5G+泛無線融合技術在地鐵施工人員定位中的研究

司福強

（北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

隨著中國物聯網的蓬勃發展與日益增長和5G網絡規模建設，5G網絡的高寬帶、少延時、穩定性高的優勢，為業務開展提供了必要的網絡支撐，并推動著業務的不斷豐富。在地鐵施工建設中，作業人員的活動中80%的時間都用在了地下活動，而室內的GPS、北斗信息服務還不能滿足需求。同時隨著國內城市軌道交通5G互聯網的業務豐富發展，人員定位服務將是城市軌道行業”互聯網+”行動計劃以及地鐵施工建設中必要的手段，如何在復雜的室內環境中為公眾提供智能定位服務已成為業界的熱點問題。本文關于在城市軌道交通地下場景中作業人員定位的方法，根據目前5G+泛無線融合技術進行研究分析。

2 地鐵施工中人員定位的研究背景和意義

2.1 定位研究的背景

在城市軌道交通地下場景中，因為施工基本都是在地下，往往工作環境艱苦惡劣，工作人員眾多，使施工單位面臨非常大的管理困難。近年來，城市軌道交通安全事故時有發生，發生危險事故、造成人員傷亡后往往無法快速報警求救或自救，救援人員也無法精確獲取施工現場人員的實時位置，發生人員傷亡時亦無法快速到達地點實施營救，使城市軌道交通施工安全生產、人員管理的需求更加迫切。綜合來說，這種需求主要包括人員考勤、跟蹤定位、災后急救和日常管理。這些管理需求的實現，核心是對人員的實時跟蹤定位。因此迫切地需要提供一種能夠對地鐵施工現場所有工作人員進行實時亞米級高精度位置數據定位的系統。

2.2 定位研究的意義

在城市軌道交通地下場景的應用中，建設前期搭建的定位系統，基本都是前期臨時性投入，在選用定位技術中，要注意定位精度與成本之間的平衡，因此，在很多情形下，都不必選用較高精度或昂貴的系統。另外，為防止人員信息出現在無法預見的地方，必須繼續研究位置智能的方法，對軌跡進行全面研究，進行系統的誤差校準，從而達到提升定位精度的目的。5G網絡為各種功能性業務提供必要的數據傳輸信道。目前，戶外的服務大部分還是依靠衛星定位系統。GPS、北斗在戶外定位系統中扮演了主要角色。但是，在地下環境和隧道場景，由于GPS衛星、北斗衛星信號遭到阻斷，從而不能通過GPS、北斗定位系統定位，因此必須思考怎樣解決在這種環境下的定位問題。目前，雖然有眾多定位技術作為衛星定位系統的輔助和提高的技術，但不同技術間還缺少有機的、深入的技術融合，僅僅單一地解決了定位精度低或定位時間長的問題，綜合、全面分層整合新的定位系統技術框架，才能夠整合各類定位系統技術。但針對地鐵施工中人員定位系統的迫切需求，目前有以下幾種室內定位系統方法。不同的定位方法有其自身的優點，同時又有相應的不足之處。在選用適當的定位方法時，必須要考慮定位精度、時間、并發等因素，以及系統成本與效率。

3 5G+泛無線技術

3.1 泛無線網絡的概念

泛在無線網絡強調“無所不在”或“泛在”通信理念的特征正日漸清晰，“泛在”也成為了信息時代最主要的特點，泛在網絡已作為信息社會的主要載體并開始形成對信息通信業的廣泛共識。一般來說，它意味著“無處不在的網絡”，即普遍存在的互聯網。其特征為無所不在、包容、無所不能，從而達到了隨時隨地、任何人、任何事物之間的便捷溝通，即5G網絡+泛在互聯網=泛在通信網絡。泛在無線網絡主要包括種類，如圖1所示。

圖1 泛在無線網絡主要類型Fig.1 Main types of ubiquitous wireless networks

3.1.1 Wi-Fi定位技術

目前，Wi-Fi是一項相對成熟且應用廣泛的技術，近年來許多公司都在這一領域進行了投資。Wi-Fi定位可以大范圍的定位，然而易受周圍環境影響，定位精度低，只能達到2 m左右，因此不可能實現精確定位。

3.1.2 藍牙信標技術

藍牙定位技術與Wi-Fi差別不大，但其準確度略高于Wi-Fi。iBeacon藍牙信標技術，通過藍牙硬件、智能終端上的軟件、云端上的軟件后臺，協同工作可以正常操作。終端通過測定其所在位置的接收信號頻率，以估計與烽堠之間的距離。如果終端周圍存在3個及以上，就能夠利用三邊定位技術測算出終端的距離。

3.1.3 RFID技術

RFID室內定位技術通過固定讀卡器讀取目標RFID標簽的特征信息，并通過最近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方式計算標簽的定位。RFID與室內位置技術作用距離非常近，而從它獲取位置信號所需要的時間也非常短，僅需要幾毫秒，但由于電磁場技術非視距等優勢，傳播范圍也較大，而且標識的體積小，售價也比較低廉。但由于它不具備通訊能力，抗干擾能力很差，并不方便地集成在其他信息系統中，且應用的安全隱私保護技術和國際規范也都還沒有完備。

3.1.4 超聲波技術

超聲波定位采用反射測距法進行定位。由一個主測距儀和幾個接收機組成。主測距儀可以放置在被測目標上，接收機固定在室內環境中。在定位過程中，相同頻率的信號傳輸到接收機，然后再反射和傳播給主波測距儀。通過回波與發送信號之間的時間差測量位置，從而確認距離。其定位精度好，構造簡潔，但受多徑效應、無視線因素、頻率受多普勒效應和環境溫度變化的干擾。同時，它又需要大量的基本硬件設備，成本較高。

