基于基站定位技術(shù)的工地現(xiàn)場(chǎng)人員定位報(bào)警方法研究

文／顧遠(yuǎn)輝、劉宇、王帥 中建八局第二建設(shè)有限公司 山東濟(jì)南 250000

引言：

依據(jù)不同的通訊技術(shù)，基站定位有不同的定位精度，比如4G 基站定位精度大約在10 米，5G 基站定位精度大約在5 米。相比于其他定位技術(shù)，基站定位的精度較差。當(dāng)前，在新冠疫情下，工地經(jīng)常是疫情爆發(fā)點(diǎn)，常用的疫情監(jiān)控解決方案是，在地圖上對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)劃定電子圍欄，使用手機(jī)設(shè)備對(duì)建筑工人進(jìn)行基站定位（多數(shù)建筑工人的手機(jī)不具備GPS 模塊），對(duì)電子圍欄范圍外的工人進(jìn)行報(bào)警[1]。但是由于基站定位的精度不高，造成很多誤報(bào)與漏報(bào)。本發(fā)明的目的是通過(guò)歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行速度對(duì)實(shí)時(shí)點(diǎn)位的經(jīng)緯度進(jìn)行預(yù)測(cè)，使用預(yù)測(cè)后的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)去檢測(cè)是否超出電子圍欄范圍，從而減少誤報(bào)和漏報(bào)問(wèn)題。

1.工地施工現(xiàn)場(chǎng)定位特點(diǎn)

工地施工人員基站定位系統(tǒng)的無(wú)線通信設(shè)計(jì)一定要實(shí)現(xiàn)和施工公司特殊環(huán)境相符，并滿(mǎn)足相應(yīng)的施工要求。其中工地施工現(xiàn)場(chǎng)傳輸環(huán)境復(fù)雜。工地施工現(xiàn)場(chǎng)并非自由空間，電磁波在工地現(xiàn)場(chǎng)傳輸中也存在有根本性制約。施工現(xiàn)場(chǎng)也存在有各種阻擋體、有拐彎和分支、油門(mén)密封區(qū)域等等，這些均會(huì)對(duì)信息傳輸質(zhì)量產(chǎn)生影響。電磁波不但可能會(huì)被吸收，也可能會(huì)頻繁發(fā)生反射和散射情況，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)多徑效應(yīng)[2]。基站獲取信息過(guò)程中，會(huì)同時(shí)接收到不同的反射和散射信號(hào)，信號(hào)之間存在有相干關(guān)系，如果施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，會(huì)存在嚴(yán)重的干擾作用，無(wú)法及時(shí)獲取有用信息，也就導(dǎo)致在工地現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)電磁波的遠(yuǎn)距離傳播。因此在工地施工通信設(shè)備選擇中，主要要求為：第一，設(shè)備體積小。工地施工現(xiàn)場(chǎng)存在各種限制因素，安裝無(wú)線通信設(shè)備的時(shí)候存在一定限制，基站天線體積也不能夠過(guò)大，所以在移動(dòng)臺(tái)選擇中需要合理設(shè)置設(shè)備體積以及重量。施工人員手機(jī)則是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，現(xiàn)在大部分施工人員均配備有手機(jī)，但是部分手機(jī)不具備定位功能，基于此可以盡可能確保每個(gè)施工人員手機(jī)可以提供定位服務(wù)，進(jìn)而為施工人員定位預(yù)測(cè)提供便利；第二，發(fā)射功率小。在工地施工安全施工電氣設(shè)備要求中，需要確保最大輸出功率在25W 以下，所以移動(dòng)通信設(shè)備不能因?yàn)橄胍哟髠鬏斁嚯x，而盲目的提升設(shè)備發(fā)射功率；第三，抗干擾能力強(qiáng)。工地現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)電氣設(shè)備較為集中，且也存在部分大功率機(jī)電設(shè)備，在其啟動(dòng)和關(guān)閉中對(duì)于通信設(shè)備存在比較大的干擾作用，所以通信設(shè)備一定要具備比較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.基站定位預(yù)測(cè)的必要性

