基于基站定位技術的工地現場人員定位報警方法研究

文／顧遠輝、劉宇、王帥 中建八局第二建設有限公司 山東濟南 250000

引言：

依據不同的通訊技術，基站定位有不同的定位精度，比如4G 基站定位精度大約在10 米，5G 基站定位精度大約在5 米。相比于其他定位技術，基站定位的精度較差。當前，在新冠疫情下，工地經常是疫情爆發點，常用的疫情監控解決方案是，在地圖上對工地現場劃定電子圍欄，使用手機設備對建筑工人進行基站定位（多數建筑工人的手機不具備GPS 模塊），對電子圍欄范圍外的工人進行報警[1]。但是由于基站定位的精度不高，造成很多誤報與漏報。本發明的目的是通過歷史數據和運行速度對實時點位的經緯度進行預測，使用預測后的經緯度數據去檢測是否超出電子圍欄范圍，從而減少誤報和漏報問題。

1.工地施工現場定位特點

工地施工人員基站定位系統的無線通信設計一定要實現和施工公司特殊環境相符，并滿足相應的施工要求。其中工地施工現場傳輸環境復雜。工地施工現場并非自由空間，電磁波在工地現場傳輸中也存在有根本性制約。施工現場也存在有各種阻擋體、有拐彎和分支、油門密封區域等等，這些均會對信息傳輸質量產生影響。電磁波不但可能會被吸收，也可能會頻繁發生反射和散射情況，導致信號在傳輸過程中出現多徑效應[2]。基站獲取信息過程中，會同時接收到不同的反射和散射信號，信號之間存在有相干關系，如果施工現場環境惡劣，會存在嚴重的干擾作用，無法及時獲取有用信息，也就導致在工地現場無法實現電磁波的遠距離傳播。因此在工地施工通信設備選擇中，主要要求為：第一，設備體積小。工地施工現場存在各種限制因素，安裝無線通信設備的時候存在一定限制，基站天線體積也不能夠過大，所以在移動臺選擇中需要合理設置設備體積以及重量。施工人員手機則是一個不錯的選擇，現在大部分施工人員均配備有手機，但是部分手機不具備定位功能，基于此可以盡可能確保每個施工人員手機可以提供定位服務，進而為施工人員定位預測提供便利；第二，發射功率小。在工地施工安全施工電氣設備要求中，需要確保最大輸出功率在25W 以下，所以移動通信設備不能因為想要加大傳輸距離，而盲目的提升設備發射功率；第三，抗干擾能力強。工地現場相對電氣設備較為集中，且也存在部分大功率機電設備，在其啟動和關閉中對于通信設備存在比較大的干擾作用，所以通信設備一定要具備比較強的抗干擾能力。

2.基站定位預測的必要性

基站定位預測技術在應用中，可以為工程建設安全提供有效保障，通過這一技術構建管控數據庫，可以實現工地管控全過程的移動互聯，以此為工地現場管控狀態的可感知性和信息化提供保障，有助于顯著提升工地疫情管控能力，保障工地現場安全[3]。其中基站定位預測必要性主要體現在：

2.1 順應時代發展需求，建立智能化信息化管理系統

在新時代互聯網技術發展環境下，積極響應工地建設智能化發展需求，促進工地全過程管控建設發展，可以在云計算、大數據以及基站定位等技術的應用下，建造工地“智能+”管控服務，通過互聯網信息技術的應用進一步提升管控工作質量，為工地現場施工安全性提供保障。

2.2 打破工地現場區域限制，保障工地現場有效管控

在工地施工現場，存在一定的區域分割，想要實現信息實時、無障礙溝通，及時掌握施工現場所有人員情況，提升工地現場施工安全性，也就可以強化基站定位預測技術應用，針對工地施工人員實施有效管理，實施反饋工地施工人員施工狀態和所在位置，以便于發現異常情況，及時定位施工人員位置，有效保障施工人員人身安全。基站定位技術在應用中成本低，便于操作，可以為工地現場人員管理提供有效保障。

2.3 提升施工人員履職能力，保障工程管控質量

因為工程項目通常工期較長，工地施工現場面積較大，為便于日常管控，施工人員也需要長期居住在工地，或者是在管理過程在施工現場聘用部分施工人員，此情況下會導致無法及時管控施工人員到崗到位情況，容易發生空崗、漏崗情況，進而影響到施工現場施工質量和效率，無法保障施工人員的履職盡責。因此在基站定位預測技術的應用下，也可以對施工人員實施管控，以此保障施工人員及時到位到崗，以此為施工現場施工質量以及效率提供有效保障。

3.工地現場基站定位預測算法

算法整體流程如下：

步驟1：手機軟件使用基站定位技術獲取時刻T 建筑工人的人員編號ID、經度LONGT、緯度LATT、unix 時間戳T（從1970年1月1日，即UTC/GMT 的午夜開始所經過的秒數）、瞬時速度值ST。

