UWB技術(shù)在隧道施工人員定位中的應(yīng)用

蘇凱 吳偉 劉二剛 王記濤 湯莉莉

（1.河南省公路工程局集團(tuán)有限公司海外分公司，河南 鄭州 450000；2.河南金途科技集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450000）

目前高速公路建設(shè)過程中應(yīng)用現(xiàn)代化手段豐富，但隧道的施工環(huán)境依然惡劣，隧道開挖區(qū)域工作危險(xiǎn)系數(shù)仍然很高，特別是在最易出現(xiàn)坍塌的“掌子面”。現(xiàn)有的隧道人員定位系統(tǒng)，通常只具備考勤統(tǒng)計(jì)和區(qū)域定位功能，不能滿足人員精準(zhǔn)定位及災(zāi)后救援的需求；部分產(chǎn)品雖已采用了UWB技術(shù)進(jìn)行人員定位，但定位基站的設(shè)計(jì)多為傳統(tǒng)的“基站內(nèi)”定位模式，不符合施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境需求，如：無法避免由于隧道掌子面前移，而需不斷挪動(dòng)前端定位基站而造成定位功能真空期的問題。基于以上原因，在隧道施工過程中，需要一種真正高效、準(zhǔn)確的定位方法，切實(shí)解決目前在建隧道安全建設(shè)中人員“精準(zhǔn)定位”的難題。

一、UWB定位技術(shù)在隧道建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)

近年來,出現(xiàn)了超聲波視覺定位、Wi-Fi、射頻識(shí)別、藍(lán)牙等多種無線定位方法和技術(shù),依靠紅外線發(fā)射或超聲波發(fā)送后返回視覺信息定位，在某些特定環(huán)境情況下，例如商場(chǎng)、辦公樓等，能夠得到較穩(wěn)定的定位數(shù)據(jù),但在隧道建設(shè)領(lǐng)域，由于存在動(dòng)態(tài)施工工序、洞壁潮濕、施工粉塵干擾、洞壁參差不平、掌子面長距離、開挖爆破擾動(dòng)等各類復(fù)雜環(huán)境因素的影響，電磁波信號(hào)被吸收或多路徑干擾環(huán)境定位，定位誤差大。相比，以脈沖電波到達(dá)時(shí)間和到達(dá)角度為數(shù)據(jù)定位依據(jù)的UWB定位，適合隧道施工環(huán)境，隧道洞壁潮濕、粉塵等，均無干擾，可正常工作，定位精度滿足隧道內(nèi)施工定位要求。

二、UWB定位模型

（一）UWB技術(shù)特點(diǎn)

UWB通過脈沖無線電工作，它在寬頻帶上使用一系列脈沖，因此有時(shí)也被稱為IR-UWB或脈沖無線電UWB。UWB脈沖具有多個(gè)適用于封閉、復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)定位的技術(shù)特點(diǎn)。

1.波形特點(diǎn)易于識(shí)別 適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的信號(hào)識(shí)別需求

超寬帶脈沖信號(hào)波峰陡而窄，形狀如尖峰，適于在嘈雜的通道環(huán)境中被定制設(shè)備識(shí)別，能夠滿足有眾多機(jī)械施工的隧道開挖工作環(huán)境。

2.獨(dú)立頻譜 避免信號(hào)干擾

UWB定位和測(cè)距的脈沖在6.5GHz和8GHz之間的頻率范圍內(nèi)工作，遠(yuǎn)離聚集在2.4GHz周圍的繁忙ISM頻段，不干擾頻譜其他頻段發(fā)生的無線傳輸，能夠與現(xiàn)有普遍應(yīng)用的無線形式共存，包括隧道中的無線網(wǎng)橋、Wi-Fi和藍(lán)牙模塊等。