基站定位預(yù)測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中，可以為工程建設(shè)安全提供有效保障，通過(guò)這一技術(shù)構(gòu)建管控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)工地管控全過(guò)程的移動(dòng)互聯(lián)，以此為工地現(xiàn)場(chǎng)管控狀態(tài)的可感知性和信息化提供保障，有助于顯著提升工地疫情管控能力，保障工地現(xiàn)場(chǎng)安全[3]。其中基站定位預(yù)測(cè)必要性主要體現(xiàn)在：

2.1 順應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，建立智能化信息化管理系統(tǒng)

在新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展環(huán)境下，積極響應(yīng)工地建設(shè)智能化發(fā)展需求，促進(jìn)工地全過(guò)程管控建設(shè)發(fā)展，可以在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及基站定位等技術(shù)的應(yīng)用下，建造工地“智能+”管控服務(wù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升管控工作質(zhì)量，為工地現(xiàn)場(chǎng)施工安全性提供保障。

2.2 打破工地現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域限制，保障工地現(xiàn)場(chǎng)有效管控

在工地施工現(xiàn)場(chǎng)，存在一定的區(qū)域分割，想要實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)、無(wú)障礙溝通，及時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)所有人員情況，提升工地現(xiàn)場(chǎng)施工安全性，也就可以強(qiáng)化基站定位預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用，針對(duì)工地施工人員實(shí)施有效管理，實(shí)施反饋工地施工人員施工狀態(tài)和所在位置，以便于發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)定位施工人員位置，有效保障施工人員人身安全。基站定位技術(shù)在應(yīng)用中成本低，便于操作，可以為工地現(xiàn)場(chǎng)人員管理提供有效保障。

2.3 提升施工人員履職能力，保障工程管控質(zhì)量

因?yàn)楣こ添?xiàng)目通常工期較長(zhǎng)，工地施工現(xiàn)場(chǎng)面積較大，為便于日常管控，施工人員也需要長(zhǎng)期居住在工地，或者是在管理過(guò)程在施工現(xiàn)場(chǎng)聘用部分施工人員，此情況下會(huì)導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)管控施工人員到崗到位情況，容易發(fā)生空崗、漏崗情況，進(jìn)而影響到施工現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量和效率，無(wú)法保障施工人員的履職盡責(zé)。因此在基站定位預(yù)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用下，也可以對(duì)施工人員實(shí)施管控，以此保障施工人員及時(shí)到位到崗，以此為施工現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量以及效率提供有效保障。

3.工地現(xiàn)場(chǎng)基站定位預(yù)測(cè)算法

算法整體流程如下：

步驟1：手機(jī)軟件使用基站定位技術(shù)獲取時(shí)刻T 建筑工人的人員編號(hào)ID、經(jīng)度LONGT、緯度LATT、unix 時(shí)間戳T（從1970年1月1日，即UTC/GMT 的午夜開(kāi)始所經(jīng)過(guò)的秒數(shù)）、瞬時(shí)速度值ST。

步驟2：手機(jī)軟件將時(shí)刻T 的數(shù)據(jù)ID、LONGT、LATT、T、ST傳輸給后臺(tái)服務(wù)器程序。后臺(tái)服務(wù)器程序根據(jù)人員編號(hào)ID，提取出歷史unix 時(shí)間戳和速度數(shù)據(jù)[(TT-n,ST-n), (TT-n-1,ST-n-1),……, (TT-2,ST-2) ,(TT-1,ST-1)]服務(wù)器端運(yùn)行本發(fā)明算法，得出T 時(shí)刻的預(yù)測(cè)經(jīng)緯度Predict-LONGT，Predict-LATT。

步驟3：根據(jù)預(yù)測(cè)后的經(jīng)緯度，判斷該點(diǎn)位是否超出電子圍欄，超出進(jìn)行報(bào)警[4]。

其中步驟2 中的預(yù)測(cè)算法流程如下：

（1）設(shè)定工地人員運(yùn)行速度范圍[0-20]km/h（工地現(xiàn)場(chǎng)主要通行方式是步行、電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)，步行速度一般在4km/h-6km/h，電動(dòng)車(chē)速度一般在10km/h-15km/h，汽車(chē)速度一般在20km/h 以下）。