步驟2：手機軟件將時刻T 的數據ID、LONGT、LATT、T、ST傳輸給后臺服務器程序。后臺服務器程序根據人員編號ID，提取出歷史unix 時間戳和速度數據[(TT-n,ST-n), (TT-n-1,ST-n-1),……, (TT-2,ST-2) ,(TT-1,ST-1)]服務器端運行本發明算法，得出T 時刻的預測經緯度Predict-LONGT，Predict-LATT。

步驟3：根據預測后的經緯度，判斷該點位是否超出電子圍欄，超出進行報警[4]。

其中步驟2 中的預測算法流程如下：

（1）設定工地人員運行速度范圍[0-20]km/h（工地現場主要通行方式是步行、電動車、汽車，步行速度一般在4km/h-6km/h，電動車速度一般在10km/h-15km/h，汽車速度一般在20km/h 以下）。

（2）對歷史數據進行清洗，將不在此范圍內的數據進行剔除，自T 時刻開始向前選取100 組數據，不足100 組按實際數據量計算。

（3）取歷史數據中時間戳距離最遠的點作為時間零點，歷史數據中每一組數據的時間取本次時間戳減去零點時間戳的差值，并將單位換算為秒。

（4）對清洗后的歷史數據使用多項式擬合（工地現場人員以步行、電動車、汽車、施工車輛為主要交通工具，但各類交通工具在工地現場基本都是低速、勻速或緩慢加速狀態，因此曲線是介于[0,20]km/h 之間的平滑曲線），生成預測模型[5]，具體步驟如下：

對于給定的數據點(Ti,Si)，i=1,2,……,n，n＜=100求做5 次多項式(考慮到實際使用中可承受的計算量負載，本模型假設為5 次多項式)。

Si= a0Ti5+a1Ti4+a2Ti3+a3Ti2+a4Ti1+a5

通過最小二乘法擬合此多項式，計算出（a0,a1,a2,a3,a4,a5）

（5）使用模型預測當前時刻運行速度Predict-ST。

（6）使用Haversine 公式計算T 時刻點位(LONGT，LATT)和T-1 時刻點位(LONGT-1，LATT-1)的距離d。計算公式如下：

R 為地球半徑，可取平均值6371km；

φ1，φ2表示兩點的緯度；

Δλ 表示兩點經度的差值；

（7）根據預測運行速度計算修正距離Predict-d，公式如下：

如果Predict-ST＞= ST

Predict-d = d＊(1+Predict-ST/ ST)

如果 Predict-ST＜ ST

Predict-d = d＊(1-Predict-ST/ ST)

（8）根據(LONGT、LATT)和(LONGT-1、LATT-1)計算兩個點之間的方位角a，計算公式如下：

a=arcsin(( LONGT- LONGT-1)＊ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360/d)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

（9）計算預測后的經緯度坐標Predict- LONGT，Predict- LATT，并將預測后的坐標返還給調用方。Predict- LONGT，Predict- LATT具體計算公式如下：

Predict- LONGT= LONGT-1+ Predict-d ＊ sin(a)/(ARC＊cos(LATT-1)＊2π/360)

Predict- LATT= LATT-1+ Predict-d ＊ cos(a)/(ARC＊2π/360)

其中ARC=6371.393＊1000（米）

4.工地現場基站定位管理系統設計和預測功能實現

4.1 工地現場基站定位管理系統設計

4.1.1 硬件設計

硬件部分主要包括有三個，功能主要為：

（1）采集應用層，主要可以將其分成兩部分，分別為采集和應用部分。其中在采集部分主要是在設備的應用下實時獲取相關基站信息，對當前施工人員位置信息進行計算，且能夠在網絡的應用下將相關信息實時傳輸到服務器。

（2）傳輸分析層，主要可以將其分成兩部分，分別為傳輸和分析。其中傳輸是在工地現場互聯網以及運營上通信網絡即可以實施信息傳輸。分析是在公司監控服務器的應用下實現相關數據分析；

（3）監控應用層，這一層功能實現主要是通過公司監控顯示屏以及監控服務器實現，對于施工人員位置信息可以在顯示屏地圖上動態顯示出來，對于工地施工人員的管控數據可以在服務器的應用下實施智能收集，實現對施工履職記錄的留存管理。

4.1.2 軟件設計

智能定位系統依照信息網絡實施安全架構，在其軟件部分設計過程中，主要其中分成三類，分別為第一類面向公司管理人員；第二類，面向施工項目部管理人員；第三類面向現場施工人員。其中在采集應用層面向第二類和第三類用戶情況下，主要是實現針對整個工程項目的管控和施工人員個人管控。整體管控中，即為第二類用戶在工地開工之前，可以將相關信息提前錄入數據庫，以能夠為工程管理數據庫建立提供相應的基礎數據；施工人員個人管控即為第三類用戶結合工程安全質量控制要求，并和實際工程進度相結合，通過自己的手機設備提前將個人位置、施工內容以及日期等基本信息上傳到系統，且在規定時間內按時到崗到位，在工作中及時進行簽到、簽退以及拍照等操作。

