基于5G及藍(lán)牙定位的地鐵施工臨時通信技術(shù)研究

張 望

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司 河北高碑店 074000)

1 引言

在地鐵隧道施工過程中，由于施工環(huán)境的特殊性，涉及專業(yè)多，現(xiàn)場照明不足，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量差，工人交叉施工情況嚴(yán)重，現(xiàn)場作業(yè)人員安全無法有效得到保障，施工安全受到潛在威脅，現(xiàn)場一旦發(fā)生相關(guān)安全情況，如果不能在第一時間確定其位置及狀態(tài)，給應(yīng)急救援增加了很大挑戰(zhàn)。指揮中心與施工現(xiàn)場實(shí)時溝通，受限于環(huán)境(沒有無線信號覆蓋等)，所以溝通的方式只能使用有線的方式。通常選擇敷設(shè)光纖，高帶寬特性，有效解決電話、音頻廣播、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

但有線通信本身的局限性，使得通信方式不靈活，且不具備廣泛性，應(yīng)用場景受限，制約著施工現(xiàn)場現(xiàn)代化發(fā)展需要，特別是在事故發(fā)生階段不能提供可靠的應(yīng)急搶險信息通道，網(wǎng)絡(luò)建成后重復(fù)利用的可能性低，造成投資浪費(fèi)。

2 藍(lán)牙信號源定位基本算法

2.1 基于信號到達(dá)時間的定位算法

基于到達(dá)時間的定位算法是指通過測量天線間直達(dá)波的傳播時間來完成測距，同時利用相關(guān)算法來實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)定位的一種方法[1]。該算法較為直觀，容易理解，因此在定位中應(yīng)用較為廣泛，是最經(jīng)典的定位算法之一。但對測量時間同步有較高的需求，硬件實(shí)現(xiàn)成本過高，無法大規(guī)模普及。其原理是基站與終端之間進(jìn)行通信，通過發(fā)射和采集信號的時間來計算距離[2]。

假設(shè)有3個基站(P1，P2，P3)分別發(fā)射信號，終端(MS)接收信號，假設(shè)MS與Pi的距離為di，則di的計算公式為:

式中，to為信號從終端發(fā)出的時間；ti為基站接收信號的時間；c為信號傳播速度。

設(shè)基站坐標(biāo)為Pi(x1，y1)，移動終端位置 MS(xn，yn)，則:

可得出移動終端位置MS(xn，yn)為:

2.2 基于信號到達(dá)時間差的定位算法

信號到達(dá)時間差的定位算法相對于信號到達(dá)時間算法有了相對的改進(jìn)優(yōu)化[3]。該算法通過計算信號到達(dá)參考節(jié)點(diǎn)(兩個)的時間差來確定位置關(guān)系，然后借助雙曲線原理計算出定位終端的位置進(jìn)行定位[4-5]。此算法誤差小，具有較高的定位精度，是一種相對穩(wěn)定的定位算法。但若對定位精度有更為精細(xì)的需求，則對硬件的需求更高。

設(shè) 2 個基站坐標(biāo)為P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)，終端位置 MS(xn，yn)，根據(jù)三個基站到終端的距離d1、d2、d3，基站與基站間的距離d21、d31、d23可以算出終端位置MS(xn，yn)，公式如下所示:

2.3 基于信號到達(dá)角度的定位算法

該算法是通過可以測算信號角度的移動終端接收已經(jīng)布好的基站發(fā)射的信號，根據(jù)基站位置和移動終端位置接收到的信號角度，通過三角函數(shù)計算得到終端位置的一種方法[6]。該方法原理簡單，部署比較方便。

設(shè) 2 個基站坐標(biāo)為P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，終端位置MS(xn，yn)，信號接收角α、β則:

3 基于5G及藍(lán)牙定位的地鐵施工臨時通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

通過隧道內(nèi)藍(lán)牙信號源定位算法計算，在地鐵隧道施工的目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域部署多個藍(lán)牙定位微基站，其中，每個藍(lán)牙定位微基站與pRRU(Radio Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元)的POE接口連接，pRRU連接pBridge，pBridge連接 BBU，BBU分別與5G網(wǎng)絡(luò)連接和定位服務(wù)器連接，每個藍(lán)牙定位微基站獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標(biāo)簽信號，將定位標(biāo)簽信號通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給定位服務(wù)器對定位標(biāo)簽信號進(jìn)行處理，得到目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置，基于標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置進(jìn)行處理，生成處理結(jié)果并顯示。由此，利用5G大帶寬實(shí)現(xiàn)施工人員及設(shè)備的臨時通信功能、施工過程中存在的各種通信需求，大幅提升施工效率，并且通過網(wǎng)線POE供電可以避免傳統(tǒng)藍(lán)牙定位定期更換電池的運(yùn)維需求。