（2）對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，將不在此范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，自T 時(shí)刻開(kāi)始向前選取100 組數(shù)據(jù)，不足100 組按實(shí)際數(shù)據(jù)量計(jì)算。

（3）取歷史數(shù)據(jù)中時(shí)間戳距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)作為時(shí)間零點(diǎn)，歷史數(shù)據(jù)中每一組數(shù)據(jù)的時(shí)間取本次時(shí)間戳減去零點(diǎn)時(shí)間戳的差值，并將單位換算為秒。

（4）對(duì)清洗后的歷史數(shù)據(jù)使用多項(xiàng)式擬合（工地現(xiàn)場(chǎng)人員以步行、電動(dòng)車(chē)、汽車(chē)、施工車(chē)輛為主要交通工具，但各類(lèi)交通工具在工地現(xiàn)場(chǎng)基本都是低速、勻速或緩慢加速狀態(tài)，因此曲線是介于[0,20]km/h 之間的平滑曲線），生成預(yù)測(cè)模型[5]，具體步驟如下：

對(duì)于給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)(Ti,Si)，i=1,2,……,n，n＜=100求做5 次多項(xiàng)式(考慮到實(shí)際使用中可承受的計(jì)算量負(fù)載，本模型假設(shè)為5 次多項(xiàng)式)。

Si= a0Ti5+a1Ti4+a2Ti3+a3Ti2+a4Ti1+a5

通過(guò)最小二乘法擬合此多項(xiàng)式，計(jì)算出（a0,a1,a2,a3,a4,a5）

（5）使用模型預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行速度Predict-ST。

（6）使用Haversine 公式計(jì)算T 時(shí)刻點(diǎn)位(LONGT，LATT)和T-1 時(shí)刻點(diǎn)位(LONGT-1，LATT-1)的距離d。計(jì)算公式如下：

R 為地球半徑，可取平均值6371km；

φ1，φ2表示兩點(diǎn)的緯度；

Δλ 表示兩點(diǎn)經(jīng)度的差值；

（7）根據(jù)預(yù)測(cè)運(yùn)行速度計(jì)算修正距離Predict-d，公式如下：

如果Predict-ST＞= ST

Predict-d = d＊(1+Predict-ST/ ST)

如果 Predict-ST＜ ST

Predict-d = d＊(1-Predict-ST/ ST)

（8）根據(jù)(LONGT、LATT)和(LONGT-1、LATT-1)計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)之間的方位角a，計(jì)算公式如下：

a=arcsin(( LONGT- LONGT-1)＊ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360/d)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

（9）計(jì)算預(yù)測(cè)后的經(jīng)緯度坐標(biāo)Predict- LONGT，Predict- LATT，并將預(yù)測(cè)后的坐標(biāo)返還給調(diào)用方。Predict- LONGT，Predict- LATT具體計(jì)算公式如下：

Predict- LONGT= LONGT-1+ Predict-d ＊ sin(a)/(ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360)

Predict- LATT= LATT-1+ Predict-d ＊ cos(a)/(ARC＊2π/360)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

4.工地現(xiàn)場(chǎng)基站定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 工地現(xiàn)場(chǎng)基站定位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括有三個(gè)，功能主要為：

（1）采集應(yīng)用層，主要可以將其分成兩部分，分別為采集和應(yīng)用部分。其中在采集部分主要是在設(shè)備的應(yīng)用下實(shí)時(shí)獲取相關(guān)基站信息，對(duì)當(dāng)前施工人員位置信息進(jìn)行計(jì)算，且能夠在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器。

（2）傳輸分析層，主要可以將其分成兩部分，分別為傳輸和分析。其中傳輸是在工地現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)以及運(yùn)營(yíng)上通信網(wǎng)絡(luò)即可以實(shí)施信息傳輸。分析是在公司監(jiān)控服務(wù)器的應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)分析；

（3）監(jiān)控應(yīng)用層，這一層功能實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)公司監(jiān)控顯示屏以及監(jiān)控服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于施工人員位置信息可以在顯示屏地圖上動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，對(duì)于工地施工人員的管控?cái)?shù)據(jù)可以在服務(wù)器的應(yīng)用下實(shí)施智能收集，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工履職記錄的留存管理。

