可以通过系统软件将危险区域空间信息在地图上绘制成电子围栏,并设置告警信息,当佩戴标签的人员进入危险区域就会触发系统报警,提醒监控中心管理人员进行处置,同时也可触发人员标签震动来提醒当事人员注意。系统还可以查看告警记录,实现告警记录多维精确查询,完成告警处理信息存档管理。

3.5 考勤管理

系统通过识别人员定位信息能够实现自动考勤,无须人工干预,自动生成人员考勤报表,可统计人员的出勤、准时、迟到、早退天数,将考勤结果及进出区域进行全记录并能导出到Excel文件,结合电子地图完成平面和立体空间区域考勤。

3.6 区域统计及电子点名

系统可以针对任意区域内人数实时动态点名,查询区域内人员详情列表信息,实时监控人员的在线、休眠、离线状态。同时可以进行实时视频跟踪锁定。

3.7 巡检巡更管理

根据巡检要求,系统可以自定义施工现场的巡检点和巡检路线,设置巡检人员及周期,制定巡检任务。若发现人员轨迹未经过某些巡检点,则判定为巡检遗漏,系统记录并进行报警提示,解决人员现场到位问题,杜绝施工漏检、假检,为进一步加强施工安全质量提供辅助应用。

4 结束语

本文探索研究了物联网无线定位技术在地铁隧道施工管理中的实践应用,得出该技术具有可视性、实用性、可操作性的优点。目前,深圳、西安等国内大城市在地铁隧道土建和机电交接施工过程中采用UWB、WiFi等物联网定位技术,通过对隧道轨行区内的人员、车辆的定位跟踪,将原有的文件填报管理方式转变为现场电子围栏侵界报警管理模式,减少和避免了隧道铺轨和运行中人、机、物安全事故,使隧道轨行区监管的短板变为安全区,保障了工程的建设进度和质量安全,并取得显著应用效果。下一步研究工作需要结合地铁轨道交通施工安全监管需求,进一步开展地铁隧道盾构的标准化管理,提升地铁盾构隧道施工过程的智能化管控,完善轨道施工应急抢险救援体系。未来,该应用系统还可结合视频监控、门禁考勤、声光语音报警、环境监测、显示等系统,构建物联网技术下的施工安全综合监管应用平台,确保平安优质工程和为民工程建设顺利实施。