基于基站定位技术的工地现场人员定位报警方法研究

文／顾远辉、刘宇、王帅 中建八局第二建设有限公司 山东济南 250000

引言：

依据不同的通讯技术，基站定位有不同的定位精度，比如4G 基站定位精度大约在10 米，5G 基站定位精度大约在5 米。相比于其他定位技术，基站定位的精度较差。当前，在新冠疫情下，工地经常是疫情爆发点，常用的疫情监控解决方案是，在地图上对工地现场划定电子围栏，使用手机设备对建筑工人进行基站定位（多数建筑工人的手机不具备GPS 模块），对电子围栏范围外的工人进行报警[1]。但是由于基站定位的精度不高，造成很多误报与漏报。本发明的目的是通过历史数据和运行速度对实时点位的经纬度进行预测，使用预测后的经纬度数据去检测是否超出电子围栏范围，从而减少误报和漏报问题。

1.工地施工现场定位特点

工地施工人员基站定位系统的无线通信设计一定要实现和施工公司特殊环境相符，并满足相应的施工要求。其中工地施工现场传输环境复杂。工地施工现场并非自由空间，电磁波在工地现场传输中也存在有根本性制约。施工现场也存在有各种阻挡体、有拐弯和分支、油门密封区域等等，这些均会对信息传输质量产生影响。电磁波不但可能会被吸收，也可能会频繁发生反射和散射情况，导致信号在传输过程中出现多径效应[2]。基站获取信息过程中，会同时接收到不同的反射和散射信号，信号之间存在有相干关系，如果施工现场环境恶劣，会存在严重的干扰作用，无法及时获取有用信息，也就导致在工地现场无法实现电磁波的远距离传播。因此在工地施工通信设备选择中，主要要求为：第一，设备体积小。工地施工现场存在各种限制因素，安装无线通信设备的时候存在一定限制，基站天线体积也不能够过大，所以在移动台选择中需要合理设置设备体积以及重量。施工人员手机则是一个不错的选择，现在大部分施工人员均配备有手机，但是部分手机不具备定位功能，基于此可以尽可能确保每个施工人员手机可以提供定位服务，进而为施工人员定位预测提供便利；第二，发射功率小。在工地施工安全施工电气设备要求中，需要确保最大输出功率在25W 以下，所以移动通信设备不能因为想要加大传输距离，而盲目的提升设备发射功率；第三，抗干扰能力强。工地现场相对电气设备较为集中，且也存在部分大功率机电设备，在其启动和关闭中对于通信设备存在比较大的干扰作用，所以通信设备一定要具备比较强的抗干扰能力。

2.基站定位预测的必要性

基站定位预测技术在应用中，可以为工程建设安全提供有效保障，通过这一技术构建管控数据库，可以实现工地管控全过程的移动互联，以此为工地现场管控状态的可感知性和信息化提供保障，有助于显著提升工地疫情管控能力，保障工地现场安全[3]。其中基站定位预测必要性主要体现在：

2.1 顺应时代发展需求，建立智能化信息化管理系统

在新时代互联网技术发展环境下，积极响应工地建设智能化发展需求，促进工地全过程管控建设发展，可以在云计算、大数据以及基站定位等技术的应用下，建造工地“智能+”管控服务，通过互联网信息技术的应用进一步提升管控工作质量，为工地现场施工安全性提供保障。

2.2 打破工地现场区域限制，保障工地现场有效管控

在工地施工现场，存在一定的区域分割，想要实现信息实时、无障碍沟通，及时掌握施工现场所有人员情况，提升工地现场施工安全性，也就可以强化基站定位预测技术应用，针对工地施工人员实施有效管理，实施反馈工地施工人员施工状态和所在位置，以便于发现异常情况，及时定位施工人员位置，有效保障施工人员人身安全。基站定位技术在应用中成本低，便于操作，可以为工地现场人员管理提供有效保障。

2.3 提升施工人员履职能力，保障工程管控质量

因为工程项目通常工期较长，工地施工现场面积较大，为便于日常管控，施工人员也需要长期居住在工地，或者是在管理过程在施工现场聘用部分施工人员，此情况下会导致无法及时管控施工人员到岗到位情况，容易发生空岗、漏岗情况，进而影响到施工现场施工质量和效率，无法保障施工人员的履职尽责。因此在基站定位预测技术的应用下，也可以对施工人员实施管控，以此保障施工人员及时到位到岗，以此为施工现场施工质量以及效率提供有效保障。

3.工地现场基站定位预测算法

算法整体流程如下：

步骤1：手机软件使用基站定位技术获取时刻T 建筑工人的人员编号ID、经度LONGT、纬度LATT、unix 时间戳T（从1970年1月1日，即UTC/GMT 的午夜开始所经过的秒数）、瞬时速度值ST。