4.1.2 軟件設(shè)計(jì)

智能定位系統(tǒng)依照信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)施安全架構(gòu)，在其軟件部分設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要其中分成三類(lèi)，分別為第一類(lèi)面向公司管理人員；第二類(lèi)，面向施工項(xiàng)目部管理人員；第三類(lèi)面向現(xiàn)場(chǎng)施工人員。其中在采集應(yīng)用層面向第二類(lèi)和第三類(lèi)用戶(hù)情況下，主要是實(shí)現(xiàn)針對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的管控和施工人員個(gè)人管控。整體管控中，即為第二類(lèi)用戶(hù)在工地開(kāi)工之前，可以將相關(guān)信息提前錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，以能夠?yàn)楣こ坦芾頂?shù)據(jù)庫(kù)建立提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；施工人員個(gè)人管控即為第三類(lèi)用戶(hù)結(jié)合工程安全質(zhì)量控制要求，并和實(shí)際工程進(jìn)度相結(jié)合，通過(guò)自己的手機(jī)設(shè)備提前將個(gè)人位置、施工內(nèi)容以及日期等基本信息上傳到系統(tǒng)，且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按時(shí)到崗到位，在工作中及時(shí)進(jìn)行簽到、簽退以及拍照等操作。

傳輸分析層主要即為數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)所采集到的工程現(xiàn)場(chǎng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)以及施工人員信息疊加，即可以實(shí)施數(shù)據(jù)分析。在此過(guò)程中主要信息為工程管理項(xiàng)目庫(kù)、相關(guān)施工人員信息庫(kù)等。其中人員動(dòng)態(tài)信息庫(kù)主要包括有施工人員姓名、身份信息、崗位以及人員圖片信息等，以此便于實(shí)現(xiàn)對(duì)于公司各級(jí)人員的統(tǒng)一管理。

監(jiān)控應(yīng)用層為第一類(lèi)用戶(hù)，可以將整個(gè)工地地區(qū)信息智能展示出來(lái)，將工地現(xiàn)場(chǎng)施工人員到崗情況實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，且專(zhuān)門(mén)設(shè)置有公司系統(tǒng)管理員權(quán)限，可以依照自身需求進(jìn)行菜單、操作功能權(quán)限管理。

4.2 工地現(xiàn)場(chǎng)定位預(yù)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

4.2.1 實(shí)時(shí)定位工地現(xiàn)場(chǎng)施工人員

工地現(xiàn)場(chǎng)施工人員需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)按時(shí)到崗，完成相應(yīng)的簽到、簽退以及拍照等操作。通過(guò)手中的手機(jī)設(shè)備會(huì)實(shí)施將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用層，且在監(jiān)控地區(qū)中動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)。如果工程施工中，是在沒(méi)有運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的工程現(xiàn)場(chǎng)，也按時(shí)采集施工人員定位信息，且將其在手機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)施存儲(chǔ)，在施工人員運(yùn)動(dòng)到有網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好區(qū)域后，接入網(wǎng)絡(luò)也就可以實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸[6]。

針對(duì)工程延遲或請(qǐng)假的施工人員，可以在計(jì)劃外操作或請(qǐng)假審批、工作交接方式的應(yīng)用下，自動(dòng)記錄無(wú)故不到崗施工人員，即為缺勤。在系統(tǒng)應(yīng)用下可以將現(xiàn)場(chǎng)施工人員到崗到位和履職情況轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)表格，為施工人員績(jī)效考核提供重要參考依據(jù)。

4.2.2 施工人員軌跡管理

通過(guò)GPS 芯片或設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基站信號(hào)的及時(shí)接收，定位當(dāng)前施工人員的位置信息，且可以迅速將所獲取的信息動(dòng)態(tài)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務(wù)器，服務(wù)器端在獲取施工人員位置信息后，會(huì)將其智能保留一定時(shí)間，同時(shí)也能夠建立施工人員位置信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在針對(duì)以上相關(guān)信息實(shí)施分析、挖掘處理后，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員活動(dòng)軌跡的掌握，通過(guò)地區(qū)將其運(yùn)行軌跡顯示出來(lái)，以此技術(shù)獲取施工人員運(yùn)行軌跡或者對(duì)其行為實(shí)施約束，保障施工人員履職的合理化目的。

