GIS 技術(shù)在UWB 基站可視化模式監(jiān)測中的應(yīng)用

戴建煒，楊青，左天才，劉正春，劉常茂

（烏江渡發(fā)電廠，貴州遵義 563100）

目前，導(dǎo)航定位技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展各行業(yè)領(lǐng)域，形成以GIS 為主要技術(shù)代表的導(dǎo)航定位技術(shù)，也作為國際間公認(rèn)的重要無線產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)有技術(shù)主要包括了室外、室內(nèi)兩種定位技術(shù)。其中以GIS 為代表的全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)，目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟，能夠達(dá)到無基礎(chǔ)線路布設(shè)前提下，實(shí)現(xiàn)快速傳輸且距離不受限等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)、導(dǎo)航定位等方面。超寬帶技術(shù)作為新型無線通信技術(shù)，能夠經(jīng)發(fā)送、接收納秒級以下的較窄脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，可以在傳輸數(shù)據(jù)中達(dá)到GHz 量級帶寬，實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率，并且可以從理論層面實(shí)現(xiàn)厘米級測距，滿足精準(zhǔn)定位。現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的基于UWB的典型定位技術(shù)系統(tǒng)，包括Localizers、Ubisense、Sapphire 等系統(tǒng)。基本由4 個(gè)接收器、多個(gè)漫游器以及單個(gè)控制中心組件所組成，能夠運(yùn)用AOA、TDOA 等混合定位式算法定位標(biāo)簽，并且可以達(dá)到15 cm的定位精準(zhǔn)度。因此，該研究將GIS 技術(shù)應(yīng)用于UWB 基站監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 組件式GIS技術(shù)

GIS 技術(shù)由最初的組件式GIS 發(fā)展形成WebGIS技術(shù)應(yīng)用。在這個(gè)技術(shù)發(fā)展過程中，WebGIS 技術(shù)能夠有效解決GIS 技術(shù)的傳統(tǒng)技術(shù)弊端問題。并且能夠在應(yīng)用中有效劃分各GIS 功能模塊為多控件，實(shí)現(xiàn)不同控件功能各不相同。GIS 技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 GIS技術(shù)原理

1.2 UWB簡介

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。該技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)全新無線通信技術(shù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異，通信過程中不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或亞納秒級窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。UWB 調(diào)制采用納秒級脈沖寬度完成脈沖快速上升和下降，脈沖覆蓋的頻譜不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF 頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。頻譜形狀可通過持續(xù)單脈沖形狀和天線負(fù)載特征來調(diào)整。使用脈沖寬度為納秒級的無線脈沖信號作為定位載波，是無線定位領(lǐng)域精度最高、性能最穩(wěn)定的技術(shù)。在頻域上，由于其占用的頻帶較寬，且無線功率密度較低，對于其他的無線設(shè)備來說相當(dāng)于噪聲信號，不會對其造成干擾，也加強(qiáng)了自身的抗干擾性。無線定位系統(tǒng)基于超窄脈沖技術(shù)，是國內(nèi)領(lǐng)先的高精度無線定位產(chǎn)品。UWB 定位系統(tǒng)技術(shù)如圖2 所示。

圖2 UWB定位系統(tǒng)技術(shù)物理層示意圖

2 基站可視化模式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

人員定位系統(tǒng)采用超寬帶（UWB）定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位，精準(zhǔn)定位系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、解算層、傳輸層和設(shè)備層（定位基站和定位標(biāo)簽）構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)整體框架圖

1）設(shè)備層。用于獲知底層的位置信息，通過超寬帶（UWB）信號實(shí)現(xiàn)對定位標(biāo)簽的定位。設(shè)備層主要包括定位基站和定位標(biāo)簽，是定位系統(tǒng)的核心設(shè)備，用來獲取原始的位置信息。定位基站周期性廣播自身的標(biāo)識信息，定位標(biāo)簽接收超寬帶信號后，完成時(shí)間戳信息的獲取，通過通信基站信道，回傳時(shí)間戳信息以及相關(guān)狀態(tài)信息。通信基站以及定位基站將自身的數(shù)據(jù)通過主干網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇馑銓樱诙ㄎ唤馑銘?yīng)用服務(wù)部分完成定位數(shù)據(jù)的解析。同時(shí)，通信基站也可以接收到應(yīng)用層下發(fā)的指令，完成相關(guān)的操作，如對設(shè)備的呼叫、撤離等。

2）傳輸層。傳輸層也稱主干通信網(wǎng)（簡稱“主干網(wǎng)”），是基站與服務(wù)層、應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。定位基站通過以太網(wǎng)（有線或無線）將定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器，在定位服務(wù)器完成位置信息的解算。

