北斗及超寬帶定位技術在膠州灣海底隧道施工工程中的應用

文 | 陸躍東 桂敏 馬福行

交信北斗（北京）信息科技有限公司

一、引言

海底隧道施工是一項非常復雜的工程，隧道內環境惡劣，施工現場通常是高鹽、高溫、高濕的環境，隧道內作業困難且極易發生危險，施工企業一旦發生事故，不僅遭受損失，也將面臨越來越嚴厲的懲罰和監管，因此對隧道內工作人員和車輛的實時定位有著極其重要的安全意義。由于各種定位技術都存在著各自的局限性，在海底隧道施工工程中往往要綜合運用多種技術來獲得更加精確和可靠的定位和導航信息，以確保工程順利進行。本文介紹了利用北斗及超寬帶（UWB）定位技術在膠州灣海底隧道施工工程中的應用情況。

二、工程介紹

青島膠州灣第二海底隧道連接青島西海岸新區和主城區，是青島市交通網絡的重要組成部分，海域隧道全長9.95km，該項目按照城市快速路標準建設，設計時速80km/h，隧道內通行車輛要兼顧客運和貨運，采用鉆爆（西側）、盾構（東側）與明挖的組合方法施工。海底隧道工程施工現場是高溫、高鹽、高濕的復雜環境，要求施工設備符合防水、抗震、耐腐蝕的高環境要求，硬件終端設備還應符合同步輕便、小體量、易安裝、高魯棒性、支持多種通信方式等應用要求。

在海底隧道施工工程中，應用北斗和UWB 定位技術，可以實現施工人員及車輛實時精準定位與防碰撞監控告警。系統通過對施工人員車輛實時自動（位置）跟蹤，全面掌握人員車輛在隧道的活動軌跡、位置分布，并且可實現緊急情況下的雙向報警。依托二三維電子地圖，以可視化的形式直觀展示人員車輛的實時狀態信息，當遇到隧道突發事故，可以迅速找到被困人員的位置。另外，系統還支持施工人員全天候考勤與工時統計、歷史軌跡存儲與回放、人員車輛電子圍欄觸發告警等功能，在保障人員安全的同時，有效提升了管理效率。

三、北斗RTK 定位和UWB定位技術特點

北斗RTK 定位是一項成熟的技術，是一種利用衛星導航系統進行實時定位的方法，它通過測量衛星信號的相位差來獲得精確的位置信息，具有廣泛的應用和較高的可靠性以及全球性的覆蓋范圍，不受地點因素的限制。在北斗RTK 定位技術中，首先需要設置一個已知坐標的基站，在基站接收到多顆北斗衛星的信號后，記錄衛星信號到達時間和其他相關參數。基站將測量數據傳輸給定位終端，定位終端利用基站和自身觀測數據之間的差異來計算兩者之間的相對位置，即相對差分。通過這種實時計算，定位終端可以獲得自身的實時坐標。

北斗RTK 定位具有精度高、實時性強和動態定位等優勢。利用多顆衛星信號和差分計算，可以達到亞米級甚至更高的定位精度。同時，實時數據傳輸和計算保證了定位的實時性，適用于動態的定位需求，可以追蹤移動設備或車輛的位置變化。因此在隧道外定位場景中，采用北斗RTK 定位可以實現人員車輛的實時精準定位。

UWB 定位技術是一種高精度的短距離室內定位技術，它基于超短脈沖信號，能在無需鏈路前置的情況下進行室內定位，且可以應用于不同場景下的位置服務和追蹤。

在隧道內定位時，可以通過在隧道內安裝一組UWB 基站和UWB 標簽節點，進行區域信號覆蓋。UWB 基站發送超短脈沖信號，通過測量脈沖的到達時間和信號的幅度，實現以厘米級甚至更高精度的室內定位。此外，UWB 定位具有抗干擾能力強和實時性強的優點，超寬帶信號具有較強的抗多徑干擾和抗遮擋能力，在室內環境中能夠提供可靠的定位性能且UWB技術的測量和計算過程非常快速，幾乎可以實現實時的定位結果輸出，因此其更適用于隧道內的定位場景。

四、隧道外衛星導航高精度定位應用

隧道外衛星導航高精度定位系統包括隧道外高精度定位基準站和隧道外作業區北斗高精度定位平臺兩部分。

1.隧道外高精度定位基準站

在隧道兩側0.5～3km 建設2 個穩定運行的北斗高精度定位基準站，基準站的相關資源與交通運輸北斗高精度導航與位置服務信息資源中心工程數據融合，實現信息、資源和業務的協同，提高管理效能。基準站設備符合交通運輸行業權威部門監測標準。基準站采用多星座增強技術（北斗、GPS、GLONASS 等），用于構建高精度的區域參考框架和位置服務基準，提供高效的區域增強（厘米級、分米級）服務。實現隧道外3km 內和3km 外完全覆蓋，支持車輛和人員陸域隧道3km 范圍內10～30cm 的厘米級服務，陸域隧道3km 外分米級服務；支持車輛全市區高精度增強服務覆蓋，支持陸域隧道3km 以外人員和車輛全覆蓋。基準站建設部署如圖1 所示。

