融合定位技術在智慧工地管理中的應用

胡建華

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引 言

安全生產是無數企業共有的企業文化，建筑工地危險源多、危險面廣、設備眾多，現場情況復雜，潛在危險點多，目前無法掌控人員實時分布情況，難以實現合理有效的管理調度；沒法進行區域管控，阻止非授權人員進入特定區域；沒法在緊急情況下讓救援人員第一時間掌握遇險人員分布詳情；無法通過歷史數據優化生產流程與管理，達到減員增效的目的。雖然當前的智慧工地大部分區域都覆蓋了視頻監控，但單純依賴攝像頭，管理員在面對成百上千個監控畫面時，難以確保第一時間發現異常，把意外消滅在萌芽狀態。像這些關鍵數據獲取、巡更管理、資源調配、應急救援等均缺乏數字化、可視化的融合展示管理平臺，缺少對人、車、物的活動軌跡記錄，缺乏數據支撐，不利于事件追溯，而當前的實時定位手段單一，不能滿足建筑行業不同場景的需求，缺乏定制化的解決方案。

基于以上難點設計出一套融合定位技術，系統架構如圖1所示。該技術集北斗定位技術、UWB定位技術、藍牙定位技術、LoRa傳輸技術、北斗短報文傳輸技術、多引擎多線程等平臺支撐技術于一身，為應用層提供位置呈現和位置搜索等服務，并統一管理空間數據，實現多定位技術融合、室內外位置服務融合、多維度空間數據融合。

1 融合定位技術簡介

該方案基于融合定位技術和三維實時展示技術，實現對人員、物資、車輛的可視化、精細化、智能化管理，能夠與視頻監控、智能廣播和門禁系統實現聯動，提升安全管理水平，提高事前預警、事中定位、事后追蹤的能力，保障施工安全有序。利用IOT技術，將智慧工地數據集成到統一的平臺，為項目管理層的決策提供支持。與現有定位技術相比，融合定位技術解決方案高度模塊化可支持高度差異化場景應用，滿足不同需求，三重定位模式可實現無縫切換，重點區域定位精度達到0.3～1 m，普通區域定位精度達到2～5 m，同時具有成本低、施工便捷、定位精度高的特點。融合定位技術在定位功耗、定位精度和施工難度之間找到一個最佳平衡點，基于以上定位技術實現多場景（人、車輛、物資）下數字化智能應用，最終通過三維展示技術構建融合定位應用平臺，實現對人員、物資的實時動態監測預警，消除人的不安全行為、物的不安全狀態、環境的不安全因素，提升生產安全管理水平，降低安全風險。

融合定位技術中的北斗定位技術可提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。通過部署地基增強實現1 m以內的RTK定位精度。藍牙定位技術的定位精度較高，定位方式多樣，功耗低，成本低，可部署在空曠區域，信標間隔10米，定位精度2～5 m。UWB定位技術的定位精度高，抗干擾能力強，但成本較高。部署在施工人員密集的區域，信標間隔20米，定位精度0.3～1 m，LoRa傳輸技術覆蓋廣（15 km），功耗低（1.7 mA/14 mA），穿透力強。部署在施工人員密集的區域，保證信號覆蓋整個施工區。

圖1 系統架構圖

1.1 藍牙定位技術

藍牙定位技術通過接收信號強度（Received Signal Strength, RSS）計算得出終端到多個定位節點的距離，并以已知節點位置為圓心，終端與節點的距離為半徑形成圓形，多個圓的交點就是終端位置，如圖2所示。

圖2 基于距離的定位原理

終端到基站的距離解算方程組公式為：

其中，R為第個基站到終端的距離，（X，Y）為第個基站的坐標。基于場強進行距離估計時，當終端距離定位基站較近時，信號強度對應的距離分辨率較好，精度較高；當終端距離定位基站較遠時，信號強度對應的距離分辨率較差，精度較低。通常，當定位精度要求在2～3 m時，定位節點部署間距要求在6～8 m。藍牙信號監測數據表如表1所示。

表1 藍牙信號監測數據表

1.2 UWB定位技術

UWB定位技術分為三種，分別為TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）、AOA（到達角度或稱為DOA估計）定位技術，融合定位技術采用的定位模式為TOA，其定位原理如圖3所示，即通過測量移動終端與三個或更多基站之間信號的傳播時間來定位，它采用圓周定位，將信號回傳和定位信號相分離，定位輔助信號采用UWB信標方式部署能采用電池供電，終端通過信標定位并通過通信基站回傳，通信基站收集終端定位數據并將數據傳輸至開放平臺，開放平臺接收數據后通過定位引擎進行實時位置解算，實現了藍牙定位免布線的優勢。

