UWB高精度定位技術(shù)在隧道工程安全管理中的應(yīng)用

何金剛 曠喆 張淦 溫曉雯

（1.中國(guó)交通信息科技集團(tuán)有限公司 北京 100088；2.北京理工大學(xué) 北京 100081；3.北京信息科技大學(xué) 北京 100096）

隧道工程廣泛應(yīng)用于地鐵和高速公路項(xiàng)目中。近年來(lái)，隧道施工過(guò)程中事故頻發(fā)，因?yàn)樗淼朗┕さ沫h(huán)境封閉，包含的結(jié)構(gòu)層和結(jié)構(gòu)物也較多，通信相對(duì)不便，施工環(huán)境惡劣［1］。隧道施工過(guò)程中，容易出現(xiàn)塌方或者其他安全事故，內(nèi)外的通行條件及通行機(jī)制會(huì)限制救援工作的開(kāi)展，因?yàn)楹茈y定位隧道被困人員的位置。因此，如何實(shí)現(xiàn)隧道工程施工過(guò)程中人員位置管理，已成為隧道工程日常安全管理的一個(gè)重要部分。

1 隧道定位的相關(guān)技術(shù)

常用于地下工程建設(shè)的人員定位技術(shù)有射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、Zigbee定位技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)和UWB技術(shù)等。在如何提高定位精度的問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研工作者提出了多種不同的定位方法。

王瑞峰等人考慮軌道交通現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)折射、多徑效應(yīng)、反射等對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的影響，提出了基于RFID系統(tǒng)的自適應(yīng)LANDMARC k-鄰居算法，并且在市政輕軌交通等項(xiàng)目中應(yīng)用，定位進(jìn)度基本上小于1.5m。

哈爾濱工程大學(xué)的張佩參考LANDMARC 定位算法和基于RSSI信號(hào)強(qiáng)度算法的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于軌道交通現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的人員定位算法的方案［2］，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的平均定位誤差為0.6m，該定位算法不需要較多的參考標(biāo)簽和讀卡器就能顯著提高系統(tǒng)的性能。

Matteo Cypriani等人提出將貓頭鷹定位系統(tǒng)用于地下軌道交通現(xiàn)場(chǎng)，以便為礦工和設(shè)備提供定位系統(tǒng)，并在真實(shí)軌道交通現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在短范圍內(nèi)技術(shù)可以使用，但需要安裝更多設(shè)備，并且所獲得的精度并不理想，大多數(shù)情況下平均誤差低于5m。

方旺盛等人基于RSSI加權(quán)質(zhì)心定位提出了一種改進(jìn)算法，就是把異構(gòu)節(jié)點(diǎn)最大通信半徑引入到權(quán)值的分配上，修正權(quán)值，并且采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以對(duì)隧道井內(nèi)人員和機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)確定位，定位進(jìn)度小于4m。

Zigbee技術(shù)具有能耗小、短距離傳輸穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)也被應(yīng)用到軌道交通現(xiàn)場(chǎng)等工程定位中。Mohammad Ali Moridi等人研究了地下礦井中ZigBee的無(wú)線電波衰減，以評(píng)估ZigBee 節(jié)點(diǎn)之間的穩(wěn)定通信范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，在真實(shí)礦井情景中的直線和彎曲軌道交通現(xiàn)場(chǎng)中，ZigBee 節(jié)點(diǎn)之間的穩(wěn)定無(wú)線通信范圍分別為100m和70m。王海英等人基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，改善了ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置方法，可以將隧道內(nèi)的目標(biāo)定位誤差控制在1m的范圍內(nèi)。

武漢理工大學(xué)的王明東等人設(shè)計(jì)了一種基于脈沖超寬帶技術(shù)的人員定位系統(tǒng)。采用雙向雙邊測(cè)距方法計(jì)算人員位置信息，并且在此基礎(chǔ)上，提出一種基于TOA的模式，自我校定的三角形定位算法，提高定位精度，井位精度達(dá)到±50cm，基本滿足人員定位需求。

在2017年，姚廣成等人利用超寬帶定位技術(shù)，研究了如何定位隧道施工人員和施工機(jī)械，定位算法采用基于到達(dá)時(shí)間接收法，在實(shí)際地鐵軌道交通現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行了試驗(yàn)，人員定位精度達(dá)到±50cm。