3.1.5 UWB定位技術

超寬帶技術采用納秒非正弦窄脈沖傳輸數據，具有頻譜寬、時間分辨率高的特點。定高UWB系統可以在特定的室內環境中實現對定位目標的實時跟蹤定位，并實時顯示定位目標在空間的高度變化。具體對比如表1所示。

表1 各個定位技術性能對比Tab.1 Comparison of performance of various positioning technologies

3.2 各類定位技術性能對比

目前，各類定位技術各有優點，但又有一定的局限。在選用適當的定位技術時，必須綜合考慮定位精度、延時和并發性等能力。同時，還應充分考慮設備的成本與功耗。對比情況如表2所示。

表2 各種融合方案對比Tab.2 Comparison of various fusion schemes

3.3 5G+泛無線融合

“5G+泛無線融合”體系主要包括設備級和管道級融合。利用5G基站的廣泛部署，結合泛無線的室內技術，不管是從設備端或者是管道的傳輸進行集成，都將是一個“1＋1＞2”的強強聯合。5G+泛無線融合網絡，使網絡部署更加靈活，維護更加方便，定位服務更加廣泛。不同融合技術提供不同的定位精度。根據應用場景的特點，匹配出滿足應用位置融合的最佳解決方案。表2對各類綜合定位技術進行了比較，給出了推薦的應用場景，當然，最終選擇的解決方案需要根據自身特點、定位精度和定位終端成本要求等因素綜合考慮。

4 5G+泛無線融合室內定位方案

4.1 場景需求

城市軌道交通施工建設以往采用傳統的管理方式，存在安全管理隱患大、無法有效監督和統計人員的到崗到位情況、高危作業場景或重點區域的監督防范的可靠性得不到切實保證、施工現場工器具管理粗放且存在到檢未檢的漏洞、外來車輛與人員缺少實時監控等諸多問題，因此需要借助高精度定位技術進行實時管理。但與此同時，鐵路建設城市軌道交通地下作業場景不僅具有專業交叉嚴重、作業人員多、高遮擋等缺點，而且作業范圍大、環境復雜，存在布線難、成本高等問題。

4.2 解決方案

針對上述需求現狀，通過5G網絡通訊和藍牙高精度定位融合后，充分發揮運營商5G網絡建設的規模優勢，通過5G網絡通訊、MEC邊緣計算、切片能力為城市軌道交通地下施工場景提供一個虛擬無線專網，從終端到網絡接入、施工現場應用等可以實現端到端的安全和高可靠性。同時，5G基站支持定位設備一體化部署，可以同時部署通信網絡和定位網絡兩個網格。定位系統可充分利用5G基站的供電、傳輸等資源，以節省建設成本。

1）前端設備組成

前端設備主要由攝像機、藍牙定位基站、5G專網基站（BBU＋RRU）、5G公網基站（BBU ＋RHUB ＋Pico）、5G用戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）組成。

5G CPE提供無線回傳及接口，滿足前端設備接入和數據無線傳輸需求。藍牙定位基站提供高精度定位能力。5G基站提供藍牙定位的數據回傳通道。

公網攝像機與CPE利用以太網線連接，通過空口與公網Pico進行通信，數據通過公網BBU接入核心網，專網攝像機與CPE利用以太網線連接，通過空口與專網RRU進行通信，數據通過專網BBU接入核心網，同時專網攝像機可實現用戶面數據下沉到專網UPF。業務網管可通過網頁端輸入攝像機IP地址查看前端圖像。

藍牙定位基站通過以太網線與POE交換機相連，并且下掛CPE，實現藍牙基站定位信息通過空口與專網RRU進行通信，數據通過5G專網BBU接入核心網實現數據回傳，將相關故障警告信息上報到服務器。

2）后端設備組成

后端設備主要由5G核心網、藍牙定位服務器、業務網管組成。

5G核心網處理并轉發基站提供的數據，藍牙定位服務器部署藍牙系統智能運維與管控軟件，提供系統管控能力。

業務網管通過訪問服務器，獲取視頻及定位數據，實現查看藍牙基站位置及狀態信息，完成維護操作。同時基于5G公專網回傳的前端攝像機可以與藍牙定位系統進行關聯，實現定位與視頻的聯動監控。其組網架構如圖2所示。

圖2 5G融合藍牙組網架構Fig.2 Networking architecture of 5G+Bluetooth fusion

3）定位精度計算方法

對于二維定位，人員真實位置坐標記為（x0，y0），系統定位的坐標記為（x，y），單點單次定位誤差計算方法如公式（1）所示。

假設在一個位置定位N次，第i次得到的人員位置坐標記為（xi，yi），i＝1, 2, 3…N，該人員的定位精度計算方式如公式（2）所示。

通過將藍牙定位技術與5G融合應用，實現對城市軌道交通地下施工人員、車輛、工具等的實時定位，并將位置數據實時地將人、車、物的位置信息顯示在項目指揮中心，并結合電子圍欄、應急救援、智能調度等功能，實時定位產生的位置首先能直觀地顯示各類元素的位置，方便施工企業管理者對各類生產元素的監督。融合定位系統開放位置API接口，可考慮與已有系統進行無縫對接，實現施工區域運行管理、高風險運行監控、值班管理、檢驗過程管理、工具管理、車輛實時跟蹤監控的智能化和精確化控制，如圖3所示。

5 結束語

5G室內綜合定位解決方案提供了一個開放的系統。5G+泛無線定位技術融合、共存、協調發展。根據實際應用需要，可以滿足不同的定位精度。根據企業的發展，可以采取相應的解決方案，促進企業的數字化、智能化發展。