3.信號(hào)傳輸距離可控 可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

UWB通信還可以攜帶數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，UWB的調(diào)制技術(shù)包括脈沖位置調(diào)制和二進(jìn)制相移鍵控，從脈沖頻率特點(diǎn)上，解決了批量隧道內(nèi)人員定位漏檢問題、從功率調(diào)整方面，也滿足隧道施工中從掌子面到二襯臺(tái)車之間，長危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)信號(hào)覆蓋的問題、從基站到定位標(biāo)簽，脈沖信號(hào)到達(dá)的時(shí)間和到達(dá)的角度，解決了精準(zhǔn)定位需求的問題。

（二）UWB定位原理

UWB定位技術(shù)采用電脈沖到達(dá)時(shí)間、到達(dá)角度和綜合算法來進(jìn)行定位數(shù)據(jù)獲取，在實(shí)際應(yīng)用中，確定兩點(diǎn)（如定位基站和定位標(biāo)簽）間水平距離的過程被稱為測(cè)距。以脈沖到達(dá)時(shí)間為例，脈沖飛行時(shí)間（ToF）被用來測(cè)距，利用信號(hào)行程時(shí)間來計(jì)算距離，如圖1所示（設(shè)備1是定位基站，設(shè)備2是定位標(biāo)簽）

圖1 ToF計(jì)算系統(tǒng)于UWB設(shè)備工作原理

飛行時(shí)間（ToF）的計(jì)算值來源于測(cè)量信號(hào)自到達(dá)點(diǎn)傳輸至B點(diǎn)時(shí)間的往返時(shí)間與設(shè)備2的處理時(shí)間之差的一半。為便于確定測(cè)量信號(hào)傳輸過程中地面的覆蓋距離，取ToF與光速的乘積。鑒于UWB的高帶寬（500MHz）的特點(diǎn)，UWB以精確至+/-10cm級(jí)以內(nèi)的測(cè)距精度遠(yuǎn)超使用窄帶收發(fā)器的Wi-Fi和BLE的約+/-1m至+/-5m的粗略數(shù)據(jù)。UWB精確的測(cè)量數(shù)據(jù)值為隧道人員定位技術(shù)奠定了準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)。

三、UWB技術(shù)在隧道施工中的準(zhǔn)確應(yīng)用

隧道內(nèi)站內(nèi)定位方式可以實(shí)現(xiàn)人員定位，但由于隧道掌子面在不斷開挖推進(jìn)，這就需要不斷前移基站定位設(shè)備，每次架設(shè)基站均需重新校準(zhǔn)測(cè)量基站的相關(guān)參數(shù)，且由于受隧道內(nèi)爆破震動(dòng)等因素的影響，站內(nèi)定位基站部署的解決方案不滿足在建隧道施工人眼精確定位的需求，無法適應(yīng)目前隧道安全生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)要求的形勢(shì)。本文提出一種基于基站外定位算法的隧道人員精確定位方案，該方案結(jié)合隧道挖掘工程真實(shí)環(huán)境的實(shí)際需求，在不增加既有硬件配置的基礎(chǔ)上，不再依賴隧道前端的定位基站，只需在二襯臺(tái)車上架設(shè)固定基站，即可精確地定位基站外的掌子面到二襯臺(tái)車的每一位人員的縱橫坐標(biāo)（X、Y軸），且在隧道施工過程中，無需移動(dòng)定位基站，真正體現(xiàn)“可實(shí)施、免維護(hù)、省工序”的創(chuàng)新特點(diǎn)。

四、基站站外人員定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

在隧道開挖建設(shè)中，易出現(xiàn)塌方事故的區(qū)域是在“初襯”到“二襯臺(tái)車”之間，即“二襯臺(tái)車-開挖臺(tái)車”之間如圖2所示。針對(duì)這段最危險(xiǎn)的區(qū)域，國家根據(jù)開挖隧道的地質(zhì)穩(wěn)定程度設(shè)定了相應(yīng)的“圍巖級(jí)別”，并對(duì)開挖掌子面到二襯臺(tái)車的最長距離規(guī)范了對(duì)應(yīng)的“安全步距”，規(guī)范中最長的安全步距為200m，為滿足這樣的施工環(huán)境和施工工序，該方案即針對(duì)開挖臺(tái)車到二襯臺(tái)車之前最易出現(xiàn)隧道安全塌方事故的區(qū)域，基于“基站外定位算法”實(shí)現(xiàn)在此范圍內(nèi)施工人員位置的精準(zhǔn)定位。

