基于UWB的人員定位系統在地鐵施工中的應用

摘要：隨著城市化進程的加快，地鐵建設逐漸成為城市交通基礎設施建設的重要部分。為了規范地鐵施工過程，確保工序安全，保障人員和財產安全，文章運用UWB（超寬帶）人員定位系統解決施工中動態監控施工人員的問題。在分析UWB技術原理和特點的基礎上，結合地鐵工程施工案例中的實際需求，探討定位系統在監測施工人員位置、管理施工過程、提高安全性及優化人員考勤等方面的應用；通過將傳統的安全管理模式轉變為現代化、信息化的安全管理范式，提升整體的安全管理水平。該系統可為建筑施工領域引入智能、高效的管理手段提供參考。

關鍵詞：UWB技術；人員定位；地鐵施工

中圖分類號：TU94""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1674-0688（2024）03-0097-04

0 引言

地鐵作為一種快速、安全、環保的大容量交通工具，在城市交通體系中起著至關重要的作用。地鐵建設和維護的復雜性對人員安全和工作效率都有較高的要求，傳統的人員管理模式效率較低，而且難以從根本上解決對每個施工人員實行監管的問題。因此，研究先進的人員定位系統是解決這個問題的關鍵。我國有眾多學者對人員定位系統的應用進行了探討。在鐵路隧道施工領域，韋鴻舉［1］以物聯網技術及云計算技術為基礎，研究隧道人員定位系統，在預警及應急處理等方面提供了有力的保障。王亞培［2］通過對定位系統的精心優化，在隧道施工現場布設了基于射頻技術的隧道人員定位基站，該布設方法可實現無死角覆蓋及低成本建設。閆文鑫等［3］提出將RFID（射頻識別）技術應用到新型的隧道施工人員定位與安全管理系統中，通過在隧道外架設基站、在隧道內鋪設電纜的方式將人員定位技術與安全系統緊密結合。馬亞松［4］將無線傳感器網絡的遠程技術運用于實際工程中，實現了基于Wi-Fi信號的遠距離室內人員定位。此外，段翠翠等［5］為解決高危生產區事故狀態下搜救困難的問題，應用自行開發的LocClient軟件平臺和基于線性調頻擴頻技術的硬件平臺對高危生產區域的人員進行實時監控，掌握其活動軌跡。魏欣［6］采用視頻編解碼技術、無線傳輸技術和視頻分析技術，設計一種隧道施工面無線智能視頻監控系統，為隧道面的安全施工和高效施工提供了保障。這一系列的學術研究為隧道施工的安全性與管理效能的提升提供了理論與實踐的支持。本文深入研究基于UWB的人員定位系統在地鐵施工中的應用，探討其在提高安全性、優化施工流程以及實現實時定位等方面的潛在益處，旨在改善管理模式、降低管理施工工地人員的成本。

1 工程概況

北京地鐵13號線文華路站位于回龍觀西大街與文華路交叉口西側，沿回龍觀西大街東西向設置。本站為地下兩層雙側一島車站，島式站臺寬11 m，側式站臺寬7 m，站內設置停車線及單渡線。車站有效站臺寬158 m，車站總長378 m，標準段寬24.6 m、高14.05 m，加寬段寬31.7 m、高15.05 m。有效站臺中心位置軌面標高為25.5 m，覆土約3.3 m，底板埋深約17.9 m，盾構段長19.4 m。車站采用二層三跨的結構形式，共設置5個出入口、2個風道、1個緊急疏散口及2個無障礙電梯口。車站主體采用明挖法施工，附屬體除出入口下穿道路段采用暗挖法施工，其余均采用明挖法施工。車站兩端均為盾構區間和盾構始發。

2 UWB定位系統簡介

UWB定位系統是一種用于精確定位和跟蹤目標的無線通信技術，其核心原理是通過發送極短脈沖信號進行定位，這些信號具有極高的帶寬，通常在幾百兆赫茲到幾千兆赫茲的范圍內。接收器利用這些短脈沖信號到達的時間和信號強度確定目標的位置。UWB信號具有寬帶性質，因此可以穿透障礙物并在多徑傳播環境下工作。UWB定位系統具有以下優勢和特點。

（1）功耗低，抗干擾性強。UWB定位系統具有低功耗特性，對信道衰落不敏感，具有強大的抗干擾能力；信號穿透性強，但不會對同一環境下的其他設備產生干擾；系統對干擾和多徑效應具有較高的抗性，可以分辨來自不同路徑的信號，從而提高位置測量的準確性。

