基于5G及蓝牙定位的地铁施工临时通信技术研究

2022-09-30张望

铁道建筑技术 2022年9期

张望

(中铁建电气化局集团第三工程有限公司河北高碑店 074000)

1 引言

在地铁隧道施工过程中，由于施工环境的特殊性，涉及专业多，现场照明不足，网络覆盖质量差，工人交叉施工情况严重，现场作业人员安全无法有效得到保障，施工安全受到潜在威胁，现场一旦发生相关安全情况，如果不能在第一时间确定其位置及状态，给应急救援增加了很大挑战。指挥中心与施工现场实时沟通，受限于环境(没有无线信号覆盖等)，所以沟通的方式只能使用有线的方式。通常选择敷设光纤，高带宽特性，有效解决电话、音频广播、视频监控等业务应用。

但有线通信本身的局限性，使得通信方式不灵活，且不具备广泛性，应用场景受限，制约着施工现场现代化发展需要，特别是在事故发生阶段不能提供可靠的应急抢险信息通道，网络建成后重复利用的可能性低，造成投资浪费。

2 蓝牙信号源定位基本算法

2.1 基于信号到达时间的定位算法

基于到达时间的定位算法是指通过测量天线间直达波的传播时间来完成测距，同时利用相关算法来实现隧道内定位的一种方法[1]。该算法较为直观，容易理解，因此在定位中应用较为广泛，是最经典的定位算法之一。但对测量时间同步有较高的需求，硬件实现成本过高，无法大规模普及。其原理是基站与终端之间进行通信，通过发射和采集信号的时间来计算距离[2]。

假设有3个基站(P1，P2，P3)分别发射信号，终端(MS)接收信号，假设MS与Pi的距离为di，则di的计算公式为:

式中，to为信号从终端发出的时间；ti为基站接收信号的时间；c为信号传播速度。

设基站坐标为Pi(x1，y1)，移动终端位置 MS(xn，yn)，则:

可得出移动终端位置MS(xn，yn)为:

2.2 基于信号到达时间差的定位算法

信号到达时间差的定位算法相对于信号到达时间算法有了相对的改进优化[3]。该算法通过计算信号到达参考节点(两个)的时间差来确定位置关系，然后借助双曲线原理计算出定位终端的位置进行定位[4-5]。此算法误差小，具有较高的定位精度，是一种相对稳定的定位算法。但若对定位精度有更为精细的需求，则对硬件的需求更高。

设 2 个基站坐标为P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)，终端位置 MS(xn，yn)，根据三个基站到终端的距离d1、d2、d3，基站与基站间的距离d21、d31、d23可以算出终端位置MS(xn，yn)，公式如下所示:

2.3 基于信号到达角度的定位算法

该算法是通过可以测算信号角度的移动终端接收已经布好的基站发射的信号，根据基站位置和移动终端位置接收到的信号角度，通过三角函数计算得到终端位置的一种方法[6]。该方法原理简单，部署比较方便。

设 2 个基站坐标为P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，终端位置MS(xn，yn)，信号接收角α、β则:

3 基于5G及蓝牙定位的地铁施工临时通信系统

3.1 系统概述

通过隧道内蓝牙信号源定位算法计算，在地铁隧道施工的目标监测区域部署多个蓝牙定位微基站，其中，每个蓝牙定位微基站与pRRU(Radio Remote Unit，射频拉远单元)的POE接口连接，pRRU连接pBridge，pBridge连接 BBU，BBU分别与5G网络连接和定位服务器连接，每个蓝牙定位微基站获取目标监测区域内的定位标签信号，将定位标签信号通过5G网络发送给定位服务器对定位标签信号进行处理，得到目标监测区域内的标签名称和标签位置，基于标签名称和标签位置进行处理，生成处理结果并显示。由此，利用5G大带宽实现施工人员及设备的临时通信功能、施工过程中存在的各种通信需求，大幅提升施工效率，并且通过网线POE供电可以避免传统蓝牙定位定期更换电池的运维需求。

此外，可以调整蓝牙定位微基站部署密度，提升整体的蓝牙定位精度。与视频监控联动，实时显示人员定位图像，进一步满足地铁施工临时通信需求，从而提升地铁施工场景下的安全需求[7-8]。

图1为地铁施工临时通信处理系统示意图。其中，每个蓝牙定位微基站100与pRRU200的POE201接口连接，pRRU200连接pBridge300，pBridge300连接BBU400，BBU400分别与5G网络600连接和定位服务器700连接。

