融合定位技术在智慧工地管理中的应用

胡建华

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引 言

安全生产是无数企业共有的企业文化，建筑工地危险源多、危险面广、设备众多，现场情况复杂，潜在危险点多，目前无法掌控人员实时分布情况，难以实现合理有效的管理调度；没法进行区域管控，阻止非授权人员进入特定区域；没法在紧急情况下让救援人员第一时间掌握遇险人员分布详情；无法通过历史数据优化生产流程与管理，达到减员增效的目的。虽然当前的智慧工地大部分区域都覆盖了视频监控，但单纯依赖摄像头，管理员在面对成百上千个监控画面时，难以确保第一时间发现异常，把意外消灭在萌芽状态。像这些关键数据获取、巡更管理、资源调配、应急救援等均缺乏数字化、可视化的融合展示管理平台，缺少对人、车、物的活动轨迹记录，缺乏数据支撑，不利于事件追溯，而当前的实时定位手段单一，不能满足建筑行业不同场景的需求，缺乏定制化的解决方案。

基于以上难点设计出一套融合定位技术，系统架构如图1所示。该技术集北斗定位技术、UWB定位技术、蓝牙定位技术、LoRa传输技术、北斗短报文传输技术、多引擎多线程等平台支撑技术于一身，为应用层提供位置呈现和位置搜索等服务，并统一管理空间数据，实现多定位技术融合、室内外位置服务融合、多维度空间数据融合。

1 融合定位技术简介

该方案基于融合定位技术和三维实时展示技术，实现对人员、物资、车辆的可视化、精细化、智能化管理，能够与视频监控、智能广播和门禁系统实现联动，提升安全管理水平，提高事前预警、事中定位、事后追踪的能力，保障施工安全有序。利用IOT技术，将智慧工地数据集成到统一的平台，为项目管理层的决策提供支持。与现有定位技术相比，融合定位技术解决方案高度模块化可支持高度差异化场景应用，满足不同需求，三重定位模式可实现无缝切换，重点区域定位精度达到0.3～1 m，普通区域定位精度达到2～5 m，同时具有成本低、施工便捷、定位精度高的特点。融合定位技术在定位功耗、定位精度和施工难度之间找到一个最佳平衡点，基于以上定位技术实现多场景（人、车辆、物资）下数字化智能应用，最终通过三维展示技术构建融合定位应用平台，实现对人员、物资的实时动态监测预警，消除人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全因素，提升生产安全管理水平，降低安全风险。

融合定位技术中的北斗定位技术可提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。通过部署地基增强实现1 m以内的RTK定位精度。蓝牙定位技术的定位精度较高，定位方式多样，功耗低，成本低，可部署在空旷区域，信标间隔10米，定位精度2～5 m。UWB定位技术的定位精度高，抗干扰能力强，但成本较高。部署在施工人员密集的区域，信标间隔20米，定位精度0.3～1 m，LoRa传输技术覆盖广（15 km），功耗低（1.7 mA/14 mA），穿透力强。部署在施工人员密集的区域，保证信号覆盖整个施工区。

图1 系统架构图

1.1 蓝牙定位技术

蓝牙定位技术通过接收信号强度（Received Signal Strength, RSS）计算得出终端到多个定位节点的距离，并以已知节点位置为圆心，终端与节点的距离为半径形成圆形，多个圆的交点就是终端位置，如图2所示。

图2 基于距离的定位原理

终端到基站的距离解算方程组公式为：

其中，R为第个基站到终端的距离，（X，Y）为第个基站的坐标。基于场强进行距离估计时，当终端距离定位基站较近时，信号强度对应的距离分辨率较好，精度较高；当终端距离定位基站较远时，信号强度对应的距离分辨率较差，精度较低。通常，当定位精度要求在2～3 m时，定位节点部署间距要求在6～8 m。蓝牙信号监测数据表如表1所示。

表1 蓝牙信号监测数据表

1.2 UWB定位技术

UWB定位技术分为三种，分别为TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角度或称为DOA估计）定位技术，融合定位技术采用的定位模式为TOA，其定位原理如图3所示，即通过测量移动终端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位，它采用圆周定位，将信号回传和定位信号相分离，定位辅助信号采用UWB信标方式部署能采用电池供电，终端通过信标定位并通过通信基站回传，通信基站收集终端定位数据并将数据传输至开放平台，开放平台接收数据后通过定位引擎进行实时位置解算，实现了蓝牙定位免布线的优势。