步骤2：手机软件将时刻T 的数据ID、LONGT、LATT、T、ST传输给后台服务器程序。后台服务器程序根据人员编号ID，提取出历史unix 时间戳和速度数据[(TT-n,ST-n), (TT-n-1,ST-n-1),……, (TT-2,ST-2) ,(TT-1,ST-1)]服务器端运行本发明算法，得出T 时刻的预测经纬度Predict-LONGT，Predict-LATT。

步骤3：根据预测后的经纬度，判断该点位是否超出电子围栏，超出进行报警[4]。

其中步骤2 中的预测算法流程如下：

（1）设定工地人员运行速度范围[0-20]km/h（工地现场主要通行方式是步行、电动车、汽车，步行速度一般在4km/h-6km/h，电动车速度一般在10km/h-15km/h，汽车速度一般在20km/h 以下）。

（2）对历史数据进行清洗，将不在此范围内的数据进行剔除，自T 时刻开始向前选取100 组数据，不足100 组按实际数据量计算。

（3）取历史数据中时间戳距离最远的点作为时间零点，历史数据中每一组数据的时间取本次时间戳减去零点时间戳的差值，并将单位换算为秒。

（4）对清洗后的历史数据使用多项式拟合（工地现场人员以步行、电动车、汽车、施工车辆为主要交通工具，但各类交通工具在工地现场基本都是低速、匀速或缓慢加速状态，因此曲线是介于[0,20]km/h 之间的平滑曲线），生成预测模型[5]，具体步骤如下：

对于给定的数据点(Ti,Si)，i=1,2,……,n，n＜=100求做5 次多项式(考虑到实际使用中可承受的计算量负载，本模型假设为5 次多项式)。

Si= a0Ti5+a1Ti4+a2Ti3+a3Ti2+a4Ti1+a5

通过最小二乘法拟合此多项式，计算出（a0,a1,a2,a3,a4,a5）

（5）使用模型预测当前时刻运行速度Predict-ST。

（6）使用Haversine 公式计算T 时刻点位(LONGT，LATT)和T-1 时刻点位(LONGT-1，LATT-1)的距离d。计算公式如下：

R 为地球半径，可取平均值6371km；

φ1，φ2表示两点的纬度；

Δλ 表示两点经度的差值；

（7）根据预测运行速度计算修正距离Predict-d，公式如下：

如果Predict-ST＞= ST

Predict-d = d＊(1+Predict-ST/ ST)

如果 Predict-ST＜ ST

Predict-d = d＊(1-Predict-ST/ ST)

（8）根据(LONGT、LATT)和(LONGT-1、LATT-1)计算两个点之间的方位角a，计算公式如下：

a=arcsin(( LONGT- LONGT-1)＊ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360/d)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

（9）计算预测后的经纬度坐标Predict- LONGT，Predict- LATT，并将预测后的坐标返还给调用方。Predict- LONGT，Predict- LATT具体计算公式如下：

Predict- LONGT= LONGT-1+ Predict-d ＊ sin(a)/(ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360)

Predict- LATT= LATT-1+ Predict-d ＊ cos(a)/(ARC＊2π/360)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

4.工地现场基站定位管理系统设计和预测功能实现

4.1 工地现场基站定位管理系统设计

4.1.1 硬件设计

硬件部分主要包括有三个，功能主要为：

（1）采集应用层，主要可以将其分成两部分，分别为采集和应用部分。其中在采集部分主要是在设备的应用下实时获取相关基站信息，对当前施工人员位置信息进行计算，且能够在网络的应用下将相关信息实时传输到服务器。

（2）传输分析层，主要可以将其分成两部分，分别为传输和分析。其中传输是在工地现场互联网以及运营上通信网络即可以实施信息传输。分析是在公司监控服务器的应用下实现相关数据分析；

（3）监控应用层，这一层功能实现主要是通过公司监控显示屏以及监控服务器实现，对于施工人员位置信息可以在显示屏地图上动态显示出来，对于工地施工人员的管控数据可以在服务器的应用下实施智能收集，实现对施工履职记录的留存管理。

4.1.2 软件设计

智能定位系统依照信息网络实施安全架构，在其软件部分设计过程中，主要其中分成三类，分别为第一类面向公司管理人员；第二类，面向施工项目部管理人员；第三类面向现场施工人员。其中在采集应用层面向第二类和第三类用户情况下，主要是实现针对整个工程项目的管控和施工人员个人管控。整体管控中，即为第二类用户在工地开工之前，可以将相关信息提前录入数据库，以能够为工程管理数据库建立提供相应的基础数据；施工人员个人管控即为第三类用户结合工程安全质量控制要求，并和实际工程进度相结合，通过自己的手机设备提前将个人位置、施工内容以及日期等基本信息上传到系统，且在规定时间内按时到岗到位，在工作中及时进行签到、签退以及拍照等操作。

