UWB無線定位技術(shù)在隧道施工管理中的應(yīng)用

李國鑫 楊文正

(1. 北京北大千方科技有限公司, 北京 100193;2. 北京華星北斗智控技術(shù)有限公司, 北京 100166)

0 引言

“十四五”期間數(shù)字交通和新基建的融合發(fā)展,全國主要城市地鐵軌道交通的大力建設(shè),尤其在地下空間復(fù)雜的施工環(huán)境中,針對人、機(jī)、物等全要素的安全監(jiān)管工作提出了更高要求。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)、藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(WiFi)、超帶寬(ultra wide band，UWB)等技術(shù)在室內(nèi)無線定位中廣泛使用[1],為軌道交通地下隧道盾構(gòu)施工中人員和車輛定位技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。其中,UWB技術(shù)作為新興的無線定位技術(shù),具有設(shè)備功耗低、多徑分辨能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)良技術(shù)特點(diǎn)[2],在短距離精確定位方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,成為室內(nèi)空間無線定位研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域[3]。

1 UWB無線定位技術(shù)

UWB是近年來新興的一種無線通信技術(shù),UWB信號(hào)使用3.1～10.6 GHz的頻段范圍,并且該信號(hào)的發(fā)射功率須在1 mW以下[4]。高達(dá)GHz的信號(hào)帶寬和獨(dú)特的頻域、時(shí)域特性,使其在信道容量上較其他通信方式有明顯優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位[5]。

UWB定位和其他多數(shù)定位方式相同,也是基于測距原理而實(shí)現(xiàn),其測距模塊的工作機(jī)制是：設(shè)置基站和標(biāo)簽,通過二者間的信息交流來記錄信息的發(fā)送和到達(dá)時(shí)間,并根據(jù)獲取的時(shí)間關(guān)系來推算出信號(hào)飛行時(shí)間,從而得到基站與標(biāo)簽之間的直線距離[6]。采用傳統(tǒng)三角定位原理計(jì)算信號(hào)發(fā)射源的空間位置(圖1)。定位標(biāo)簽發(fā)射源發(fā)射信號(hào)脈沖，基站接收機(jī)需要提前安裝在需要定位的空間里面，并需要自定義一個(gè)直角坐標(biāo)系統(tǒng)，測繪出每個(gè)接收機(jī)的X、Y、Z坐標(biāo)。定位標(biāo)簽發(fā)射源發(fā)射的脈沖飛行速度為光速C，脈沖到達(dá)3個(gè)信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間分別為T1、T2、T3,通過光速C*時(shí)間T就可以算得到3個(gè)距離L1、L2、L3，分別以3個(gè)距離為半徑畫出3個(gè)圓圈的交集處就是定位標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射源的位置。

圖1 UWB定位技術(shù)原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究采用UWB無線定位技術(shù),研發(fā)地鐵隧道施工管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)地鐵隧道施工現(xiàn)場的人員、車輛、裝備等定位信息采集、集成分析應(yīng)用[7],可以獲取隧道內(nèi)部監(jiān)控物體的動(dòng)態(tài)分布情況、數(shù)量以及其所在的位置,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、動(dòng)態(tài)跟蹤、定位查詢、軌跡分析、電子圍欄、定位求救等功能[8]。同時(shí)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同,可以在施工現(xiàn)場發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)屏幕上顯示現(xiàn)場施工人員的數(shù)量和信息,也可在監(jiān)控中心大屏幕上顯示隧道內(nèi)的監(jiān)控信息[9]。