傳輸分析層主要即為數據庫，針對所采集到的工程現場、現場環境數據以及施工人員信息疊加，即可以實施數據分析。在此過程中主要信息為工程管理項目庫、相關施工人員信息庫等。其中人員動態信息庫主要包括有施工人員姓名、身份信息、崗位以及人員圖片信息等，以此便于實現對于公司各級人員的統一管理。

監控應用層為第一類用戶，可以將整個工地地區信息智能展示出來，將工地現場施工人員到崗情況實現動態顯示，且專門設置有公司系統管理員權限，可以依照自身需求進行菜單、操作功能權限管理。

4.2 工地現場定位預測功能實現

4.2.1 實時定位工地現場施工人員

工地現場施工人員需要在規定時間內按時到崗，完成相應的簽到、簽退以及拍照等操作。通過手中的手機設備會實施將相關數據傳輸到系統的監控應用層，且在監控地區中動態顯示出來。如果工程施工中，是在沒有運營商網絡的工程現場，也按時采集施工人員定位信息，且將其在手機數據庫中實施存儲，在施工人員運動到有網絡或者網絡信號較好區域后，接入網絡也就可以實施數據傳輸[6]。

針對工程延遲或請假的施工人員，可以在計劃外操作或請假審批、工作交接方式的應用下，自動記錄無故不到崗施工人員，即為缺勤。在系統應用下可以將現場施工人員到崗到位和履職情況轉化為統計表格，為施工人員績效考核提供重要參考依據。

4.2.2 施工人員軌跡管理

通過GPS 芯片或設備可以實現對基站信號的及時接收，定位當前施工人員的位置信息，且可以迅速將所獲取的信息動態傳輸到監控服務器，服務器端在獲取施工人員位置信息后，會將其智能保留一定時間，同時也能夠建立施工人員位置信息數據庫。在針對以上相關信息實施分析、挖掘處理后，即可以實現對施工人員活動軌跡的掌握，通過地區將其運行軌跡顯示出來，以此技術獲取施工人員運行軌跡或者對其行為實施約束，保障施工人員履職的合理化目的。

4.2.3 工地地區展示

在施工人員定位預測中，也可以實現對工程實施整體管控，將整個工地在監控顯示屏上實施智能化顯示，實現針對整個工地圍墻范圍、區域劃分的整體性以及動態化展示，與之同時也可以全面站施工地線路路徑走向以及作業位置等。另外公司管理人員也可在基站定位技術的應用下，跟著定位導航直接到工地現場施工人員位置。

4.2.4 施工履職記錄

針對施工人員施工和巡視過程中發現的問題實施記錄，且能夠對施工人員施工記錄實施留存，所獲取的信息能夠生成統計表格，不管是施工內容，還是發現的問題及工地現場整改情況，均可以實施定期共享，進而積累豐富的施工工作經驗，以此進一步提升工地現場施工工作能力。

5.實驗

（1）設定人員運行速度數據有效范圍是[0,20]km/h，劃定電子圍欄四個點位點1（36.658022588860135,117.06813454627991）、點2（36.65805701611133,117.06478714942932）、點3（36.65482078720795,117.06473350524902）、點4（36.65485521589088,117.06822037696838）。

（2）基站定位軟件收集數據，并將數據（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724 405288696，T=1654494418481，S=8 km/h） 發送到后臺服務器程序。

（3）服務器程序接收到數據后，根據ID 查詢歷史數據，取最近的100 條有效數據（根據（1）中的有效范圍進行清洗，如果不夠100 條數據則以實際條數為準）。時刻T 修改為該組數據中時間戳距離零點時間戳的秒數。例如：零點數據為（1654494318763,4.6），則（2）中數據修改為（ID=5301，LONG=36.6581430841719，LAT=117.06724405288696，T=100，S=8 km/h）。

（4）根據取出的100 條有效數據，對速度、時間關系進行建模，根據模型預測T=100 時刻的速度為 4.5 km/h，實際測得速度為S=8 km/h，因此根據預測速度跟實際速度的比例，預測定位軟件上傳的經緯度（LONG，LAT），調整后的經緯度為（36.65779881135225, 11 7.06704020500183），進一步計算后，調整后的經緯度在電子圍欄內部，因此不需要發送報警。

結語：

本發明通過基站定位歷史數據建立運行速度預測模型，并對下一時刻的速度進行預測，根據預測速度和實際速度之間的比例，修正實際檢測到的坐標位置，降低了基站定位精度差所導致的高誤報率。在工地現場人員定位報警應用中，可以實現對應用需求的滿足，一旦出現新冠疫情，不但可以迅速定位相關人員實時位置，也可以對其運行軌跡進行收集，進而強化疫情管控，降低疫情爆發發生率，有效控制工地現場疫情爆發點，實施良好的工地現場疫情控制。