传输分析层主要即为数据库，针对所采集到的工程现场、现场环境数据以及施工人员信息叠加，即可以实施数据分析。在此过程中主要信息为工程管理项目库、相关施工人员信息库等。其中人员动态信息库主要包括有施工人员姓名、身份信息、岗位以及人员图片信息等，以此便于实现对于公司各级人员的统一管理。

监控应用层为第一类用户，可以将整个工地地区信息智能展示出来，将工地现场施工人员到岗情况实现动态显示，且专门设置有公司系统管理员权限，可以依照自身需求进行菜单、操作功能权限管理。

4.2 工地现场定位预测功能实现

4.2.1 实时定位工地现场施工人员

工地现场施工人员需要在规定时间内按时到岗，完成相应的签到、签退以及拍照等操作。通过手中的手机设备会实施将相关数据传输到系统的监控应用层，且在监控地区中动态显示出来。如果工程施工中，是在没有运营商网络的工程现场，也按时采集施工人员定位信息，且将其在手机数据库中实施存储，在施工人员运动到有网络或者网络信号较好区域后，接入网络也就可以实施数据传输[6]。

针对工程延迟或请假的施工人员，可以在计划外操作或请假审批、工作交接方式的应用下，自动记录无故不到岗施工人员，即为缺勤。在系统应用下可以将现场施工人员到岗到位和履职情况转化为统计表格，为施工人员绩效考核提供重要参考依据。

4.2.2 施工人员轨迹管理

通过GPS 芯片或设备可以实现对基站信号的及时接收，定位当前施工人员的位置信息，且可以迅速将所获取的信息动态传输到监控服务器，服务器端在获取施工人员位置信息后，会将其智能保留一定时间，同时也能够建立施工人员位置信息数据库。在针对以上相关信息实施分析、挖掘处理后，即可以实现对施工人员活动轨迹的掌握，通过地区将其运行轨迹显示出来，以此技术获取施工人员运行轨迹或者对其行为实施约束，保障施工人员履职的合理化目的。

4.2.3 工地地区展示

在施工人员定位预测中，也可以实现对工程实施整体管控，将整个工地在监控显示屏上实施智能化显示，实现针对整个工地围墙范围、区域划分的整体性以及动态化展示，与之同时也可以全面站施工地线路路径走向以及作业位置等。另外公司管理人员也可在基站定位技术的应用下，跟着定位导航直接到工地现场施工人员位置。

4.2.4 施工履职记录

针对施工人员施工和巡视过程中发现的问题实施记录，且能够对施工人员施工记录实施留存，所获取的信息能够生成统计表格，不管是施工内容，还是发现的问题及工地现场整改情况，均可以实施定期共享，进而积累丰富的施工工作经验，以此进一步提升工地现场施工工作能力。

5.实验

（1）设定人员运行速度数据有效范围是[0,20]km/h，划定电子围栏四个点位点1（36.658022588860135,117.06813454627991）、点2（36.65805701611133,117.06478714942932）、点3（36.65482078720795,117.06473350524902）、点4（36.65485521589088,117.06822037696838）。

（2）基站定位软件收集数据，并将数据（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724 405288696，T=1654494418481，S=8 km/h） 发送到后台服务器程序。

（3）服务器程序接收到数据后，根据ID 查询历史数据，取最近的100 条有效数据（根据（1）中的有效范围进行清洗，如果不够100 条数据则以实际条数为准）。时刻T 修改为该组数据中时间戳距离零点时间戳的秒数。例如：零点数据为（1654494318763,4.6），则（2）中数据修改为（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724405288696，T=100，S=8 km/h）。

（4）根据取出的100 条有效数据，对速度、时间关系进行建模，根据模型预测T=100 时刻的速度为 4.5 km/h，实际测得速度为S=8 km/h，因此根据预测速度跟实际速度的比例，预测定位软件上传的经纬度（LONG，LAT），调整后的经纬度为（36.65779881135225, 11 7.06704020500183），进一步计算后，调整后的经纬度在电子围栏内部，因此不需要发送报警。

结语：

本发明通过基站定位历史数据建立运行速度预测模型，并对下一时刻的速度进行预测，根据预测速度和实际速度之间的比例，修正实际检测到的坐标位置，降低了基站定位精度差所导致的高误报率。在工地现场人员定位报警应用中，可以实现对应用需求的满足，一旦出现新冠疫情，不但可以迅速定位相关人员实时位置，也可以对其运行轨迹进行收集，进而强化疫情管控，降低疫情爆发发生率，有效控制工地现场疫情爆发点，实施良好的工地现场疫情控制。