（2）覆蓋范圍廣，定位精確。定位基站的覆蓋范圍通常在200～300 m之間，適用于覆蓋較大區域的定位需求。UWB定位系統的定位精度通常在幾厘米到幾毫米的范圍內，這對于需要高精度位置信息的應用非常重要，如室內導航、車輛定位等。

（3）實時性強。UWB定位系統能提供快速的位置更新信息，適用于需要快速響應的應用，如移動設備跟蹤和安全應用。

（4）應用領域廣。UWB定位系統在多個領域得到廣泛的應用，如室內定位、智能家居、無人機導航、緊急救援等。

（5）保護隱私。UWB信號具有低功率和高頻譜擴展的特性，因此能在不暴露個人隱私信息的情況下實現位置定位。

總的來說，UWB定位系統具有極高的定位精度和出色的抗干擾能力，適用于多種應用場景，尤其在室內環境和復雜場景中，可提供高效的位置定位解決方案。

3 基于UWB的人員定位系統的應用

3.1 系統設計

UWB人員定位系統的設計涉及硬件和軟件的多個關鍵組件，可以實現高精度、實時的目標定位。

（1）在系統架構設計方面，用于系統內部通信的專網聯網設備負責實現定位終端和定位引擎服務器之間的數據傳輸。定位引擎服務器作為核心組件，負責處理原始數據，進行位置解算和坐標輸出，需要具備高性能的計算能力和大容量標簽網絡的支持。定位基站分布于場景區域的幾何邊緣，負責發射UWB信號并接收定位終端的響應，構建目標位置的基本數據。

（2）在硬件設計方面，定位終端作為作業 人員的便攜裝備，具有小型、輕便的特點。該終端集成 了UWB通信模塊、定位芯片、電源管理和通信接口。定位基站部署在場景的關鍵位置，具備高功率的UWB發射器、接收器、時鐘同步機制和可靠的電源供應。UWB通信模塊的設計包括具有高增益和較大寬帶的天線（實現信號的迅速傳播和準確接收），以及調制解調器（實現對UWB信號的調制和解調），確保信息傳輸的可靠性。

（3）在軟件設計方面，定位算法運行在定位引擎服務器上，用于處理從定位基站接收的UWB信號數據，計算目標的精確坐標。數據傳輸協議可確保定位終端和定位引擎服務器之間數據傳輸的安全性和可靠性。此外，提供監測管理界面，以便運營人員實時監測和管理UWB人員定位系統，查看定位信息和報告。為確保系統的安全性和隱私性，采用加密和認證機制防止未經授權的訪問，在處理位置數據時可采用匿名化處理功能保護用戶的隱私。

通過綜合考慮這些硬件和軟件組件，可以構建一個功能完備、高性能的UWB人員定位系統（見圖1），滿足對分級管理、綜合協調和統一指揮的安全防范總體設計要求。完成軟件及硬件設計后搭建系統，進行系統集成和測試，包括在模擬環境中驗證系統的性能，進行不同位置、不同移動速度和多個目標的模擬測試，并且在實際場景中進行系統測試，確保系統在真實條件下的穩定性和精度。

3.2 人員門禁應用

UWB人員定位系統主要借助定位基站、接觸式刷卡以及非接觸式人臉識別技術實現對施工現場人員出入的智能化控制，其目標在于防止未經授權的個體進入施工場地，并確保現場施工人員的考勤記錄具備真實性和有效性，預防虛假考勤和工時虛報等不端行為。系統通過充分利用個體面部特征的唯一性，采用人臉識別技術驗證個體身份（見圖2），具體操作如下。

（1）當個體攜帶人員識別卡接近門禁通道閘機時，閘機內置的讀卡器實時獲取卡片信息，同時人臉識別設備對個體面部信息進行精準辨識。

（2）經過有效核對后，系統向閘機發送允許通行的指令，并即時將考勤信息存儲于后臺計算機。該過程可有效預防未授權人員的非法入侵，同時確保施工人員考勤數據的精準性和實時性。

（3）對于臨時訪問施工現場的視察或考察，只需刷取相應的來賓卡即可進入。這一設計解決了訪客因人臉識別問題無法通行的狀況，展現了管理機制中的人性化特征。

3.3 人員定位應用

將人員定位基站整合至無線基站，接收并處理人員定位標簽數據，以搭建UWB人員定位系統。該系統綜合應用無線局域網、寬帶網絡、遠端服務器及終端設備，形成一個完整的網絡拓撲結構（見圖3）。在隧道內布設定位基站（見圖4），各基站間隔一定的距離，與無線網絡基站實現同步。同時，施工人員攜帶個體定位標簽，通過UWB技術，定位基站可自動識別標簽距離，并將數據傳送至服務器進行計算，以獲取實時位置信息。

