城市地下綜合管廊人員定位系統應用研究

林章 吳迪

（1.浙江建設職業技術學院，浙江杭州 311231；2.杭州中美華東制藥有限公司，浙江杭州 310011）

城市地下綜合管廊是將市政、電力、通信、燃氣、供水排水、熱力等各種管線集于一體的城鎮綜合管線工程[1]。由于管廊施工周期長、空間狹窄、施工人員眾多，施工過程中容易出現各種問題。綜合管廊施工完成后，還需要專人定期和不定期地對管廊進行巡檢和維護等工作。地下管廊內部情況復雜，人員進入管廊后存在風險，在管廊施工階段和后期運行維護階段，都需要對管廊中的人員位置進行精準定位、安全監管，保證人員人身安全。本文設計一套完善可靠的城市地下綜合管廊人員定位系統，通過對管廊建設中的施工人員、運維檢修中的巡檢人員進行實時精準定位，實現對管廊中巡檢及維修人員實時定位追蹤、歷史移動線路查詢、智能巡檢、一鍵緊急求助、考勤等功能，大幅度提升施工期間安全性、提高施工效率，全面保證管廊內施工人員及巡檢人員安全，降低管廊運行維護管理難度。

1 方案比較

一般定位系統可以利用現有的衛星定位系統進行精準定位，其技術較為成熟、使用成本低。綜合管廊處在地下，傳統的衛星定位系統信號無法傳到地下或信號較弱無法達到精準定位的要求，所以城市地下綜合管廊、大型室內商場和地下停車場等場所，都利用室內定位系統進行定位。室內定位是傳統室外衛星定位系統的一個重要補充，可以應用于衛星定位系統信號無法到達的室內環境。

目前，世界上已有許多研究者研究出了先進的室內人員定位系統[2]。室內定位系統分為定位硬件和定位算法。室內定位硬件一般采用WiFi網絡、紅外線、RFID識別與超聲波等傳感器技術，需要根據具體實際系統進行選擇。目前較為流行的室內定位算法有兩類，即基于測距（range-based）的距離相關算法、不基于測距（range-free）的距離無關算法。距離相關算法包括基于RSSI值測距、到達時間（TOA）、達到時間差（TDOA）和到達角度（AOA）等方法，精度較高[3-4]。距離無關定位算法包括質心算法、DV-Hop算法等，精度低于距離相關算法。

2 總體設計

結合城市地下綜合管廊處于地下、長度長、阻擋物多、環境復雜等特點。本文針對管廊特點設計人員定位系統，硬件部分包括超聲波收發模塊、485通信模塊和后臺控制處理中心，算法采用三邊測量定位法。

系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

超聲波收發節點數根據管廊的實際長度確定，所有節點通過485總線連接到RS485轉USB模塊上，最終與后臺控制處理中心相連。后臺控制處理中心發出對應超聲波收發節點開啟距離信息采集指令或關閉指令，超聲波收發節點將采集到的距離信息發回至處理中心，所有的控制信號和距離信息均在485總線上進行傳輸。

人員定位系統在城市地下綜合管廊中的具體布置如圖2所示。

圖2 人員定位系統在城市地下綜合管廊中的布置

超聲波收發節點每隔一定的距離，一邊各一行，人員在管廊中行走時，按序固定在地下綜合管廊內壁上。后臺控制處理中心開啟人員附近的3個超聲波收發節點，測量人員距離節點的實際距離，利用三邊測量定位法，獲得人員在管廊中的實際位置，并在處理后臺控制處理中心實時顯示。

3 模塊設計

本文設計的人員定位系統主要涉及的模塊為3個部分，即超聲波收發節點、485通信模塊以及后臺控制處理中心。超時波收發節點由單片機最小系統、電源、超聲波發射電路、超聲波接收電路和RS485通信電路組成。節點的主要功能是通過超聲波發射電路和接收電路測得距離人員的距離，利用RS485通信電路將數據通過總線傳到后臺控制處理中心，采用一對多的方式進行通信。為保證數據傳輸穩定可靠，定位系統采用Modbus作為總線的通信協議。

數據格式如表1所示[5]。

表1 超聲波收發節點與控制處理中心通信格式

后臺控制處理中心通過總線控制超聲波節點的開啟和關閉，同時也通過總線接收節點測得的距離數據，將距離數據代入方程組，解得某一時刻人員在管廊中的具體位置。經過一定時間的測量和計算，可以繪制出人員在管廊中的運動路徑。根據人員在管廊中的運動軌跡，可以實現對管廊中人員的數字化考勤、工作監管、人員調度等功能，提升綜合管廊的管理智能化程度。

4 算法實現

本文設計的人員定位系統算法采用三邊測量定位法[6]，原理是根據已知坐標的三個點，利用超聲波收發模塊測出節點到人員的距離，根據距離方程求出人員的二維坐標。將t時刻管廊中人員和三個超聲波收發模塊的位置簡化后，得到位置關系。

人員與超聲波收發模塊的位置關系如圖3所示。

圖3 人員與超聲波收發模塊的位置關系

假設已知三個超聲波收發模塊所在位置分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，超聲波收發模塊距離人員的距離分別為R1、R2、R3，所求人員的位置坐標為(xM,yM)，列出方程式：

上述方程式組解得的(xM,yM)為t時刻人員所在管廊中的二維坐標。實際情況下，可以設置t的時間間隔為1s，即采樣周期為1s，則可獲得每1s人員所在管廊的位置。連續采樣后，可以獲得某一時間內人員所在管廊中的運動軌跡，該移動軌跡可以實時在后臺控制處理中心顯示。

5 結語

本文針對城市地下綜合管廊特點，設計了一個人員定位系統，該系統主要利用多組超聲波收發節點，通過三邊測量定位法，獲得管廊中人員的位置，獲得在某一時間段內容人員在管廊里的運動軌跡。該系統能實現對管廊中人員的數字化考勤、工作監管、人員調度等功能，也能與管廊中的消防、安防等智能化系統進行聯動，進一步提升管廊的智能化水平。