GIS 技術在UWB 基站可視化模式監測中的應用

戴建煒，楊青，左天才，劉正春，劉常茂

（烏江渡發電廠，貴州遵義 563100）

目前，導航定位技術已經被廣泛應用于我國社會經濟發展各行業領域，形成以GIS 為主要技術代表的導航定位技術，也作為國際間公認的重要無線產業之一，現有技術主要包括了室外、室內兩種定位技術。其中以GIS 為代表的全球導航定位技術，目前已經基本發展成熟，能夠達到無基礎線路布設前提下，實現快速傳輸且距離不受限等技術優點，所以被廣泛應用于交通運輸、搶險救災、導航定位等方面。超寬帶技術作為新型無線通信技術，能夠經發送、接收納秒級以下的較窄脈沖實現數據的有效傳輸，可以在傳輸數據中達到GHz 量級帶寬，實現較高的空間分辨率，并且可以從理論層面實現厘米級測距，滿足精準定位。現階段應用廣泛的基于UWB的典型定位技術系統，包括Localizers、Ubisense、Sapphire 等系統。基本由4 個接收器、多個漫游器以及單個控制中心組件所組成，能夠運用AOA、TDOA 等混合定位式算法定位標簽，并且可以達到15 cm的定位精準度。因此，該研究將GIS 技術應用于UWB 基站監測，實現可視化監測。

1 關鍵技術概述

1.1 組件式GIS技術

GIS 技術由最初的組件式GIS 發展形成WebGIS技術應用。在這個技術發展過程中，WebGIS 技術能夠有效解決GIS 技術的傳統技術弊端問題。并且能夠在應用中有效劃分各GIS 功能模塊為多控件，實現不同控件功能各不相同。GIS 技術原理如圖1所示。

圖1 GIS技術原理

1.2 UWB簡介

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是一種無線載波通信技術，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。該技術是近年來新興的一項全新無線通信技術，與傳統通信技術有著極大差異，通信過程中不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或亞納秒級窄脈沖來傳輸數據。UWB 調制采用納秒級脈沖寬度完成脈沖快速上升和下降，脈沖覆蓋的頻譜不需常規窄帶調制所需的RF 頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發射。頻譜形狀可通過持續單脈沖形狀和天線負載特征來調整。使用脈沖寬度為納秒級的無線脈沖信號作為定位載波，是無線定位領域精度最高、性能最穩定的技術。在頻域上，由于其占用的頻帶較寬，且無線功率密度較低，對于其他的無線設備來說相當于噪聲信號，不會對其造成干擾，也加強了自身的抗干擾性。無線定位系統基于超窄脈沖技術，是國內領先的高精度無線定位產品。UWB 定位系統技術如圖2 所示。

圖2 UWB定位系統技術物理層示意圖

2 基站可視化模式監測系統設計

2.1 系統總體架構

人員定位系統采用超寬帶（UWB）定位技術實現高精度定位，精準定位系統主要由應用層、解算層、傳輸層和設備層（定位基站和定位標簽）構成，如圖3所示。

圖3 定位系統整體框架圖

1）設備層。用于獲知底層的位置信息，通過超寬帶（UWB）信號實現對定位標簽的定位。設備層主要包括定位基站和定位標簽，是定位系統的核心設備，用來獲取原始的位置信息。定位基站周期性廣播自身的標識信息，定位標簽接收超寬帶信號后，完成時間戳信息的獲取，通過通信基站信道，回傳時間戳信息以及相關狀態信息。通信基站以及定位基站將自身的數據通過主干網絡傳輸到解算層，在定位解算應用服務部分完成定位數據的解析。同時，通信基站也可以接收到應用層下發的指令，完成相關的操作，如對設備的呼叫、撤離等。

2）傳輸層。傳輸層也稱主干通信網（簡稱“主干網”），是基站與服務層、應用層之間的數據傳輸通道。定位基站通過以太網（有線或無線）將定位數據傳輸到定位服務器，在定位服務器完成位置信息的解算。

從上往下將應用層相關指令傳輸到通信基站；從下將定位原始數據傳輸給服務層。

3）解算層（服務層）。解算層（服務層）包括定位應用服務軟件、系統管理軟件、對外軟件。定位應用服務軟件根據不同的定位方式，實現定位原始數據的解算，從而得到有用的位置信息。

定位應用服務軟件根據不同的定位方式，實現定位原始數據的解算，從而得到有用的位置信息。

同時，服務層負責管理與維護整個定位網絡，保證定位的實時、可用。

4）應用層。通過位置信息與視頻流數據，以地圖的形式實時跟蹤定位標簽的位置，應用層獲得實時的位置信息后，結合視頻等信息，可以實現各種復雜的應用，如實時軌跡顯示、電子圍欄和視頻聯動等。

智能安全監管系統通過人員定位應用層提供WebSocket和Http，通過WebSocket 可獲取標簽卡的實時位置數據，通過Http 可獲取系統相關的數據進行開發和集成。對佩戴定位標簽人員在定位基站覆蓋區域內的作業人員精確定位和作業風險管控。

2.2 系統數據獲取

為了保證項目的順利實施和成果的高可用性，該項目使用高精度激光掃描儀作為主設備，獲取毫米級相對精度的原始數據，并最終制作厘米級絕對精度的三維模型。三維建模數據獲取及處理過程如圖4 所示。

圖4 三維建模數據獲取及處理過程

3 系統數據庫設計

UWB 基站可視化模式監測系統的數據庫接口設計，運用了MySQL 5.7 或更高版本作為數據庫服務器，建立了三層架構，在中間層處理基站業務規則、數據訪問并進行合法性校驗，在客戶端無需交互數據庫，而是經DCOM 通信連接中間層，實現數據庫及中間層交互。由于經中間層實現了數據訪問，不再建立數據庫及客戶端相應的數據連接，不僅減少了數據庫的數據服務器連接數量，還能夠有效提高系統的可維護性，完成組件層、數據庫端以及MTS的事務處理。

以UWB基站的信息添加刪除操作代碼示例如下：

4 系統仿真測試

該文將GIS 技術應用于UWB 基站可視化模式安全監管監測系統中，采用了Xeon 服務器，運用Windows2012 或更高版本，運用了MySQL 5.7 數據庫，在Windows7 平臺完成以上系統操作，應用GIS 接口及對應三維開發組件，支持了該系統開發的框架數據訪問方式，能夠實現該系統的GIS 系統操作及空間分析功能。并整合了Sun Microsystems 公司的JAVA 平臺，能夠提供全新的開發環境，選擇熟悉的開發編程語言。圖5 為安全監管監測系統的可視化監測數據處理流程。

圖5 可視化監測數據處理流程

5 結束語

總而言之，隨著UWB 基站技術的發展，在基于UWB 基站可視化安全監管監測系統設計中，保證構建完善的數據庫系統至關重要。通過運用GIS 技術實現了二次開發，不僅很大程度降低了該系統實現的整體開發難度，更縮短了整個系統設計開發周期，有效降低了開發成本，創建了良好的系統顯示界面。所以在此次設計開發的系統測試中，系統通過UWB 基站實現可視化安全監管監測，通過運用GIS技術，為系統開發人員成功提供全新開發環境，實現了可視化編程環境，方便后期該系統的源代碼進一步編輯、改進和完善。