5G+泛無線融合技術(shù)在地鐵施工人員定位中的研究

司福強

（北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

隨著中國物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展與日益增長和5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模建設(shè)，5G網(wǎng)絡(luò)的高寬帶、少延時、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，為業(yè)務(wù)開展提供了必要的網(wǎng)絡(luò)支撐，并推動著業(yè)務(wù)的不斷豐富。在地鐵施工建設(shè)中，作業(yè)人員的活動中80%的時間都用在了地下活動，而室內(nèi)的GPS、北斗信息服務(wù)還不能滿足需求。同時隨著國內(nèi)城市軌道交通5G互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)豐富發(fā)展，人員定位服務(wù)將是城市軌道行業(yè)”互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃以及地鐵施工建設(shè)中必要的手段，如何在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中為公眾提供智能定位服務(wù)已成為業(yè)界的熱點問題。本文關(guān)于在城市軌道交通地下場景中作業(yè)人員定位的方法，根據(jù)目前5G+泛無線融合技術(shù)進行研究分析。

2 地鐵施工中人員定位的研究背景和意義

2.1 定位研究的背景

在城市軌道交通地下場景中，因為施工基本都是在地下，往往工作環(huán)境艱苦惡劣，工作人員眾多，使施工單位面臨非常大的管理困難。近年來，城市軌道交通安全事故時有發(fā)生，發(fā)生危險事故、造成人員傷亡后往往無法快速報警求救或自救，救援人員也無法精確獲取施工現(xiàn)場人員的實時位置，發(fā)生人員傷亡時亦無法快速到達地點實施營救，使城市軌道交通施工安全生產(chǎn)、人員管理的需求更加迫切。綜合來說，這種需求主要包括人員考勤、跟蹤定位、災(zāi)后急救和日常管理。這些管理需求的實現(xiàn)，核心是對人員的實時跟蹤定位。因此迫切地需要提供一種能夠?qū)Φ罔F施工現(xiàn)場所有工作人員進行實時亞米級高精度位置數(shù)據(jù)定位的系統(tǒng)。

2.2 定位研究的意義

在城市軌道交通地下場景的應(yīng)用中，建設(shè)前期搭建的定位系統(tǒng)，基本都是前期臨時性投入，在選用定位技術(shù)中，要注意定位精度與成本之間的平衡，因此，在很多情形下，都不必選用較高精度或昂貴的系統(tǒng)。另外，為防止人員信息出現(xiàn)在無法預(yù)見的地方，必須繼續(xù)研究位置智能的方法，對軌跡進行全面研究，進行系統(tǒng)的誤差校準，從而達到提升定位精度的目的。5G網(wǎng)絡(luò)為各種功能性業(yè)務(wù)提供必要的數(shù)據(jù)傳輸信道。目前，戶外的服務(wù)大部分還是依靠衛(wèi)星定位系統(tǒng)。GPS、北斗在戶外定位系統(tǒng)中扮演了主要角色。但是，在地下環(huán)境和隧道場景，由于GPS衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星信號遭到阻斷，從而不能通過GPS、北斗定位系統(tǒng)定位，因此必須思考怎樣解決在這種環(huán)境下的定位問題。目前，雖然有眾多定位技術(shù)作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)的輔助和提高的技術(shù)，但不同技術(shù)間還缺少有機的、深入的技術(shù)融合，僅僅單一地解決了定位精度低或定位時間長的問題，綜合、全面分層整合新的定位系統(tǒng)技術(shù)框架，才能夠整合各類定位系統(tǒng)技術(shù)。但針對地鐵施工中人員定位系統(tǒng)的迫切需求，目前有以下幾種室內(nèi)定位系統(tǒng)方法。不同的定位方法有其自身的優(yōu)點，同時又有相應(yīng)的不足之處。在選用適當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒〞r，必須要考慮定位精度、時間、并發(fā)等因素，以及系統(tǒng)成本與效率。

3 5G+泛無線技術(shù)