4.2.3 工地地區(qū)展示

在施工人員定位預(yù)測(cè)中，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)施整體管控，將整個(gè)工地在監(jiān)控顯示屏上實(shí)施智能化顯示，實(shí)現(xiàn)針對(duì)整個(gè)工地圍墻范圍、區(qū)域劃分的整體性以及動(dòng)態(tài)化展示，與之同時(shí)也可以全面站施工地線路路徑走向以及作業(yè)位置等。另外公司管理人員也可在基站定位技術(shù)的應(yīng)用下，跟著定位導(dǎo)航直接到工地現(xiàn)場(chǎng)施工人員位置。

4.2.4 施工履職記錄

針對(duì)施工人員施工和巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題實(shí)施記錄，且能夠?qū)κ┕と藛T施工記錄實(shí)施留存，所獲取的信息能夠生成統(tǒng)計(jì)表格，不管是施工內(nèi)容，還是發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及工地現(xiàn)場(chǎng)整改情況，均可以實(shí)施定期共享，進(jìn)而積累豐富的施工工作經(jīng)驗(yàn)，以此進(jìn)一步提升工地現(xiàn)場(chǎng)施工工作能力。

5.實(shí)驗(yàn)

（1）設(shè)定人員運(yùn)行速度數(shù)據(jù)有效范圍是[0,20]km/h，劃定電子圍欄四個(gè)點(diǎn)位點(diǎn)1（36.658022588860135,117.06813454627991）、點(diǎn)2（36.65805701611133,117.06478714942932）、點(diǎn)3（36.65482078720795,117.06473350524902）、點(diǎn)4（36.65485521589088,117.06822037696838）。

（2）基站定位軟件收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724 405288696，T=1654494418481，S=8 km/h） 發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器程序。

（3）服務(wù)器程序接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)ID 查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，取最近的100 條有效數(shù)據(jù)（根據(jù)（1）中的有效范圍進(jìn)行清洗，如果不夠100 條數(shù)據(jù)則以實(shí)際條數(shù)為準(zhǔn)）。時(shí)刻T 修改為該組數(shù)據(jù)中時(shí)間戳距離零點(diǎn)時(shí)間戳的秒數(shù)。例如：零點(diǎn)數(shù)據(jù)為（1654494318763,4.6），則（2）中數(shù)據(jù)修改為（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724405288696，T=100，S=8 km/h）。

（4）根據(jù)取出的100 條有效數(shù)據(jù)，對(duì)速度、時(shí)間關(guān)系進(jìn)行建模，根據(jù)模型預(yù)測(cè)T=100 時(shí)刻的速度為 4.5 km/h，實(shí)際測(cè)得速度為S=8 km/h，因此根據(jù)預(yù)測(cè)速度跟實(shí)際速度的比例，預(yù)測(cè)定位軟件上傳的經(jīng)緯度（LONG，LAT），調(diào)整后的經(jīng)緯度為（36.65779881135225, 11 7.06704020500183），進(jìn)一步計(jì)算后，調(diào)整后的經(jīng)緯度在電子圍欄內(nèi)部，因此不需要發(fā)送報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)：

本發(fā)明通過(guò)基站定位歷史數(shù)據(jù)建立運(yùn)行速度預(yù)測(cè)模型，并對(duì)下一時(shí)刻的速度進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)速度和實(shí)際速度之間的比例，修正實(shí)際檢測(cè)到的坐標(biāo)位置，降低了基站定位精度差所導(dǎo)致的高誤報(bào)率。在工地現(xiàn)場(chǎng)人員定位報(bào)警應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用需求的滿(mǎn)足，一旦出現(xiàn)新冠疫情，不但可以迅速定位相關(guān)人員實(shí)時(shí)位置，也可以對(duì)其運(yùn)行軌跡進(jìn)行收集，進(jìn)而強(qiáng)化疫情管控，降低疫情爆發(fā)發(fā)生率，有效控制工地現(xiàn)場(chǎng)疫情爆發(fā)點(diǎn)，實(shí)施良好的工地現(xiàn)場(chǎng)疫情控制。