5G+泛无线融合技术在地铁施工人员定位中的研究

2024-02-27司福强

铁路通信信号工程技术 2024年2期

司福强

（北京中铁建电气化设计研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

随着中国物联网的蓬勃发展与日益增长和5G网络规模建设，5G网络的高宽带、少延时、稳定性高的优势，为业务开展提供了必要的网络支撑，并推动着业务的不断丰富。在地铁施工建设中，作业人员的活动中80%的时间都用在了地下活动，而室内的GPS、北斗信息服务还不能满足需求。同时随着国内城市轨道交通5G互联网的业务丰富发展，人员定位服务将是城市轨道行业”互联网+”行动计划以及地铁施工建设中必要的手段，如何在复杂的室内环境中为公众提供智能定位服务已成为业界的热点问题。本文关于在城市轨道交通地下场景中作业人员定位的方法，根据目前5G+泛无线融合技术进行研究分析。

2 地铁施工中人员定位的研究背景和意义

2.1 定位研究的背景

在城市轨道交通地下场景中，因为施工基本都是在地下，往往工作环境艰苦恶劣，工作人员众多，使施工单位面临非常大的管理困难。近年来，城市轨道交通安全事故时有发生，发生危险事故、造成人员伤亡后往往无法快速报警求救或自救，救援人员也无法精确获取施工现场人员的实时位置，发生人员伤亡时亦无法快速到达地点实施营救，使城市轨道交通施工安全生产、人员管理的需求更加迫切。综合来说，这种需求主要包括人员考勤、跟踪定位、灾后急救和日常管理。这些管理需求的实现，核心是对人员的实时跟踪定位。因此迫切地需要提供一种能够对地铁施工现场所有工作人员进行实时亚米级高精度位置数据定位的系统。

2.2 定位研究的意义

在城市轨道交通地下场景的应用中，建设前期搭建的定位系统，基本都是前期临时性投入，在选用定位技术中，要注意定位精度与成本之间的平衡，因此，在很多情形下，都不必选用较高精度或昂贵的系统。另外，为防止人员信息出现在无法预见的地方，必须继续研究位置智能的方法，对轨迹进行全面研究，进行系统的误差校准，从而达到提升定位精度的目的。5G网络为各种功能性业务提供必要的数据传输信道。目前，户外的服务大部分还是依靠卫星定位系统。GPS、北斗在户外定位系统中扮演了主要角色。但是，在地下环境和隧道场景，由于GPS卫星、北斗卫星信号遭到阻断，从而不能通过GPS、北斗定位系统定位，因此必须思考怎样解决在这种环境下的定位问题。目前，虽然有众多定位技术作为卫星定位系统的辅助和提高的技术，但不同技术间还缺少有机的、深入的技术融合，仅仅单一地解决了定位精度低或定位时间长的问题，综合、全面分层整合新的定位系统技术框架，才能够整合各类定位系统技术。但针对地铁施工中人员定位系统的迫切需求，目前有以下几种室内定位系统方法。不同的定位方法有其自身的优点，同时又有相应的不足之处。在选用适当的定位方法时，必须要考虑定位精度、时间、并发等因素，以及系统成本与效率。

3 5G+泛无线技术

3.1 泛无线网络的概念

泛在无线网络强调“无所不在”或“泛在”通信理念的特征正日渐清晰，“泛在”也成为了信息时代最主要的特点，泛在网络已作为信息社会的主要载体并开始形成对信息通信业的广泛共识。一般来说，它意味着“无处不在的网络”，即普遍存在的互联网。其特征为无所不在、包容、无所不能，从而达到了随时随地、任何人、任何事物之间的便捷沟通，即5G网络+泛在互联网=泛在通信网络。泛在无线网络主要包括种类，如图1所示。

图1 泛在无线网络主要类型Fig.1 Main types of ubiquitous wireless networks

3.1.1 Wi-Fi定位技术

目前，Wi-Fi是一项相对成熟且应用广泛的技术，近年来许多公司都在这一领域进行了投资。Wi-Fi定位可以大范围的定位，然而易受周围环境影响，定位精度低，只能达到2 m左右，因此不可能实现精确定位。

3.1.2 蓝牙信标技术

蓝牙定位技术与Wi-Fi差别不大，但其准确度略高于Wi-Fi。iBeacon蓝牙信标技术，通过蓝牙硬件、智能终端上的软件、云端上的软件后台，协同工作可以正常操作。终端通过测定其所在位置的接收信号频率，以估计与烽堠之间的距离。如果终端周围存在3个及以上，就能够利用三边定位技术测算出终端的距离。

3.1.3 RFID技术

RFID室内定位技术通过固定读卡器读取目标RFID标签的特征信息，并通过最近邻法、多边定位法、接收信号强度等方式计算标签的定位。RFID与室内位置技术作用距离非常近，而从它获取位置信号所需要的时间也非常短，仅需要几毫秒，但由于电磁场技术非视距等优势，传播范围也较大，而且标识的体积小，售价也比较低廉。但由于它不具备通讯能力，抗干扰能力很差，并不方便地集成在其他信息系统中，且应用的安全隐私保护技术和国际规范也都还没有完备。

3.1.4 超声波技术

超声波定位采用反射测距法进行定位。由一个主测距仪和几个接收机组成。主测距仪可以放置在被测目标上，接收机固定在室内环境中。在定位过程中，相同频率的信号传输到接收机，然后再反射和传播给主波测距仪。通过回波与发送信号之间的时间差测量位置，从而确认距离。其定位精度好，构造简洁，但受多径效应、无视线因素、频率受多普勒效应和环境温度变化的干扰。同时，它又需要大量的基本硬件设备，成本较高。