图3 TOA定位原理

1.3 技术对比

通过以上技术分析可形成简要技术对比表格，如表1所示。

2 融合定位技术方案

2.1 存在性和普通定位技术方案

基于蓝牙定位技术的人员定位是一种实时定位，可以实现电子围栏、历史轨迹、精准查询等功能，蓝牙定位技术具有成本低、免布线等特点。蓝牙定位还可以与北斗定位相结合，定位终端内置北斗定位芯片和蓝牙芯片，实现厂区室内外一体化定位解决方案。蓝牙定位技术的出现，使普通的智能设备也具有了定位功能。施工场地的施工人员众多，难以实现高效管理、快速调度。设备、物资存放分散，难以实现快速定位货物、统计库存、责任到人。难以实现对高危区域的有效监管和区域界定。在施工现场布设蓝牙网关和蓝牙信标，通过施工作业人员配备的定位工卡或安全帽等终端，与蓝牙信标通信确定实际的相对位置，最终将位置信息通过蓝牙网将信号数据回传至服务器，这样就实现了对施工人员的实时定位，不仅能起到监督工作的效果，还能时刻关注到工人的安全。蓝牙无线定位系统在需要定位的应用场景内布设分布式蓝牙信标，形成无线定位环境，为人员或物品佩戴定位器，实现对现场人员、车辆、重要物资以及现场作业的全方位可视化管理，从而有效提升安全管理水平。蓝牙定位的优势在于定位精度基本满足业务需求，具有定位成本低、功耗低、施工安全风险低等特点。

表1 定位技术对比

2.2 精确定位技术方案

UWB超宽带技术是一种基于极窄脉冲的无线技术，具有传输速率高、发射功率低、抗多径效果好、安全性高、穿透能力强等优点。UWB定位精度高，可以做到亚米级，在较好的环境下可以做到5厘米甚至更高的定位精度，并且设备功耗很小，在有线环境下标签为800 mAh的锂电池可以连续使用几个月，在信标方案部署下标签为800 mAh的锂电池可以连续使用半个月。信标部署方案融合了蓝牙定位部署的优点，具有低成本的优势。UWB抗干扰能力强，UWB定位采用时间间隔极短的脉冲进行通信，具有较强的抗干扰能力。

3 融合定位技术应用

利用融合定位技术将现场人员的实时位置信息显示出来并记录其行动轨迹，对其工作进行量化管理，提高其工作效率。定位系统具有定位准确、连续工作时间长、易使用、易维护、无需额外部署定位基站、网络设施等优点，更适用于复杂的工地环境。有突发情况发生时，救援人员可根据该系统的高定位精度来判断相关人员的所在位置，及时采取相应的救援措施，提高救援工作的效率。这个功能的日渐完善在很大程度上提高了工地的安全性，进一步加强了管理者对现场情况的控制。定位系统以定位终端标记来访人员信息，将来访人员位置、业务状态影像等信息以数据形式集成到访客定位管控平台，全面记录和直观展现院内所有人员的一举一动。人员定位管理系统不仅可以实时查看人员的当前位置，统计各区域人数，还可以关联安防系统中的摄像头，若有人进入非授权区域或某个场所来访人数突然增加，系统会自动报警，主动显示相关区域视频。在智慧工地中融合定位系统可实时获取特定区域人员和车辆详细信息及分布情况，对人员串岗、睡岗、脱岗及车辆违规停放行为进行管理。对外包人员、临时访客及外来车辆进行有效管理，如限制工作区域或访问区域，限制进入时段等。通过巡更人员定位实现自动化巡更管理，对巡更路线及巡更报表有据可查，提升安全管理水平。同时系统可联动鹰眼视频监控，实现实时定位追踪，对定位对象进行可视化的管理。联动智能广播系统，实现精准化区域广播，提高应急响应能力。事故发生后，启用双向报警及下发消息的功能，迅速确定人员位置，及时制定有效的救援方案，保障员工的生命安全。对移动吊车、塔吊等危险性区域进行实时监测，实现避碰及警戒区报警，塔吊防超载防倾翻并进行吊装过程分析。通过二维或三维模型形成数据集成载体的显示平台，对人员、车辆、重点物资进行可视化管理。实时展示区域可实现对模块化产品、人车物状态、告警、数据等信息的自由组合展示，最终通过三维地图的可视化综合展示和管理方案，实现安全智能预警和安全风险管控“一张图”，展示效果如图4所示。

4 结 论

融合人员定位系统补足了现有项目管理的薄弱环节和存在的安全风险，提高项目决策管理的及时性和准确性，提升施工的智能化水平和运行效率，为项目的安全稳定运行提供有力的保障。使用人员定位系统方便管理人员管理各个不同区域、不同作业面、施工人员的实际情况，满足施工管理模式要求。融合定位系统是互联网+物联网在建设工程领域的具体体现，通过应用平台实现对人员、物资的实时管控，通过系统联动和智能分析达到预警的作用，真正做到事前预警、事中常态检测、事后规范管理，实现更安全、更高效、更精益的工地施工管理，增强建筑工程安全生产的感知、监测、预警、处理和评估能力，提升应急管理体系和能力现代化，真正解决建设工程中出现的监管薄弱、人员管控难等问题，所以融合定位技术未来必将成为项目建设管理方不可或缺的选择。

图4 系统主界面