2.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于無線定位技術(shù)的地鐵隧道施工管理系統(tǒng),采用瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)運(yùn)行環(huán)境,可通過瀏覽器在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)瀏覽、查詢、展示現(xiàn)場人員、車輛的位置及狀態(tài)等相關(guān)信息。系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、支撐層的邏輯架構(gòu)(詳見圖2系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu))。其中，應(yīng)用層提供可視化的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域人員和車輛的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、目標(biāo)定位和跟蹤、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。業(yè)務(wù)層解析來自應(yīng)用層的功能請求并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)功能邏輯,為執(zhí)行來自用戶操作命令對應(yīng)的任務(wù),根據(jù)設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)功能,按照有效的業(yè)務(wù)邏輯對數(shù)據(jù)層中提取的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理,最后將操作結(jié)果傳送給應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要為整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用展示和業(yè)務(wù)分析提供數(shù)據(jù)保障,支撐層主要負(fù)責(zé)提供整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行所需要的硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、基礎(chǔ)軟件等基礎(chǔ)軟硬件支撐環(huán)境[10]。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2.2 定位終端設(shè)備選型設(shè)計(jì)

智能定位終端系統(tǒng)主要由定位基站、定位標(biāo)簽芯片組成。針對地鐵隧道施工的應(yīng)用場景,定位基站采用室外型定位基站和隧道型基站結(jié)合應(yīng)用,人員定位設(shè)備可采用安全帽定位標(biāo)簽,車輛定位設(shè)備采用車載型定位標(biāo)簽。

2.3 無線定位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能定位系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)可采用有線和無線結(jié)合的方式(詳見圖3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖),地鐵隧道內(nèi)和基坑現(xiàn)場安裝的所有接收機(jī)基站的位置已知,接收機(jī)通過脈沖探測器接收貼附于目標(biāo)車輛設(shè)備、定位人員上的UWB標(biāo)簽發(fā)出的脈沖信號(hào),得到亞納米級(jí)精度的到達(dá)時(shí)間,并通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接傳輸給定位引擎服務(wù)器,引擎服務(wù)器對所接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,同時(shí)采用定位算法對標(biāo)簽位置進(jìn)行分析并得到定位數(shù)據(jù),最終通過以太網(wǎng)或無線通信方式將定位結(jié)果發(fā)送到監(jiān)控中心應(yīng)用系統(tǒng)和遠(yuǎn)程客戶端系統(tǒng),應(yīng)用軟件平臺(tái)通過對數(shù)據(jù)包解析得到對應(yīng)標(biāo)簽位置信息,從而為用戶提供空間位置顯示并作進(jìn)一步處理。

2.4 定位系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于合成框架SSH(struts,spring,hibernate)框架環(huán)境,利用Java開發(fā)語言,采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol，UDP)數(shù)據(jù)接口通信協(xié)議,通過MySQL存儲(chǔ)管理信息,實(shí)現(xiàn)地鐵隧道施工人員、車輛定位信息的采集、解析處理、綜合分析等智能應(yīng)用,并結(jié)合管控中心大屏幕可視化設(shè)備進(jìn)行集中展示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能應(yīng)用

3.1 實(shí)時(shí)定位

智能定位可以實(shí)時(shí)顯示隧道定位區(qū)域內(nèi)不同類型人員(標(biāo)簽)和車輛的實(shí)時(shí)精確位置,監(jiān)管人員可實(shí)時(shí)了解定位區(qū)域內(nèi)人員、車輛的數(shù)量、分布和狀態(tài)等信息,方便監(jiān)管人員隨時(shí)掌握信息,可以分區(qū)域統(tǒng)計(jì)人數(shù)、實(shí)時(shí)跟蹤定位人員。

3.2 軌跡分析

系統(tǒng)可以記錄下每個(gè)人員、每輛車輛的精確歷史軌跡,當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí)候可以通過歷史軌跡回放查看每一個(gè)人最后停留的位置,可以對應(yīng)急救援提供決策支持。同時(shí),系統(tǒng)還可以根據(jù)篩選條件搜索,進(jìn)行多目標(biāo)多倍速軌跡回放。