圖3 TOA定位原理

1.3 技術對比

通過以上技術分析可形成簡要技術對比表格，如表1所示。

2 融合定位技術方案

2.1 存在性和普通定位技術方案

基于藍牙定位技術的人員定位是一種實時定位，可以實現電子圍欄、歷史軌跡、精準查詢等功能，藍牙定位技術具有成本低、免布線等特點。藍牙定位還可以與北斗定位相結合，定位終端內置北斗定位芯片和藍牙芯片，實現廠區室內外一體化定位解決方案。藍牙定位技術的出現，使普通的智能設備也具有了定位功能。施工場地的施工人員眾多，難以實現高效管理、快速調度。設備、物資存放分散，難以實現快速定位貨物、統計庫存、責任到人。難以實現對高危區域的有效監管和區域界定。在施工現場布設藍牙網關和藍牙信標，通過施工作業人員配備的定位工卡或安全帽等終端，與藍牙信標通信確定實際的相對位置，最終將位置信息通過藍牙網將信號數據回傳至服務器，這樣就實現了對施工人員的實時定位，不僅能起到監督工作的效果，還能時刻關注到工人的安全。藍牙無線定位系統在需要定位的應用場景內布設分布式藍牙信標，形成無線定位環境，為人員或物品佩戴定位器，實現對現場人員、車輛、重要物資以及現場作業的全方位可視化管理，從而有效提升安全管理水平。藍牙定位的優勢在于定位精度基本滿足業務需求，具有定位成本低、功耗低、施工安全風險低等特點。

表1 定位技術對比

2.2 精確定位技術方案

UWB超寬帶技術是一種基于極窄脈沖的無線技術，具有傳輸速率高、發射功率低、抗多徑效果好、安全性高、穿透能力強等優點。UWB定位精度高，可以做到亞米級，在較好的環境下可以做到5厘米甚至更高的定位精度，并且設備功耗很小，在有線環境下標簽為800 mAh的鋰電池可以連續使用幾個月，在信標方案部署下標簽為800 mAh的鋰電池可以連續使用半個月。信標部署方案融合了藍牙定位部署的優點，具有低成本的優勢。UWB抗干擾能力強，UWB定位采用時間間隔極短的脈沖進行通信，具有較強的抗干擾能力。

3 融合定位技術應用

利用融合定位技術將現場人員的實時位置信息顯示出來并記錄其行動軌跡，對其工作進行量化管理，提高其工作效率。定位系統具有定位準確、連續工作時間長、易使用、易維護、無需額外部署定位基站、網絡設施等優點，更適用于復雜的工地環境。有突發情況發生時，救援人員可根據該系統的高定位精度來判斷相關人員的所在位置，及時采取相應的救援措施，提高救援工作的效率。這個功能的日漸完善在很大程度上提高了工地的安全性，進一步加強了管理者對現場情況的控制。定位系統以定位終端標記來訪人員信息，將來訪人員位置、業務狀態影像等信息以數據形式集成到訪客定位管控平臺，全面記錄和直觀展現院內所有人員的一舉一動。人員定位管理系統不僅可以實時查看人員的當前位置，統計各區域人數，還可以關聯安防系統中的攝像頭，若有人進入非授權區域或某個場所來訪人數突然增加，系統會自動報警，主動顯示相關區域視頻。在智慧工地中融合定位系統可實時獲取特定區域人員和車輛詳細信息及分布情況，對人員串崗、睡崗、脫崗及車輛違規停放行為進行管理。對外包人員、臨時訪客及外來車輛進行有效管理，如限制工作區域或訪問區域，限制進入時段等。通過巡更人員定位實現自動化巡更管理，對巡更路線及巡更報表有據可查，提升安全管理水平。同時系統可聯動鷹眼視頻監控，實現實時定位追蹤，對定位對象進行可視化的管理。聯動智能廣播系統，實現精準化區域廣播，提高應急響應能力。事故發生后，啟用雙向報警及下發消息的功能，迅速確定人員位置，及時制定有效的救援方案，保障員工的生命安全。對移動吊車、塔吊等危險性區域進行實時監測，實現避碰及警戒區報警，塔吊防超載防傾翻并進行吊裝過程分析。通過二維或三維模型形成數據集成載體的顯示平臺，對人員、車輛、重點物資進行可視化管理。實時展示區域可實現對模塊化產品、人車物狀態、告警、數據等信息的自由組合展示，最終通過三維地圖的可視化綜合展示和管理方案，實現安全智能預警和安全風險管控“一張圖”，展示效果如圖4所示。

4 結 論

融合人員定位系統補足了現有項目管理的薄弱環節和存在的安全風險，提高項目決策管理的及時性和準確性，提升施工的智能化水平和運行效率，為項目的安全穩定運行提供有力的保障。使用人員定位系統方便管理人員管理各個不同區域、不同作業面、施工人員的實際情況，滿足施工管理模式要求。融合定位系統是互聯網+物聯網在建設工程領域的具體體現，通過應用平臺實現對人員、物資的實時管控，通過系統聯動和智能分析達到預警的作用，真正做到事前預警、事中常態檢測、事后規范管理，實現更安全、更高效、更精益的工地施工管理，增強建筑工程安全生產的感知、監測、預警、處理和評估能力，提升應急管理體系和能力現代化，真正解決建設工程中出現的監管薄弱、人員管控難等問題，所以融合定位技術未來必將成為項目建設管理方不可或缺的選擇。

圖4 系統主界面