3.1 泛無線網(wǎng)絡(luò)的概念

泛在無線網(wǎng)絡(luò)強調(diào)“無所不在”或“泛在”通信理念的特征正日漸清晰，“泛在”也成為了信息時代最主要的特點，泛在網(wǎng)絡(luò)已作為信息社會的主要載體并開始形成對信息通信業(yè)的廣泛共識。一般來說，它意味著“無處不在的網(wǎng)絡(luò)”，即普遍存在的互聯(lián)網(wǎng)。其特征為無所不在、包容、無所不能，從而達到了隨時隨地、任何人、任何事物之間的便捷溝通，即5G網(wǎng)絡(luò)+泛在互聯(lián)網(wǎng)=泛在通信網(wǎng)絡(luò)。泛在無線網(wǎng)絡(luò)主要包括種類，如圖1所示。

圖1 泛在無線網(wǎng)絡(luò)主要類型Fig.1 Main types of ubiquitous wireless networks

3.1.1 Wi-Fi定位技術(shù)

目前，Wi-Fi是一項相對成熟且應(yīng)用廣泛的技術(shù)，近年來許多公司都在這一領(lǐng)域進行了投資。Wi-Fi定位可以大范圍的定位，然而易受周圍環(huán)境影響，定位精度低，只能達到2 m左右，因此不可能實現(xiàn)精確定位。

3.1.2 藍牙信標技術(shù)

藍牙定位技術(shù)與Wi-Fi差別不大，但其準確度略高于Wi-Fi。iBeacon藍牙信標技術(shù)，通過藍牙硬件、智能終端上的軟件、云端上的軟件后臺，協(xié)同工作可以正常操作。終端通過測定其所在位置的接收信號頻率，以估計與烽堠之間的距離。如果終端周圍存在3個及以上，就能夠利用三邊定位技術(shù)測算出終端的距離。

3.1.3 RFID技術(shù)

RFID室內(nèi)定位技術(shù)通過固定讀卡器讀取目標RFID標簽的特征信息，并通過最近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方式計算標簽的定位。RFID與室內(nèi)位置技術(shù)作用距離非常近，而從它獲取位置信號所需要的時間也非常短，僅需要幾毫秒，但由于電磁場技術(shù)非視距等優(yōu)勢，傳播范圍也較大，而且標識的體積小，售價也比較低廉。但由于它不具備通訊能力，抗干擾能力很差，并不方便地集成在其他信息系統(tǒng)中，且應(yīng)用的安全隱私保護技術(shù)和國際規(guī)范也都還沒有完備。

3.1.4 超聲波技術(shù)

超聲波定位采用反射測距法進行定位。由一個主測距儀和幾個接收機組成。主測距儀可以放置在被測目標上，接收機固定在室內(nèi)環(huán)境中。在定位過程中，相同頻率的信號傳輸?shù)浇邮諜C，然后再反射和傳播給主波測距儀。通過回波與發(fā)送信號之間的時間差測量位置，從而確認距離。其定位精度好，構(gòu)造簡潔，但受多徑效應(yīng)、無視線因素、頻率受多普勒效應(yīng)和環(huán)境溫度變化的干擾。同時，它又需要大量的基本硬件設(shè)備，成本較高。

3.1.5 UWB定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)采用納秒非正弦窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有頻譜寬、時間分辨率高的特點。定高UWB系統(tǒng)可以在特定的室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)對定位目標的實時跟蹤定位，并實時顯示定位目標在空間的高度變化。具體對比如表1所示。

表1 各個定位技術(shù)性能對比Tab.1 Comparison of performance of various positioning technologies

3.2 各類定位技術(shù)性能對比

目前，各類定位技術(shù)各有優(yōu)點，但又有一定的局限。在選用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)時，必須綜合考慮定位精度、延時和并發(fā)性等能力。同時，還應(yīng)充分考慮設(shè)備的成本與功耗。對比情況如表2所示。