中南大學(xué)的謝芝玉等人針對(duì)無(wú)線信號(hào)在煤礦巷道中傳播時(shí)由于多徑效應(yīng)明顯而導(dǎo)致定位精度不高的問(wèn)題，提出一種基于Taylor 級(jí)數(shù)展開(kāi)的UWB 定位算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以保證最大定位誤差為±40cm，基本滿足井下定位的需要［3］。

目前，基于UWB 技術(shù)定位的產(chǎn)品各式各樣，Time Domain 公司是世界上最終進(jìn)行UWB 技術(shù)研究的單位之一；英國(guó)的Ubisense 公司開(kāi)發(fā)的Ubisense7100 實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)定位精度可達(dá)±15cm，覆蓋范圍為160m。

2 UWB高精度定位技術(shù)

UWB技術(shù)在1894～1896年就開(kāi)始有應(yīng)用，目前，世界上主要的UWB 定位系統(tǒng)多數(shù)還是基于TOA/TDOA（信號(hào)到達(dá)時(shí)間差）的測(cè)距技術(shù)，而AOA、RSSI 則用來(lái)作為輔助手段。在不斷發(fā)展的過(guò)程中，對(duì)隧道施工環(huán)境下的人員監(jiān)測(cè)、信息傳輸保障需求，以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)穿透”“高可靠”“環(huán)境自適應(yīng)”“精確定位”的支持能力為核心目標(biāo)。強(qiáng)穿透主要是基于地電極電流注入的強(qiáng)穿透技術(shù)，高可靠主要是基于地電極微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)研究，環(huán)境自適應(yīng)是指在復(fù)雜環(huán)境下自適應(yīng)傳輸技術(shù)，精確定位主要是應(yīng)用超寬帶定位技術(shù)。現(xiàn)在，基于以上技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際施工過(guò)程中的應(yīng)用需要，開(kāi)發(fā)出一套適合隧道工程的信息化、智能化系統(tǒng)。

在平時(shí)正常施工時(shí)，進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過(guò)多模終端與多個(gè)定位基站的無(wú)線鏈路，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)一維實(shí)時(shí)定位，并結(jié)合安全管理軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)定位人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度及管理，系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)各功能單元簡(jiǎn)要描述如下。

圖1 系統(tǒng)組成

2.1 定位基站

用來(lái)接收多模終端發(fā)射的定位信號(hào)，采用TDOA測(cè)量技術(shù)，確定多模終端的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至同步控制器及安全管理軟件［4］。

2.2 同步控制器

協(xié)調(diào)整個(gè)定位系統(tǒng)，各個(gè)定位基站全部協(xié)同，所有的定位網(wǎng)絡(luò)工作在同一個(gè)時(shí)鐘接收狀態(tài)下，并將定位基站發(fā)送的所有數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器，通過(guò)定位引擎得到各個(gè)多模終端精確坐標(biāo)。系統(tǒng)工作時(shí)，主定位基站為一體化基站，為標(biāo)識(shí)信道和工作信道，當(dāng)未進(jìn)入定位區(qū)域的人員進(jìn)入定位區(qū)域時(shí)，多模終端接收標(biāo)識(shí)信號(hào)，接收到標(biāo)識(shí)信號(hào)的多模終端被喚醒進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)始接收工作信號(hào)，并發(fā)出超寬帶信號(hào)，定位基站通過(guò)天線接收到定位目標(biāo)位置發(fā)出的超寬帶信號(hào)，將不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)間做處理，產(chǎn)生時(shí)間到達(dá)差數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過(guò)同步控制器傳到定位服務(wù)器，定位引擎軟件根據(jù)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)計(jì)算并確定人員位置。此外，多模終端本身也包含Wi-Fi模塊，在平時(shí)可通過(guò)Wi-Fi鏈路實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸。

3 UWB高精度定位技術(shù)特點(diǎn)

基于UWB技術(shù)的隧道人員定位系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低

UWB技術(shù)采用的是物美價(jià)廉的寬帶發(fā)射器，發(fā)射器只需要采用小型的脈沖激勵(lì)天線，不需要變頻，也不需要使用載波，所以就不需要放大器和混頻器［5］。此外，接收端的UWB接收機(jī)不需要中頻處理。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸快

民用商品中的UWB型號(hào)傳輸，大多數(shù)的范圍是在10m內(nèi)，傳輸速度最高可以達(dá)到500Mbit/s，在區(qū)域內(nèi)的無(wú)線局域網(wǎng)使用較為理想［6］。UWB 主要是以超寬的頻率帶寬，替換了數(shù)據(jù)的快速傳輸，不會(huì)去占用已有的頻率資源［7］。

