人員定位技術在施工現場安全管控中的研究與應用

周向陽 李鑫奎 沈志勇 況中華

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 現有技術及難點

當前，國內施工現場安全管理建設如火如荼，在工程建設過程中，各種信息化手段不斷地應用于施工現場，尤其是安全建造概念不斷完善，實踐不斷增多，逐漸形成了人員定位安全管控、施工協同管理等多個應用場景和系統模塊。

施工現場人員定位安全管理系統將人工智慧技術、新型傳感技術、生物識別技術、虛擬現實技術等植入到人員可穿戴設備、現場進出口以及高危、高風險區域等關鍵性位置，從而實現了工程管理人員、工程實施人員與施工現場信息的緊密結合[1]。

當然，現階段重大工程施工過程人員追蹤定位、人員的安全狀態監測研究還處于起步階段，普遍存在許多問題，主要表現為：施工現場干擾因素較多，人員難以精確定位；采集到的數據信號難以傳出；現場采集與安全分析脫節；安全分析與控制脫節。

2 技術方案

2.1 人員定位系統介紹

人員定位系統包括定位標簽和基站，其具有的創新特性和產品技術指標如下：

1）系統具有精準定位、軌跡追蹤、越界報警等功能。

2）定位標簽：具有精確定位功能，精度達十厘米級。

3）定位基站：可支持幾千平方米的范圍覆蓋，支持數百個終端的接入。

人員定位系統，包括定位基站與信息傳輸設備。其中，定位基站之間通過發送同步信息完成各個基站的時間同步，各個定位基站收集定位標簽上UWB信號發射裝置所發出的UWB信號，采用TDOA方式，并將接收到的時間戳打包，通過信息傳輸設備發送至信息處理系統。基于系統的高精度定位基站包含前端設備和傳輸網絡。

前端設備主要是完成對定位標簽ID的感知及其自身的實時定位。傳輸網絡則將感知的數據ID信息與位置傳輸到主干網。整個定位系統架構如圖1所示。

基于系統定位功能開發的電子圍欄、設備統計等功能，對于方便施工現場人員設備管理，具有巨大價值。

2.2 定位傳輸方案

無線定位系統傳輸網絡支持有線和Wi-Fi這2種網絡連接方式，具體分為以下3種場景。

圖1 人員定位系統架構

2.2.1 場景一：定位場景比較小和簡單

定位基站到POE交換機不超過100 m的情況下，通常用RJ45網線和POE交換機的網絡部署：定位標簽和定位基站通過無線進行通信，每個定位基站與POE交換機直連進行網絡通信和供電，POE交換機連接到監控中心的交換機，最后與客戶端、服務器等連通。具體網絡如圖2所示。

圖2 場景一網絡示意

2.2.2 場景二：定位場景比較大

在施工現場有線網絡布設條件許可的情況下，推薦進行光纖網絡部署，其穩定性好，應用效果好。可每間隔100 m預留1個光纖收發器，實現光信號到電信號的轉換，實現1個光纖頭、3個基站節點的網絡通信模式。具體網絡如圖3所示。

2.2.3 場景三：定位場景無線傳輸

若施工現場條件有限，不能部署有線網絡，則推薦使用Wi-Fi方式進行無線傳輸。布設多個定位基站時，可為每個基站單獨配置1個無線網橋，用于進行該基站的數據傳輸與轉發；同時，在接收端位置處配置AP和1臺交換機，用于進行多個無線基站數據的接收與整合，并最終回傳到服務器端，進行數據的存儲、處理與展示。具體網絡如圖4所示。

圖3 場景二網絡示意

圖4 場景三網絡示意

2.3 建筑工程定位適應性

一般情況下，超高層建筑施工現場建議使用有線網絡部署，因為定位基站可通過POE交換機直接供電，無需單獨扯電源線供電。

針對建筑施工現場遮擋多的問題，可進行算法調優。對原始信道沖激響應進行采樣分析，提取7～10種不同的特征值。利用現有特征值組合，采用4種不同的非視距遮擋識別算法，對定位基站接受的信號進行初步遮擋識別和判定，賦予信號遮擋置信度。針對4種初步遮擋判定結果進行分析對比，再通過自適應的融合濾波技術進行信號延遲補償；將信號置信度代入多源多區域融合定位算法，得到最終定位結果。對于跨區域定位技術而言，可通過標簽來判斷所在的區域，且通過與區域定位基站通信的連接來進行定位連接，從而避免反復與未參與定位的基站來建立連接，可大幅度地減少各個節點間的無效通信，同時引入區域校正機制，快速地提升區域判定的準確性，最終保證定位的可靠性與穩定性[2]。