3.1.5 UWB定位技术

超宽带技术采用纳秒非正弦窄脉冲传输数据，具有频谱宽、时间分辨率高的特点。定高UWB系统可以在特定的室内环境中实现对定位目标的实时跟踪定位，并实时显示定位目标在空间的高度变化。具体对比如表1所示。

表1 各个定位技术性能对比Tab.1 Comparison of performance of various positioning technologies

3.2 各类定位技术性能对比

目前，各类定位技术各有优点，但又有一定的局限。在选用适当的定位技术时，必须综合考虑定位精度、延时和并发性等能力。同时，还应充分考虑设备的成本与功耗。对比情况如表2所示。

表2 各种融合方案对比Tab.2 Comparison of various fusion schemes

3.3 5G+泛无线融合

“5G+泛无线融合”体系主要包括设备级和管道级融合。利用5G基站的广泛部署，结合泛无线的室内技术，不管是从设备端或者是管道的传输进行集成，都将是一个“1＋1＞2”的强强联合。5G+泛无线融合网络，使网络部署更加灵活，维护更加方便，定位服务更加广泛。不同融合技术提供不同的定位精度。根据应用场景的特点，匹配出满足应用位置融合的最佳解决方案。表2对各类综合定位技术进行了比较，给出了推荐的应用场景，当然，最终选择的解决方案需要根据自身特点、定位精度和定位终端成本要求等因素综合考虑。

4 5G+泛无线融合室内定位方案

4.1 场景需求

城市轨道交通施工建设以往采用传统的管理方式，存在安全管理隐患大、无法有效监督和统计人员的到岗到位情况、高危作业场景或重点区域的监督防范的可靠性得不到切实保证、施工现场工器具管理粗放且存在到检未检的漏洞、外来车辆与人员缺少实时监控等诸多问题，因此需要借助高精度定位技术进行实时管理。但与此同时，铁路建设城市轨道交通地下作业场景不仅具有专业交叉严重、作业人员多、高遮挡等缺点，而且作业范围大、环境复杂，存在布线难、成本高等问题。

4.2 解决方案

针对上述需求现状，通过5G网络通讯和蓝牙高精度定位融合后，充分发挥运营商5G网络建设的规模优势，通过5G网络通讯、MEC边缘计算、切片能力为城市轨道交通地下施工场景提供一个虚拟无线专网，从终端到网络接入、施工现场应用等可以实现端到端的安全和高可靠性。同时，5G基站支持定位设备一体化部署，可以同时部署通信网络和定位网络两个网格。定位系统可充分利用5G基站的供电、传输等资源，以节省建设成本。

1）前端设备组成

前端设备主要由摄像机、蓝牙定位基站、5G专网基站（BBU＋RRU）、5G公网基站（BBU ＋RHUB ＋Pico）、5G用户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）组成。

5G CPE提供无线回传及接口，满足前端设备接入和数据无线传输需求。蓝牙定位基站提供高精度定位能力。5G基站提供蓝牙定位的数据回传通道。

公网摄像机与CPE利用以太网线连接，通过空口与公网Pico进行通信，数据通过公网BBU接入核心网，专网摄像机与CPE利用以太网线连接，通过空口与专网RRU进行通信，数据通过专网BBU接入核心网，同时专网摄像机可实现用户面数据下沉到专网UPF。业务网管可通过网页端输入摄像机IP地址查看前端图像。

蓝牙定位基站通过以太网线与POE交换机相连，并且下挂CPE，实现蓝牙基站定位信息通过空口与专网RRU进行通信，数据通过5G专网BBU接入核心网实现数据回传，将相关故障警告信息上报到服务器。

2）后端设备组成

后端设备主要由5G核心网、蓝牙定位服务器、业务网管组成。

5G核心网处理并转发基站提供的数据，蓝牙定位服务器部署蓝牙系统智能运维与管控软件，提供系统管控能力。

业务网管通过访问服务器，获取视频及定位数据，实现查看蓝牙基站位置及状态信息，完成维护操作。同时基于5G公专网回传的前端摄像机可以与蓝牙定位系统进行关联，实现定位与视频的联动监控。其组网架构如图2所示。

图2 5G融合蓝牙组网架构Fig.2 Networking architecture of 5G+Bluetooth fusion

3）定位精度计算方法

对于二维定位，人员真实位置坐标记为（x0，y0），系统定位的坐标记为（x，y），单点单次定位误差计算方法如公式（1）所示。

假设在一个位置定位N次，第i次得到的人员位置坐标记为（xi，yi），i＝1, 2, 3…N，该人员的定位精度计算方式如公式（2）所示。

通过将蓝牙定位技术与5G融合应用，实现对城市轨道交通地下施工人员、车辆、工具等的实时定位，并将位置数据实时地将人、车、物的位置信息显示在项目指挥中心，并结合电子围栏、应急救援、智能调度等功能，实时定位产生的位置首先能直观地显示各类元素的位置，方便施工企业管理者对各类生产元素的监督。融合定位系统开放位置API接口，可考虑与已有系统进行无缝对接，实现施工区域运行管理、高风险运行监控、值班管理、检验过程管理、工具管理、车辆实时跟踪监控的智能化和精确化控制，如图3所示。