此外，可以調(diào)整藍(lán)牙定位微基站部署密度，提升整體的藍(lán)牙定位精度。與視頻監(jiān)控聯(lián)動，實(shí)時顯示人員定位圖像，進(jìn)一步滿足地鐵施工臨時通信需求，從而提升地鐵施工場景下的安全需求[7-8]。

圖1為地鐵施工臨時通信處理系統(tǒng)示意圖。其中，每個藍(lán)牙定位微基站100與pRRU200的POE201接口連接，pRRU200連接pBridge300，pBridge300連接BBU400，BBU400分別與5G網(wǎng)絡(luò)600連接和定位服務(wù)器700連接。

另外，該系統(tǒng)中定位服務(wù)器700通過目標(biāo)接口連接視頻硬盤錄像機(jī)800，視頻硬盤錄像機(jī)800連接多個攝像機(jī)900。

定位微基站通過pRRU供電，藍(lán)牙定位微基站100與pRRU的POE接口通過UTP雙絞線連接。此外，藍(lán)牙定位微基站100有級聯(lián)口，可以將數(shù)個藍(lán)牙定位微基站100同時連接。在本系統(tǒng)中，藍(lán)牙定位微基站100部署密度，一般不超過3個，藍(lán)牙定位微基站100間距一般不超過25 m，即最遠(yuǎn)設(shè)備(藍(lán)牙定位微基站)離pRRU200距離一般不超過75 m。pRRU200通過光電復(fù)合纜連接 pBridge300，一個pBridge300可連接多個pRRU200。pBridge300通過光纖連接 BBU400，一個 BBU400可連接多個pBridge300，BBU400通過光纖將數(shù)據(jù)回傳至定位服務(wù)器700。

3.2 具體實(shí)施過程

圖2為地鐵施工臨時通信處理方法的流程示意圖。由地鐵施工臨時通信處理裝置執(zhí)行，其中該裝置可以采用軟件或硬件實(shí)現(xiàn)，一般可集成在電子設(shè)備中[9]。方案執(zhí)行過程如下:

圖2 地鐵施工臨時通信處理方法的流程示意

(1)步驟一:每個藍(lán)牙定位微基站獲取目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標(biāo)簽信號，并將定位標(biāo)簽信號通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給定位服務(wù)器。

目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域可以為一個或者多個，比如目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域?yàn)榈罔F站廳區(qū)域、地鐵站臺區(qū)域和隧道區(qū)域。

在地鐵施工過程中，施工工人佩戴具有藍(lán)牙功能的定位標(biāo)簽，定位標(biāo)簽具有對應(yīng)的電子名稱，電子名稱能夠唯一標(biāo)識一位施工工人，定位標(biāo)簽?zāi)軌蚺c藍(lán)牙定位微基站建立連接并進(jìn)行通信。如果目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標(biāo)簽是移動的，以及目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標(biāo)簽數(shù)量也是隨時可以更新的，從而定位標(biāo)簽可以與任一藍(lán)牙定位微基站斷開舊的通信連接，并與其他任一藍(lán)牙定位微基站建立新的通信連接。或者在定位標(biāo)簽與藍(lán)牙定位微基站建立通信連接后，藍(lán)牙定位微基站可以獲取定位標(biāo)簽發(fā)出的定位標(biāo)簽信號，并將定位標(biāo)簽信號通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給定位服務(wù)器。

5G網(wǎng)絡(luò)連接BBU為藍(lán)牙定位微基站提供5G網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙定位微基站將定位標(biāo)簽信號通過pRRU發(fā)送給 pBridge，pBridge將定位標(biāo)簽信號發(fā)送給BBU，BBU將定位標(biāo)簽信號發(fā)送給定位服務(wù)器。

(2)步驟二:定位服務(wù)器對定位標(biāo)簽信號進(jìn)行處理，得到目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置。

定位服務(wù)器上部署定位解算引擎，將藍(lán)牙定位微基站回傳定位標(biāo)簽信號進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，數(shù)據(jù)清洗需要通過位置結(jié)算引擎來進(jìn)行，然后再根據(jù)不同的定位算法，解算出標(biāo)簽位置。可以更充分利用部署平臺所提供的高性能計算資源、存儲和容量以及處理數(shù)據(jù)的能力，發(fā)揮其5G網(wǎng)路高速率、低時延、大數(shù)據(jù)鏈接能力的技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)而顯著提升其網(wǎng)絡(luò)整體利用的效率性能和業(yè)務(wù)增值價值。