3.3 人員求救

人員佩戴的電子標(biāo)簽都具有一鍵呼救功能,如果遇到意外情況可以按下電子標(biāo)簽上的一鍵求救按鈕,監(jiān)控中心會(huì)在第一時(shí)間接收到求救報(bào)警信息,根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)顯示的人員求救位置信息實(shí)施快速準(zhǔn)確的救援工作。

3.4 電子圍欄

監(jiān)管人員可以通過系統(tǒng)軟件將危險(xiǎn)區(qū)域空間信息在地圖上繪制成電子圍欄,并設(shè)置告警信息,當(dāng)佩戴標(biāo)簽的人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警,提醒監(jiān)控中心管理人員進(jìn)行處置,同時(shí)也可觸發(fā)人員標(biāo)簽震動(dòng)來提醒當(dāng)事人員注意。系統(tǒng)還可以查看告警記錄,實(shí)現(xiàn)告警記錄多維精確查詢,完成告警處理信息存檔管理。

3.5 考勤管理

系統(tǒng)通過識(shí)別人員定位信息能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)考勤,無須人工干預(yù),自動(dòng)生成人員考勤報(bào)表,可統(tǒng)計(jì)人員的出勤、準(zhǔn)時(shí)、遲到、早退天數(shù),將考勤結(jié)果及進(jìn)出區(qū)域進(jìn)行全記錄并能導(dǎo)出到Excel文件,結(jié)合電子地圖完成平面和立體空間區(qū)域考勤。

3.6 區(qū)域統(tǒng)計(jì)及電子點(diǎn)名

系統(tǒng)可以針對任意區(qū)域內(nèi)人數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)點(diǎn)名,查詢區(qū)域內(nèi)人員詳情列表信息,實(shí)時(shí)監(jiān)控人員的在線、休眠、離線狀態(tài)。同時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻跟蹤鎖定。

3.7 巡檢巡更管理

根據(jù)巡檢要求,系統(tǒng)可以自定義施工現(xiàn)場的巡檢點(diǎn)和巡檢路線,設(shè)置巡檢人員及周期,制定巡檢任務(wù)。若發(fā)現(xiàn)人員軌跡未經(jīng)過某些巡檢點(diǎn),則判定為巡檢遺漏,系統(tǒng)記錄并進(jìn)行報(bào)警提示,解決人員現(xiàn)場到位問題,杜絕施工漏檢、假檢,為進(jìn)一步加強(qiáng)施工安全質(zhì)量提供輔助應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文探索研究了物聯(lián)網(wǎng)無線定位技術(shù)在地鐵隧道施工管理中的實(shí)踐應(yīng)用,得出該技術(shù)具有可視性、實(shí)用性、可操作性的優(yōu)點(diǎn)。目前,深圳、西安等國內(nèi)大城市在地鐵隧道土建和機(jī)電交接施工過程中采用UWB、WiFi等物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù),通過對隧道軌行區(qū)內(nèi)的人員、車輛的定位跟蹤,將原有的文件填報(bào)管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場電子圍欄侵界報(bào)警管理模式,減少和避免了隧道鋪軌和運(yùn)行中人、機(jī)、物安全事故,使隧道軌行區(qū)監(jiān)管的短板變?yōu)榘踩珔^(qū),保障了工程的建設(shè)進(jìn)度和質(zhì)量安全,并取得顯著應(yīng)用效果。下一步研究工作需要結(jié)合地鐵軌道交通施工安全監(jiān)管需求,進(jìn)一步開展地鐵隧道盾構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化管理,提升地鐵盾構(gòu)隧道施工過程的智能化管控,完善軌道施工應(yīng)急搶險(xiǎn)救援體系。未來,該應(yīng)用系統(tǒng)還可結(jié)合視頻監(jiān)控、門禁考勤、聲光語音報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測、顯示等系統(tǒng),構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的施工安全綜合監(jiān)管應(yīng)用平臺(tái),確保平安優(yōu)質(zhì)工程和為民工程建設(shè)順利實(shí)施。