圖1 北斗高精度定位基準站部署圖

每個基準站配置2 臺基準站接收機，用于衛星導航原始觀測數據采集與原始觀測量數據上傳，一主一備，主設備用于實際采集，備用設備用于主設備出問題時的更換。2 個基準站原始觀測數據要接入交通運輸部交通運輸北斗高精度導航與位置服務信息資源中心。

基準站建站可根據項目定制，不限制車輛和人員數量應用。實現一次建站，無限使用，并且該方式為臨時使用和永久使用相結合，后期運維期可以永久復用。

2.隧道外作業區北斗高精度定位平臺

隧道外作業區北斗高精度定位平臺接收基準站設備數據并進行處理，實現高效的區域增強（厘米級、分米級）服務。

隧道外作業區北斗高精度定位平臺接收基準站網子系統原始觀測數據，計算標準觀測量，通過衛星導航增強信息服務系統對外進行數據播發服務。平臺系統運行流程如圖2 所示。

圖2 隧道外作業區北斗高精度定位平臺運行流程圖

平臺主要包括衛星導航定位基準服務系統解算模塊、衛星導航增強信息服務模塊、高精度用戶綜合服務管理模塊、運行狀態監控模塊與數據庫模塊等。

五、隧道內UWB 精準定位應用

1.隧道內人員車輛定位

通過在隧道內平均每125m 安裝一個高精度融合定位基站，高精度融合定位基站可以實現隧道內的精確定位，采用先進的脈沖無線定位技術，能夠實現隧道內人員與車輛的實時高精度定位。通過為施工車輛安裝防撞基站、施工人員佩戴定位防撞標簽的方式來實現對施工作業車輛、人員的精確位置定位，實現空間一維、二維定位，精度高達10～30cm。

車載防撞基站由主控芯片、UWB 模塊、4G 通信模塊、北斗模塊、以太網連接器以及聲光報警器等組成。4G 通信模塊和以太網連接器分別用于實現無線和有線的信息傳輸，聲光報警器在人車距離超出安全限制時自動報警，UWB 模塊用來定位目標。此外還預留了北斗定位模塊，用于后續可能需要的融合定位場景。

定位防撞標簽由主控芯片、可充電鋰電池、充電控制電路、磁吸充電模塊、電機、UWB 模塊、SOS 報警按鍵和兩個LED 指示燈組成。該標簽可對佩戴人員進行實時自動跟蹤，隨時掌握每個員工在隧道的位置及活動軌跡、全隧道人員的位置分布。

作業人員及車輛信息管理功能可通過定位終端數據，自動生成全面的作業人員和車輛信息，在電子地圖上實現實時顯示，并具備綜合查詢功能，同時用戶可對施工范圍內的人員及車輛信息進行編輯。佩戴了定位防撞標簽的人員和安裝了車載防撞基站的車輛，在隧道內施工作業時，可通過二維三維電子地圖，實時顯示準確位置信息。通過實時掌握洞內外作業人員和車輛分布情況，對施工人員和車輛進行實時位置跟蹤管理，如圖3 所示。

圖3 隧道電子地圖

隧道人員車輛定位系統還支持全天候考勤，對施工人員實時自動（位置）跟蹤，全面掌握施工人員在隧道的活動軌跡、位置分布，并且可實現緊急情況下的雙向報警。當遇到隧道突發事故，可以迅速找到被困人員的位置信息，保障人員安全的同時，有效提升管理效率。

2.施工作業人車防撞系統

通過建設洞內外一體化施工作業人車防撞系統，滿足作業人員、車輛緊急事件處理需求。通過作業人員佩戴定位防撞標簽、車輛安裝防撞基站和聲光報警器，為施工管理者和業主提供統一的施工作業人車防撞報警信息管理與服務。

施工車輛車載防撞基站能實現與定位防撞標簽的實時測距，當任何車輛距離小于預警距離時，聲光報警器將觸發危險報警，提醒駕駛員和人員注意避讓，有效地避免安全事故發生（圖4）。

圖4 人員車輛防撞示意圖

如圖5 所示，車載防撞基站支持隧道內外高精度融合定位同時支持人車防撞，車載終端配合聲光報警器，設置好合適的安全距離，當人員和車輛或者車輛和車輛位置小于設定的安全距離將會觸發報警，聲光報警器播放警示語音，同時人員佩戴的標簽震動提示。

圖5 車輛定位與防撞基站（左）及聲光報警器（右）

六、結束語

從上述分析可以看出，北斗和UWB 定位技術在海底隧道工程中具有非常重要的應用價值。該技術能夠提供高精度、高可靠性和高穩定性的實時定位服務，在海底隧道施工環境下保障施工人員和車輛的安全。本文北斗和UWB 定位技術在海底隧道工程的應用介紹能夠對該技術在未來的發展和更多領域的應用提供一些參考價值。隨著科技不斷發展和海底隧道工程不斷推進，北斗和UWB 定位技術的應用也將進一步發展和完善，有望實現更高精度、更廣覆蓋面積和更可靠的定位服務，為海底隧道工程的施工提供更有力的安全保障。