數(shù)據(jù)清洗的結(jié)果質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)處理結(jié)果的精確性，其中預(yù)處理階段主要做兩件事情:一是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理工具；二是看經(jīng)過處理工具的數(shù)據(jù)。普遍學(xué)習(xí)的是包含兩大部分:第一個是看原始數(shù)據(jù)，包括該數(shù)據(jù)的解釋、來源以及代碼表等一切可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和描述的信息；二是抽取的數(shù)據(jù)，通過人工的查看方式，對抽取出來的數(shù)據(jù)有一個較為直觀的了解，然后從中先進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)一些初步問題，做好之后的數(shù)據(jù)清洗處理準(zhǔn)備工作。數(shù)據(jù)清洗有以下步驟:步驟一，對缺失值進(jìn)行清洗；步驟二，格式內(nèi)容清洗；步驟三，邏輯錯誤清洗，包含去重，去除不合理值，修正矛盾內(nèi)容；步驟四，非需求數(shù)據(jù)清洗；步驟五，關(guān)聯(lián)性驗(yàn)證[10]。其中，定位標(biāo)簽信號包括標(biāo)簽名稱，通過標(biāo)簽名稱唯一標(biāo)識一個定位標(biāo)簽信號，從而唯一標(biāo)識一個標(biāo)簽位置。標(biāo)簽位置指的是佩戴該定位標(biāo)簽的用戶在目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的具體位置坐標(biāo)。

在實(shí)施過程中，定位服務(wù)器對定位標(biāo)簽信號進(jìn)行處理，得到標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置的方式有很多種，在一種可選方式中，定位標(biāo)簽向藍(lán)牙定位微基站發(fā)射尋向訊號，而這種利用藍(lán)牙定位微基站作為信號接收端口的裝置一般會往內(nèi)部加建一個天線陣列，當(dāng)藍(lán)牙定位標(biāo)簽信號通過微基站時，會以上述陣列中獲取到的不同距離，計算得出相位差，從而得到相對的信號方向。得到標(biāo)簽名稱、標(biāo)簽位置；在另一種可選方式中，由已經(jīng)在固定位置上且已經(jīng)具備天線陣列模塊的藍(lán)牙定位微基站來發(fā)射信號，將該信號直接傳遞給定位標(biāo)簽，定位標(biāo)簽便可以通過所接收來的信號經(jīng)過計算得出的波方向，通過該波方向來進(jìn)行進(jìn)一步定位。在另一種可選方式中，通過預(yù)先將所有參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)之間時鐘同步，未知點(diǎn)(定位標(biāo)簽)發(fā)出信號，不同參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)在不同時刻接收到該信號，選取某參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)接收到信號的時刻作為基準(zhǔn)，其他參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)收到信號的時刻減去該基準(zhǔn)得到定位信號到達(dá)時間差；根據(jù)未知點(diǎn)(定位標(biāo)簽)與兩個參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)之間的到達(dá)時間差可以建立一條雙曲線，實(shí)現(xiàn)二維定位需要至少三個參考點(diǎn)(藍(lán)牙定位微基站)建立一組雙曲線方程求解得到為支點(diǎn)的位置估算[11-12]。

(3)步驟三:基于標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置進(jìn)行處理，生成處理結(jié)果并顯示。

基于標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置進(jìn)行處理，生成處理結(jié)果并顯示的方式有很多種，在實(shí)施過程中，分析標(biāo)簽位置是否屬于預(yù)設(shè)的限制區(qū)域；其中，限制區(qū)域小于目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域，在標(biāo)簽位置屬于預(yù)設(shè)的限制區(qū)域的情況下，生成包括標(biāo)簽名稱的提示信息并顯示。或?qū)δ繕?biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置進(jìn)行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結(jié)果并顯示。

定位服務(wù)器對定位標(biāo)簽信號進(jìn)行處理，得到標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置，包括:基于定位標(biāo)簽信號，得到標(biāo)簽名稱以及標(biāo)簽名稱對應(yīng)的相位差，基于標(biāo)簽名稱的相位差進(jìn)行計算，得到標(biāo)簽位置。

將標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置發(fā)送至監(jiān)控顯示設(shè)備顯示。分析標(biāo)簽位置是否屬于預(yù)設(shè)的限制區(qū)域；其中，限制區(qū)域小于目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域，標(biāo)簽位置屬于預(yù)設(shè)的限制區(qū)域的情況下，生成包括標(biāo)簽名稱的提示信息并顯示。

對目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽名稱和標(biāo)簽位置進(jìn)行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結(jié)果并顯示。