圖2 隧道開挖施工現(xiàn)場(chǎng)示意圖

以隧道口向開挖面為參考方向，定位基站架設(shè)在二襯臺(tái)車的前后端如圖3所示，隨著攜帶UWB定位標(biāo)簽的隧道作業(yè)人員在隧道內(nèi)的位置移動(dòng)，定位基站基于UWB電脈沖到達(dá)定位標(biāo)簽的時(shí)間、到達(dá)角度的綜合算法，同時(shí)基于勾股定理“勾三股四玄五”的相對(duì)距離，以及兩臺(tái)基站的不同定位距離，即可計(jì)算“基站外”精確定位數(shù)據(jù)，該算法為“基站外定位”奠定了算法基礎(chǔ)。該定位方法不受定位標(biāo)簽所在位置的影響，只需接收到兩臺(tái)基站的電脈沖信號(hào)并回傳，即可計(jì)算出該定位標(biāo)簽相對(duì)于兩臺(tái)基站的X軸、Y軸的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，該定位算法目前在行業(yè)內(nèi)屬創(chuàng)新應(yīng)用，為隧道開挖施工的人員精確定位帶來了革命性的應(yīng)用方法。

圖3 基站外定位算法示意圖

五、系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

本文描述的方案根據(jù)隧道內(nèi)特殊作業(yè)環(huán)境的需求，重點(diǎn)關(guān)注隧道開挖建設(shè)中最容易出現(xiàn)垮塌的掌子面，即開挖處到二襯臺(tái)車這段區(qū)域。利用UWB定位技術(shù)判定移動(dòng)用戶位置的測(cè)量方法和計(jì)算方法，在真實(shí)隧道定位場(chǎng)景中，已實(shí)現(xiàn)在定位距離200m范圍內(nèi)，定位精度誤差小于30cm，實(shí)現(xiàn)隧道基站外精確定位的創(chuàng)新應(yīng)用。此外，基于創(chuàng)新基站部署模式及定位算法，在配套開發(fā)的隧道人員定位系統(tǒng)中，可基于人員標(biāo)簽動(dòng)態(tài)顯示該隧道人員的身份信息、聯(lián)系方式、具體位置以及工作狀態(tài)信息等，便于管理人員隨時(shí)了解隧道內(nèi)作業(yè)人員的分布情況及具體信息。

六、結(jié)語

本文闡述了利用UWB的技術(shù)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的隧道施工人員定位系統(tǒng)。通過改變基站部署模式，提出了基于該模式的基站外定位算法，結(jié)合配套的采集反饋系統(tǒng)，創(chuàng)新構(gòu)建了一種在建隧道內(nèi)施工人員定位方法及相應(yīng)產(chǎn)品，消除了此前同樣基于UWB技術(shù)的“基站內(nèi)”定位系統(tǒng)的固有弊端，更加適應(yīng)隧道內(nèi)惡劣施工環(huán)境對(duì)設(shè)備運(yùn)行的嚴(yán)苛要求。“基站外”部署方式僅需前后兩個(gè)基站便可測(cè)得每個(gè)標(biāo)簽的二維坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的人員定位。此外，由于前置基站無需靠近掌子面，遠(yuǎn)離粉塵泥水噪音惡劣環(huán)境，設(shè)備可靠性得以極大提高，做到了免維護(hù)，為持續(xù)采集精確的位置信息并順利傳輸提供了保障。作為當(dāng)下智慧工地創(chuàng)新領(lǐng)域，可為日常隧道施工安全管理，以及災(zāi)后營救工作提供最客觀、有效的真實(shí)數(shù)據(jù)，并在隧道安全施工中發(fā)揮日益重要的作用。

圖4 隧道二襯鋼筋綁扎