3.3 定位精確高

UWB技術(shù)可以將定位和通信功能合二為一，一般的無(wú)線電技術(shù)很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)閁WB技術(shù)中有利用沖擊脈沖的高精度定位技術(shù)［8］。通常，GPS 定位系統(tǒng)只能定位在衛(wèi)星的可視范圍內(nèi)，很難對(duì)室內(nèi)和地下的目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，而UWB無(wú)線電具有較強(qiáng)的穿透能力，所以UWB高精度定位的裝備就可以定位精度達(dá)到厘米級(jí)別。

3.4 功耗低、耐用

相對(duì)于常規(guī)的電子通信設(shè)備，UWB系統(tǒng)的耗電量只有傳統(tǒng)電話功率的1/100左右，原因是該技術(shù)采用的是脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間短，所以耗電量低，耗電量?jī)H為幾百μW 至幾十mW［9］。基于這些特點(diǎn)，UWB 系統(tǒng)的設(shè)備在電池的使用壽命，周?chē)碾姶泡椛溆绊懮希鄬?duì)于其他的無(wú)線設(shè)備，都具有極強(qiáng)的優(yōu)越性。

3.5 安裝調(diào)試簡(jiǎn)單

該系統(tǒng)的安裝調(diào)試工作，普通工程人員在接受培訓(xùn)后，即可快速掌握，無(wú)需太多的專業(yè)知識(shí)。

4 UWB高精度定位技術(shù)的安全管理應(yīng)用

UWB 高精度定位技術(shù)主要是將數(shù)據(jù)傳輸功能內(nèi)置在定位標(biāo)簽上，定位標(biāo)簽可以安裝在人員、機(jī)械設(shè)備等地方。因此，在隧道施工過(guò)程中的應(yīng)用可以具體表現(xiàn)為實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位、軌跡回放、人員管理、精準(zhǔn)考勤、設(shè)備定位、預(yù)警安全管理、事故救援查詢等功能。

4.1 實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位

基于現(xiàn)代化、數(shù)字化和智能化的施工時(shí)代，可以將UWB 定位的信息集中顯示在信息化控制室的大屏幕上，可以實(shí)時(shí)看到施工人員在整個(gè)隧道里面的分布情況，并且可以進(jìn)行局部放大，以顯示工人精確的位置。

4.2 軌跡回放

在系統(tǒng)中調(diào)取任何一個(gè)數(shù)據(jù)核查單元，選擇任意的時(shí)間，查看其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，掌握各個(gè)監(jiān)察單元的軌跡，為排除隱患和考勤數(shù)據(jù)提供依據(jù)。

4.3 人員管理

對(duì)于每個(gè)ID 單元賦予工人的姓名、身份證號(hào)、進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間、工種、編號(hào)等屬性，方便進(jìn)行實(shí)名制人員管理。

4.4 精準(zhǔn)考勤

可以通過(guò)系統(tǒng)記錄工人每天的工作時(shí)間區(qū)間，系統(tǒng)也為核對(duì)工時(shí)提供記錄和依據(jù)。

4.5 設(shè)備定位

與人員管理類(lèi)似，可以賦予每臺(tái)設(shè)備的名稱、進(jìn)出場(chǎng)時(shí)間、維護(hù)保養(yǎng)記錄等記錄，同時(shí)，可以在監(jiān)控屏幕看到設(shè)備的位置與運(yùn)行情況。

4.6 預(yù)警安全管理

工人在隧道內(nèi)施工，若遇到危險(xiǎn)或者緊急情況，可以利用佩戴的定位標(biāo)簽一鍵報(bào)警，項(xiàng)目部監(jiān)控大屏?xí)@示報(bào)警信息，便于及時(shí)處理相關(guān)情況。

4.7 事故救援查詢

若隧道發(fā)生塌方等安全事故的時(shí)候，可以通過(guò)系統(tǒng)精確地定位工人的位置，便于外部人員的搜索和救援。

5 結(jié)語(yǔ)

隧道施工人員多，設(shè)備多，流動(dòng)性大，空間狹長(zhǎng)，施工作業(yè)較為封閉，水文、地質(zhì)不確定性因素大，UWB高精度定位技術(shù)這一類(lèi)信息化的技術(shù)在隧道安全管理中的應(yīng)用，可以極大地提高項(xiàng)目部的施工組織和管理效率，同時(shí)，對(duì)安全施工監(jiān)測(cè)也提供了便利，在隧道或者其他密閉空間施工過(guò)程中應(yīng)用價(jià)值非常廣泛。