該系統可對進入軌行區域的人員和大型施工機具進行實時定位檢測。通過顯示詳細的個體信息（姓名、入場和出場時間、軌行區線路位置等），對捕捉到的人員進行搜索及分類統計后，系統將相關的位置信息即時呈現在中央調度室的屏幕上。管理人員可以利用管理系統，依據每組施工作業人員的計劃，劃定特定的作業區域。如果有人員或施工機具違反了調度計劃，越過指定的區域，管理系統會自動發出警報并記錄違規行為；與此同時，中央調度室發布制止指令給相關區域的現場作業人員。

系統還支持區域報警功能，允許設定不得進入指定區域的人員。當特定人員被指定區域的基站探測到時，系統會自動觸發警報，通知管理人員。在特定危險地段，如果工作人員數量超過設定值，系統也會立即發出警報，并向上級管理人員發送警告信息。在突發事故發生時，控制系統后臺可快速檢索事故地點的人員數量、個體信息及人員位置等關鍵信息，以加速應急響應過程，提升救援效果，降低事故損失。

3.4 高清視頻監控及抓拍

在區間隧道內和車站的主要區域設有視頻監控系統，這些系統都支持刷卡聯動抓拍，并將抓拍到的圖像存儲在電腦中，以便隨時查詢可疑事件，有助于管理人員及時了解場地的施工情況，實施安全動態監控，為治理潛在安全隱患提供實時信息，防患未然。

3.5 GPS（全球定位系統）補充定位

對于不易布置UWB定位基站的區域，可采用“北斗+GPS”的定位補充設計，2套系統的定位模塊均可固定在定制槽內。雙衛星系統能更快、更準確地定位，結合GPS和LBS（基于位置的服務）互補定位技術手段，實時提供準確的人員信息。

4 結語

基于UWB的人員定位系統在地鐵施工中的應用為地鐵工程管理帶來了創新和便利，該系統的主要優勢如下。

（1）系統定位精度和可靠性高。這一特性對于確保施工人員和設備的準確定位至關重要，尤其是在地下環境，UWB技術相較于傳統定位方法更可靠，能有效提高施工的整體效率。

（2）系統在實時監控方面發揮了關鍵作用。通過與監控攝像頭和其他感知設備集成，系統能實時提供施工現場的精確位置信息，這不僅有助于及時發現和解決施工中的問題，也能提高管理人員對施工過程的監管能力。

（3）系統為施工人員提供更安全的工作環境。對于不易布置UWB定位基站的區域采用“北斗+GPS”的定位補充設計，通過實時監測人員的位置，系統能預警潛在的危險情況，提供及時的緊急響應，為地鐵施工中的緊急救援和安全管理提供有力支持。

綜上，基于UWB的人員定位系統在提高施工效率、強化安全管理、實現實時監控等方面可發揮關鍵作用，有可能成為地鐵建設中不可或缺的一部分。未來應對UWB技術在地鐵施工中的應用進行深入研究，以推動其在工程建設領域的廣泛應用。

5 參考文獻

［1］韋鴻舉.隧道施工人員定位預警技術探析［J］.電子技術與軟件工程，2014，（10）：212.

［2］王亞培.基于射頻技術的隧道人員定位基站優化布設研究［J］.道路交通與安全，2016，16（3）：33-37.

［3］閆文鑫，高永濤，徐俊.隧道施工人員定位與安全管理系統研究［J］.建筑安全，2015，30（3）：15-20.

［4］馬亞松.基于無線傳感器網絡的遠程室內人員定位系統設計［D］.太原：中北大學，2017.

［5］段翠翠，王瑞榮，王建中，等.基于無線傳感器網絡的高危生產區人員定位系統［J］.傳感技術學報，2012，25（11）：1599-1602.

［6］魏欣.隧道施工現場無線智能視頻監控系統方案設計［D］.西安：長安大學，2016.

*中鐵二十二局集團有限公司2022年度科研計劃課題“超聲波檢測手段對地下連續墻施工影響效果技術研究”（22-13C）。

【作者簡介】馬琦，男，甘肅天水人，工程師，研究方向：市軌道交通工程。

【引用本文】馬琦.基于UWB的人員定位系統在地鐵施工中的應用［J］.企業科技與發展，2024（3）：97-100.