基于UWB的隧道高精度定位系統研究

彭學軍， 劉云龍， 羅運杰， 湯宇， 任晚晚

(1.中鐵五局集團 第一工程有限責任公司， 湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114)

安全、優質、高效的施工是高速鐵路隧道建設工程的重點和難點。為保證工人安全、優質、高效地施工，實現安全預警，及時避免危險的發生，管理人員需實時掌握工人的位置。隨著信息化水平的不斷提高，各種人員定位技術得以應用于建設工程。

1 室內定位技術概況

1.1 紅外定位技術

紅外定位技術利用紅外線進行定位，系統由紅外發射器和紅外接收器組成。紅外定位的方式一般分為兩種：一種是將紅外接收器位置固定，在待測物體上安裝紅外發射器,接收器接收到紅外信號后通過定位算法計算物體位置。另一種是利用多個紅外發射器和紅外接收器組成網絡，以此來確定物體位置。其優點是成本低、精度較高(5～10 m)；缺點是易產生盲點、功耗較高、易受環境干擾。

1.2 超聲波定位技術

超聲波定位系統利用超聲波的空間傳播特性來確定位置，由測距器和電子標簽組成，主測距器放置在待測物體上，電子標簽固定在不同位置，根據聲波從主測距器到電子標簽的時間計算兩者之間的距離，確定待測物體的坐標。其優點是精度高、誤差??；缺點是信號在傳輸中衰減嚴重而使其可測范圍較小，且需依托大量硬件設備，成本高。

1.3 射頻識別定位技術

射頻識別(RFID)定位系統采用射頻方式，根據附著在待測物體上的標簽接觸天線產生的磁場而產生的響應信號強度計算兩者之間的距離，當系統形成網絡時可計算物體的坐標位置。其優點是可測范圍廣；缺點是精度低、信號衰弱明顯。

1.4 ZigBee定位技術

ZigBee定位技術由網關、參考節點和盲節點組成，通過三點之間的相互通信進行定位。其優點是功耗低；缺點是精度不高、易受環境干擾。

1.5 WiFi定位技術

WiFi定位技術根據信號強度值判斷位置的遠近。其優點是成本低;缺點是精度低。

1.6 UWB技術

超寬帶(Ultra Wideband，UWB)技術采用極窄的脈沖信號實現無載波無線通信，信號具有吉赫茲量級的帶寬。其優點是功耗低、抗干擾能力強、穿透力強、可達厘米級精度；缺點是成本較高。常用UWB定位技術分為到達時間定位法和時間差定位法兩種。

到達時間定位法通過各基站同步發送信號，在已知信號傳播速度的前提下，根據信號傳播時間，結合各基站坐標，確定待測物體的坐標(見圖1)。為保證各基站發送信號時間的高度同步，到達時間定位法對傳感器的精度和功耗有很高的要求。在保證信號同步的前提下，其對帶寬要求較小，精度高，適用于窄帶系統。

圖1 到達時間定位法原理示意圖

時間差定位法通過基站發射兩種不同信號，在已知兩種信號傳播速度的前提下，根據到達待測物體的時間差，計算基站和待測物體之間的距離。也可通過不同基站發射同一信號進行定位(見圖2)。由待測物體與兩基站之間的時間差，可建立以基站位置坐標為焦點的雙曲線方程, 待測物體就在這對雙曲線的某一條分支上。若有3個不同的基站，則可建立兩個雙曲線方程, 求解雙曲線的交點即可得知待測物體的位置。

圖2 時間差定位法原理示意圖

2 基于UWB的隧道高精度定位系統

和其他定位技術相比，UWB技術在各方面都具有不小的優勢，非常適合用于隧道內人員定位。該文依托張吉懷(張家界—吉首—懷化)鐵路鳳凰段隧道建設工程，研究基于UWB的隧道高精度定位系統及其應用。

2.1 項目背景

張吉懷鐵路鳳凰段隧道建設工程起于湖南鳳凰縣，止于麻陽縣，起止里程為DK175+908—DK193+000，線路長度 16.166 km。結構物眾多，包含：橋梁11座，其中大橋5座、中橋6座；涵洞1座，為1.5 m框架涵；隧道11座，共13 895.5 m，占線路長度的83.71%，其中4 km

2.2 系統設計

基于UWB的隧道高精度定位系統由UWB定位標簽、基站、核心網關等組成(見圖3)。

圖3 基于UWB的隧道高精度定位系統設計(單位：m)

將UWB定位標簽附著在工人安全帽上，通過各從基站實時檢測工人位置，主基站收集從基站的數據并發送給核心網關或通過數傳網關發送給核心網關，再通過核心網關傳送給云端或項目部監控服務器。如出現緊急情況，則通過揚聲器進行報警并將報警信息以短信形式發送到工人的手機。

2.3 系統設備

2.3.1 核心網關

核心網關通過WiFi無線收集基站及標簽信息，通過4G把信號傳送給云端或通過以太網把信號傳送給項目部監控服務器，并對定位標簽進行低功耗管理。

2.3.2 數傳網關

數傳網關將WiFi無線收集基站及標簽信息通過WiFi轉發給核心網關。

2.3.3 主基站

主基站具有WiFi功能，它將收集的從基站及標簽信息傳給數傳網關或直接傳給核心網關。

2.3.4 從基站

從基站沒有WiFi功能，其通過與標簽的通信實現標簽的定位功能。

2.3.5 定位標簽

定位標簽采用UWB實現定位功能，具有上行報警的按鍵及下行報警的振動提示功能，并配備有可拆卸電池。

2.4 實際應用

隧道高精度定位系統可實現實時精準定位、軌跡回放、人員管理、精準考勤、預警管理等功能。

2.4.1 實時精準定位

工人位置在項目部監控室的屏幕上實時顯示。在整體圖中可顯示人員在整個隧道內的分布情況，通過放大可得到局部圖，通過鼠標的移動可顯示距離洞口的長度，從而更準確地獲取工人位置。

2.4.2 軌跡回放

系統可按時間、標簽ID、不同播放速率，選擇任意時間、任意人員，以任意速度動態回放歷史軌跡數據，從而更好地掌握工人的軌跡，為排除隱患、考勤記錄等提供依據。

2.4.3 人員管理

可導入工人的姓名、年齡、身份證號、進場時間、工種、安全帽標號等信息，方便工人的集中管理。

2.4.4 精準考勤

系統可記錄工人每天的工作時長，并可通過點擊時長進入軌跡回放界面進行核對。

2.4.5 預警管理

預警管理(見圖4)支持雙向報警：

(1) 現場至云端。隧道內的工人主動或被動向云端發送報警信息(主動：工人按動標簽上的報警按鈕，自主一鍵報警；被動：電子圍欄闖入報警、定位標簽的低電量報警)，系統上報給云端工人當前的位置, 項目部監控室的揚聲器產生聯動，提醒監控室內的安全員查看監控屏幕中的報警信息。

(2) 云端至現場。云端將報警信息按照定位標簽ID下發給隧道內的相應工人，對應ID的工人所佩戴的定位標簽上的振動器振動，同時定位標簽上的紅色燈快速閃爍。

圖4 基于UWB的隧道高精度定位系統預警管理示意圖

3 結語

在作業空間窄、管理難度大、風險程度高的隧道中應用高精度定位系統，可對工人進行精準實時定位，實現軌跡回放、人員管理、精準考勤、預警管理等功能，為安全、優質、高效地施工提供保障。