另外，该系统中定位服务器700通过目标接口连接视频硬盘录像机800，视频硬盘录像机800连接多个摄像机900。

定位微基站通过pRRU供电，蓝牙定位微基站100与pRRU的POE接口通过UTP双绞线连接。此外，蓝牙定位微基站100有级联口，可以将数个蓝牙定位微基站100同时连接。在本系统中，蓝牙定位微基站100部署密度，一般不超过3个，蓝牙定位微基站100间距一般不超过25 m，即最远设备(蓝牙定位微基站)离pRRU200距离一般不超过75 m。pRRU200通过光电复合缆连接 pBridge300，一个pBridge300可连接多个pRRU200。pBridge300通过光纤连接 BBU400，一个 BBU400可连接多个pBridge300，BBU400通过光纤将数据回传至定位服务器700。

3.2 具体实施过程

图2为地铁施工临时通信处理方法的流程示意图。由地铁施工临时通信处理装置执行，其中该装置可以采用软件或硬件实现，一般可集成在电子设备中[9]。方案执行过程如下:

图2 地铁施工临时通信处理方法的流程示意

(1)步骤一:每个蓝牙定位微基站获取目标监测区域内的定位标签信号，并将定位标签信号通过5G网络发送给定位服务器。

目标监测区域可以为一个或者多个，比如目标监测区域为地铁站厅区域、地铁站台区域和隧道区域。

在地铁施工过程中，施工工人佩戴具有蓝牙功能的定位标签，定位标签具有对应的电子名称，电子名称能够唯一标识一位施工工人，定位标签能够与蓝牙定位微基站建立连接并进行通信。如果目标监测区域内的定位标签是移动的，以及目标监测区域内的定位标签数量也是随时可以更新的，从而定位标签可以与任一蓝牙定位微基站断开旧的通信连接，并与其他任一蓝牙定位微基站建立新的通信连接。或者在定位标签与蓝牙定位微基站建立通信连接后，蓝牙定位微基站可以获取定位标签发出的定位标签信号，并将定位标签信号通过5G网络发送给定位服务器。

5G网络连接BBU为蓝牙定位微基站提供5G网络，蓝牙定位微基站将定位标签信号通过pRRU发送给 pBridge，pBridge将定位标签信号发送给BBU，BBU将定位标签信号发送给定位服务器。

(2)步骤二:定位服务器对定位标签信号进行处理，得到目标监测区域内的标签名称和标签位置。

定位服务器上部署定位解算引擎，将蓝牙定位微基站回传定位标签信号进行数据清洗，数据清洗需要通过位置结算引擎来进行，然后再根据不同的定位算法，解算出标签位置。可以更充分利用部署平台所提供的高性能计算资源、存储和容量以及处理数据的能力，发挥其5G网路高速率、低时延、大数据链接能力的技术优势，进而显著提升其网络整体利用的效率性能和业务增值价值。

数据清洗的结果质量直接关系到后续处理结果的精确性，其中预处理阶段主要做两件事情:一是将数据导入处理工具；二是看经过处理工具的数据。普遍学习的是包含两大部分:第一个是看原始数据，包括该数据的解释、来源以及代码表等一切可以对数据进行解释和描述的信息；二是抽取的数据，通过人工的查看方式，对抽取出来的数据有一个较为直观的了解，然后从中先进一步地发现一些初步问题，做好之后的数据清洗处理准备工作。数据清洗有以下步骤:步骤一，对缺失值进行清洗；步骤二，格式内容清洗；步骤三，逻辑错误清洗，包含去重，去除不合理值，修正矛盾内容；步骤四，非需求数据清洗；步骤五，关联性验证[10]。其中，定位标签信号包括标签名称，通过标签名称唯一标识一个定位标签信号，从而唯一标识一个标签位置。标签位置指的是佩戴该定位标签的用户在目标监测区域内的具体位置坐标。

在实施过程中，定位服务器对定位标签信号进行处理，得到标签名称和标签位置的方式有很多种，在一种可选方式中，定位标签向蓝牙定位微基站发射寻向讯号，而这种利用蓝牙定位微基站作为信号接收端口的装置一般会往内部加建一个天线阵列，当蓝牙定位标签信号通过微基站时，会以上述阵列中获取到的不同距离，计算得出相位差，从而得到相对的信号方向。得到标签名称、标签位置；在另一种可选方式中，由已经在固定位置上且已经具备天线阵列模块的蓝牙定位微基站来发射信号，将该信号直接传递给定位标签，定位标签便可以通过所接收来的信号经过计算得出的波方向，通过该波方向来进行进一步定位。在另一种可选方式中，通过预先将所有参考点(蓝牙定位微基站)之间时钟同步，未知点(定位标签)发出信号，不同参考点(蓝牙定位微基站)在不同时刻接收到该信号，选取某参考点(蓝牙定位微基站)接收到信号的时刻作为基准，其他参考点(蓝牙定位微基站)收到信号的时刻减去该基准得到定位信号到达时间差；根据未知点(定位标签)与两个参考点(蓝牙定位微基站)之间的到达时间差可以建立一条双曲线，实现二维定位需要至少三个参考点(蓝牙定位微基站)建立一组双曲线方程求解得到为支点的位置估算[11-12]。