從上往下將應(yīng)用層相關(guān)指令傳輸?shù)酵ㄐ呕荆粡南聦⒍ㄎ辉紨?shù)據(jù)傳輸給服務(wù)層。

3）解算層（服務(wù)層）。解算層（服務(wù)層）包括定位應(yīng)用服務(wù)軟件、系統(tǒng)管理軟件、對外軟件。定位應(yīng)用服務(wù)軟件根據(jù)不同的定位方式，實(shí)現(xiàn)定位原始數(shù)據(jù)的解算，從而得到有用的位置信息。

定位應(yīng)用服務(wù)軟件根據(jù)不同的定位方式，實(shí)現(xiàn)定位原始數(shù)據(jù)的解算，從而得到有用的位置信息。

同時(shí)，服務(wù)層負(fù)責(zé)管理與維護(hù)整個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，保證定位的實(shí)時(shí)、可用。

4）應(yīng)用層。通過位置信息與視頻流數(shù)據(jù)，以地圖的形式實(shí)時(shí)跟蹤定位標(biāo)簽的位置，應(yīng)用層獲得實(shí)時(shí)的位置信息后，結(jié)合視頻等信息，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)軌跡顯示、電子圍欄和視頻聯(lián)動等。

智能安全監(jiān)管系統(tǒng)通過人員定位應(yīng)用層提供WebSocket和Http，通過WebSocket 可獲取標(biāo)簽卡的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，通過Http 可獲取系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)和集成。對佩戴定位標(biāo)簽人員在定位基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的作業(yè)人員精確定位和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取

為了保證項(xiàng)目的順利實(shí)施和成果的高可用性，該項(xiàng)目使用高精度激光掃描儀作為主設(shè)備，獲取毫米級相對精度的原始數(shù)據(jù)，并最終制作厘米級絕對精度的三維模型。三維建模數(shù)據(jù)獲取及處理過程如圖4 所示。

圖4 三維建模數(shù)據(jù)獲取及處理過程

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

UWB 基站可視化模式監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)，運(yùn)用了MySQL 5.7 或更高版本作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，建立了三層架構(gòu)，在中間層處理基站業(yè)務(wù)規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問并進(jìn)行合法性校驗(yàn)，在客戶端無需交互數(shù)據(jù)庫，而是經(jīng)DCOM 通信連接中間層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫及中間層交互。由于經(jīng)中間層實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)訪問，不再建立數(shù)據(jù)庫及客戶端相應(yīng)的數(shù)據(jù)連接，不僅減少了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)服務(wù)器連接數(shù)量，還能夠有效提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，完成組件層、數(shù)據(jù)庫端以及MTS的事務(wù)處理。

以UWB基站的信息添加刪除操作代碼示例如下：

4 系統(tǒng)仿真測試

該文將GIS 技術(shù)應(yīng)用于UWB 基站可視化模式安全監(jiān)管監(jiān)測系統(tǒng)中，采用了Xeon 服務(wù)器，運(yùn)用Windows2012 或更高版本，運(yùn)用了MySQL 5.7 數(shù)據(jù)庫，在Windows7 平臺完成以上系統(tǒng)操作，應(yīng)用GIS 接口及對應(yīng)三維開發(fā)組件，支持了該系統(tǒng)開發(fā)的框架數(shù)據(jù)訪問方式，能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的GIS 系統(tǒng)操作及空間分析功能。并整合了Sun Microsystems 公司的JAVA 平臺，能夠提供全新的開發(fā)環(huán)境，選擇熟悉的開發(fā)編程語言。圖5 為安全監(jiān)管監(jiān)測系統(tǒng)的可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程。

圖5 可視化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

5 結(jié)束語

總而言之，隨著UWB 基站技術(shù)的發(fā)展，在基于UWB 基站可視化安全監(jiān)管監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，保證構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)至關(guān)重要。通過運(yùn)用GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了二次開發(fā)，不僅很大程度降低了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體開發(fā)難度，更縮短了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)周期，有效降低了開發(fā)成本，創(chuàng)建了良好的系統(tǒng)顯示界面。所以在此次設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)測試中，系統(tǒng)通過UWB 基站實(shí)現(xiàn)可視化安全監(jiān)管監(jiān)測，通過運(yùn)用GIS技術(shù)，為系統(tǒng)開發(fā)人員成功提供全新開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了可視化編程環(huán)境，方便后期該系統(tǒng)的源代碼進(jìn)一步編輯、改進(jìn)和完善。