地鐵施工臨時通信處理方法除了可以實(shí)時定位外，還能夠?qū)崿F(xiàn)歷史軌跡回放、電子圍欄、報警管理、資產(chǎn)盤點(diǎn)、巡檢管理、電子點(diǎn)名、訪客管理、視頻聯(lián)動和權(quán)限管理等功能。比如區(qū)域統(tǒng)計，使用區(qū)域統(tǒng)計功能，可以規(guī)劃區(qū)域快速查看區(qū)域內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)量和標(biāo)簽名稱。

定位服務(wù)器通過目標(biāo)接口連接視頻硬盤錄像機(jī)，視頻硬盤錄像機(jī)連接多個攝像機(jī)，方法還包括:每個攝像機(jī)獲取拍攝圖像發(fā)送給定位服務(wù)器，定位服務(wù)器對標(biāo)簽位置對應(yīng)的拍攝圖像進(jìn)行識別，得到標(biāo)簽位置對應(yīng)的行為識別結(jié)果。具體地，依托5G基站設(shè)備集成藍(lán)牙定位微基站，為地鐵隧道內(nèi)部施工提供人員的定位通信技術(shù)，在特定的區(qū)域基于用戶位置信息通過人工智能識別人員行為。

藍(lán)牙定位微基站具有級聯(lián)網(wǎng)口，連接預(yù)設(shè)數(shù)量藍(lán)牙定位微基站，任意兩個藍(lán)牙定位微基站之間距離小于預(yù)設(shè)的第一距離閾值，藍(lán)牙定位微基站與所述pRRU的最大距離小于預(yù)設(shè)的第二距離閾值。其中，第一距離閾值和第二距離閾值根據(jù)應(yīng)用場景選擇設(shè)置，調(diào)整藍(lán)牙定位微基站部署密度，有效提升整體的藍(lán)牙定位精度。

4 地鐵施工臨時通信系統(tǒng)場景

針對現(xiàn)在地鐵施工階段的站廳、站臺及隧道內(nèi)無法進(jìn)行通訊、人員定位、視頻監(jiān)控等的問題，在地鐵施工中站臺、站廳區(qū)、隧道內(nèi)，部署兩張網(wǎng)絡(luò)，搭建5G公網(wǎng)通訊網(wǎng)，結(jié)合當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商，采用BBU＋pBridge＋pRRU通信方式在站廳、站臺區(qū)、隧道內(nèi)部署pRRU進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋；搭建藍(lán)牙定位網(wǎng)絡(luò)，通過已在站廳、站臺區(qū)、隧道內(nèi)部署5G網(wǎng)絡(luò)中的pRRU結(jié)合定位精度要求，在以上區(qū)域部署藍(lán)牙定位微基站與視頻攝像頭如圖3所示。

圖3 地鐵施工場景應(yīng)用

由此，利用5G大帶寬滿足實(shí)時回傳功能，實(shí)現(xiàn)施工人員及設(shè)備的通話、視頻、監(jiān)控、定位等臨時通信功能，可大幅提升施工效率，也解決了施工過程中存在的各種通信需求，同時若發(fā)生安全問題也能為搜救提供相應(yīng)人員位置信息，為搶救提供了寶貴時間。本應(yīng)用利用5G基站設(shè)備集成藍(lán)牙5.1通信模組，其中，5G基站搭建流暢的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；其次，通過在5G基站的射頻pRRU硬件上創(chuàng)新的融合多個藍(lán)牙定位微基站實(shí)現(xiàn)所有藍(lán)牙定位的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，保證了傳輸數(shù)據(jù)的通用性，且同時通過網(wǎng)線POE供電可以避免傳統(tǒng)的藍(lán)牙定位的定期更換電池的運(yùn)維需求。基于RRU引出多個藍(lán)牙定位微基站實(shí)現(xiàn)定位，還可通過增加藍(lán)牙定位微基站部署密度，有效提升整體的藍(lán)牙定位精度；與此同時，藍(lán)牙定位通過與視頻監(jiān)控聯(lián)動，實(shí)時顯示人員定位圖像，并通過5G網(wǎng)絡(luò)將人員定位、圖像等信息上傳至指揮部定位管理平臺。

5 結(jié)束語

研究了基于5G及藍(lán)牙定位的地鐵施工臨時通信技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用于典型地鐵施工場景中。該技術(shù)解決了地鐵施工人員及設(shè)備的臨時通信問題，滿足施工過程中存在的各種通信需求；加快了地鐵施工進(jìn)度、保證了地鐵施工安全、大幅提升施工效率、降低了施工組織管理成本，可為其他類似地鐵、長大隧道等隧道內(nèi)環(huán)境施工提供借鑒。