(3)步骤三:基于标签名称和标签位置进行处理，生成处理结果并显示。

基于标签名称和标签位置进行处理，生成处理结果并显示的方式有很多种，在实施过程中，分析标签位置是否属于预设的限制区域；其中，限制区域小于目标监测区域，在标签位置属于预设的限制区域的情况下，生成包括标签名称的提示信息并显示。或对目标监测区域内所有标签名称和标签位置进行统计，得到统计结果并显示。

定位服务器对定位标签信号进行处理，得到标签名称和标签位置，包括:基于定位标签信号，得到标签名称以及标签名称对应的相位差，基于标签名称的相位差进行计算，得到标签位置。

将标签名称和标签位置发送至监控显示设备显示。分析标签位置是否属于预设的限制区域；其中，限制区域小于目标监测区域，标签位置属于预设的限制区域的情况下，生成包括标签名称的提示信息并显示。

对目标监测区域内所有标签名称和标签位置进行统计，得到统计结果并显示。

地铁施工临时通信处理方法除了可以实时定位外，还能够实现历史轨迹回放、电子围栏、报警管理、资产盘点、巡检管理、电子点名、访客管理、视频联动和权限管理等功能。比如区域统计，使用区域统计功能，可以规划区域快速查看区域内的标签数量和标签名称。

定位服务器通过目标接口连接视频硬盘录像机，视频硬盘录像机连接多个摄像机，方法还包括:每个摄像机获取拍摄图像发送给定位服务器，定位服务器对标签位置对应的拍摄图像进行识别，得到标签位置对应的行为识别结果。具体地，依托5G基站设备集成蓝牙定位微基站，为地铁隧道内部施工提供人员的定位通信技术，在特定的区域基于用户位置信息通过人工智能识别人员行为。

蓝牙定位微基站具有级联网口，连接预设数量蓝牙定位微基站，任意两个蓝牙定位微基站之间距离小于预设的第一距离阈值，蓝牙定位微基站与所述pRRU的最大距离小于预设的第二距离阈值。其中，第一距离阈值和第二距离阈值根据应用场景选择设置，调整蓝牙定位微基站部署密度，有效提升整体的蓝牙定位精度。

4 地铁施工临时通信系统场景

针对现在地铁施工阶段的站厅、站台及隧道内无法进行通讯、人员定位、视频监控等的问题，在地铁施工中站台、站厅区、隧道内，部署两张网络，搭建5G公网通讯网，结合当地运营商，采用BBU＋pBridge＋pRRU通信方式在站厅、站台区、隧道内部署pRRU进行5G网络覆盖；搭建蓝牙定位网络，通过已在站厅、站台区、隧道内部署5G网络中的pRRU结合定位精度要求，在以上区域部署蓝牙定位微基站与视频摄像头如图3所示。

图3 地铁施工场景应用

由此，利用5G大带宽满足实时回传功能，实现施工人员及设备的通话、视频、监控、定位等临时通信功能，可大幅提升施工效率，也解决了施工过程中存在的各种通信需求，同时若发生安全问题也能为搜救提供相应人员位置信息，为抢救提供了宝贵时间。本应用利用5G基站设备集成蓝牙5.1通信模组，其中，5G基站搭建流畅的网络环境；其次，通过在5G基站的射频pRRU硬件上创新的融合多个蓝牙定位微基站实现所有蓝牙定位的数据通过数据包进行传输，保证了传输数据的通用性，且同时通过网线POE供电可以避免传统的蓝牙定位的定期更换电池的运维需求。基于RRU引出多个蓝牙定位微基站实现定位，还可通过增加蓝牙定位微基站部署密度，有效提升整体的蓝牙定位精度；与此同时，蓝牙定位通过与视频监控联动，实时显示人员定位图像，并通过5G网络将人员定位、图像等信息上传至指挥部定位管理平台。