3 工程應用

3.1 工程概況

某大樓是某市軌道交通全線網絡運營的指揮中樞，具備全市所有路網總體監控、車輛及人員配置的集中調度、各個部門的運營協調、突發狀況應急指揮和領導輔助決策的功能[3]。該建筑用地總面積10 669 m2，建筑面積51 353 m2，地上9層，地下3層，地上建筑高度62 m。

3.2 人員定位技術應用

3.2.1 人員信息錄入

該項目施工現場有500人左右，這些人屬于不同的公司、不同的工種。為了對人員進行管理，必須將所有人員的信息統計或添加在系統數據庫中，包括公司、工種、身份證號、進場時間等。本系統有2種人員信息輸入方式：一種是批量輸入，即各單位將本單位的基本信息輸入到固定的Excel格式中，再將Excel表批量導入到軟件平臺中，實現數據的批量方便的導入；另一種是手動在軟件平臺中輸入人員信息，該方式適合人員信息輸入數量較少的情況。

3.2.2 基坑進出人員管理

基坑作為施工期間比較危險或是特殊的區域，需要實時監測進出基坑的人數，通過準確的基坑進出人數統計來加強人員管理。本項目的基坑有2個進出口，在2個進出口分別安裝2套RFID觸發器和讀卡器。當人們攜帶標簽進入基坑時，觸發器觸發卡片標簽，標簽將人員的信息通過讀卡器傳輸到云端服務器，進而在WEB端進行現場進出基坑人員的統計和查看。

3.2.3 人員區域定位

在施工現場的各個區域出入口或區域固定部位安裝觸發器和讀卡器，通過施工人員隨身攜帶的雙頻卡標簽，當施工人員出現在讀卡器或是觸發器覆蓋的區域時，其個人位置信息和人員信息即可實時傳回到軟件平臺中。管理人員可以在軟件平臺中查看施工現場任何安裝了讀卡器和觸發器區域的人員的基本資料、區域內的人員數量以及區域中的人員位置等信息，同時也能查找某個工人、某類工人等的實時位置和狀態信息。本功能為預留功能，當現場需要對某個區域進行人員定位時，只要在本區域安裝一個觸發器即可實現區域定位（圖5）。

圖5 實時人員定位

3.2.4 人員位置和活動軌跡查詢

在軟件平臺中可以根據需求查找任何工種、任何人、任何公司的人員的歷史活動軌跡，在某個位置的活動時間，進入哪個區域等，軟件平臺可以通過表格顯示形式或圖中軌跡形式顯示出所查詢人員詳細的活動信息。通過活 動軌跡判斷施工人員的工作狀態、活動狀態，為管理人員對施工人員的管理提供數據支撐和手段。同時，通過人員的定位功能，可以間接發現和察覺是否有人出現事故，例如某人在某一個位置長時間沒有動作等。也可以通過人員管理系統快速找到某發生危險區域的人員，知道該區域的人員數量，以及是否有人員長期滯留在危險區域等。

3.3 預警和報警通知處理

人員定位和管理系統可以根據特殊工種、特殊施工區域、特殊施工事件等眾多施工現場危險事項，進行報警條件或報警觸發條件的設置，進而進行報警通知和應急事件處理。當現場有危險情況或是違規操作時，系統進行實時報警，并將發生的報警事件或應急事件進行詳細的信息統計和記錄，并通知相關人員。

4 結語

本文針對施工現場人員安全管控的特點和難點，綜合運用了物聯網技術、GPS技術、大數據等技術手段，從施工人員區域位置安全狀態、行為安全狀態等方面出發，進行了人員定位技術在施工現場安全管控中的研究與應用。經應用，項目最終降低了人員安全風險，提高了施工現場人員安全管控的效率和效果。