表2 各種融合方案對比Tab.2 Comparison of various fusion schemes

3.3 5G+泛無線融合

“5G+泛無線融合”體系主要包括設(shè)備級和管道級融合。利用5G基站的廣泛部署，結(jié)合泛無線的室內(nèi)技術(shù)，不管是從設(shè)備端或者是管道的傳輸進行集成，都將是一個“1＋1＞2”的強強聯(lián)合。5G+泛無線融合網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活，維護更加方便，定位服務(wù)更加廣泛。不同融合技術(shù)提供不同的定位精度。根據(jù)應(yīng)用場景的特點，匹配出滿足應(yīng)用位置融合的最佳解決方案。表2對各類綜合定位技術(shù)進行了比較，給出了推薦的應(yīng)用場景，當(dāng)然，最終選擇的解決方案需要根據(jù)自身特點、定位精度和定位終端成本要求等因素綜合考慮。

4 5G+泛無線融合室內(nèi)定位方案

4.1 場景需求

城市軌道交通施工建設(shè)以往采用傳統(tǒng)的管理方式，存在安全管理隱患大、無法有效監(jiān)督和統(tǒng)計人員的到崗到位情況、高危作業(yè)場景或重點區(qū)域的監(jiān)督防范的可靠性得不到切實保證、施工現(xiàn)場工器具管理粗放且存在到檢未檢的漏洞、外來車輛與人員缺少實時監(jiān)控等諸多問題，因此需要借助高精度定位技術(shù)進行實時管理。但與此同時，鐵路建設(shè)城市軌道交通地下作業(yè)場景不僅具有專業(yè)交叉嚴重、作業(yè)人員多、高遮擋等缺點，而且作業(yè)范圍大、環(huán)境復(fù)雜，存在布線難、成本高等問題。

4.2 解決方案

針對上述需求現(xiàn)狀，通過5G網(wǎng)絡(luò)通訊和藍牙高精度定位融合后，充分發(fā)揮運營商5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的規(guī)模優(yōu)勢，通過5G網(wǎng)絡(luò)通訊、MEC邊緣計算、切片能力為城市軌道交通地下施工場景提供一個虛擬無線專網(wǎng)，從終端到網(wǎng)絡(luò)接入、施工現(xiàn)場應(yīng)用等可以實現(xiàn)端到端的安全和高可靠性。同時，5G基站支持定位設(shè)備一體化部署，可以同時部署通信網(wǎng)絡(luò)和定位網(wǎng)絡(luò)兩個網(wǎng)格。定位系統(tǒng)可充分利用5G基站的供電、傳輸?shù)荣Y源，以節(jié)省建設(shè)成本。

1）前端設(shè)備組成

前端設(shè)備主要由攝像機、藍牙定位基站、5G專網(wǎng)基站（BBU＋RRU）、5G公網(wǎng)基站（BBU ＋RHUB ＋Pico）、5G用戶終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）組成。

5G CPE提供無線回傳及接口，滿足前端設(shè)備接入和數(shù)據(jù)無線傳輸需求。藍牙定位基站提供高精度定位能力。5G基站提供藍牙定位的數(shù)據(jù)回傳通道。

公網(wǎng)攝像機與CPE利用以太網(wǎng)線連接，通過空口與公網(wǎng)Pico進行通信，數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)BBU接入核心網(wǎng)，專網(wǎng)攝像機與CPE利用以太網(wǎng)線連接，通過空口與專網(wǎng)RRU進行通信，數(shù)據(jù)通過專網(wǎng)BBU接入核心網(wǎng)，同時專網(wǎng)攝像機可實現(xiàn)用戶面數(shù)據(jù)下沉到專網(wǎng)UPF。業(yè)務(wù)網(wǎng)管可通過網(wǎng)頁端輸入攝像機IP地址查看前端圖像。

藍牙定位基站通過以太網(wǎng)線與POE交換機相連，并且下掛CPE，實現(xiàn)藍牙基站定位信息通過空口與專網(wǎng)RRU進行通信，數(shù)據(jù)通過5G專網(wǎng)BBU接入核心網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳，將相關(guān)故障警告信息上報到服務(wù)器。

2）后端設(shè)備組成

后端設(shè)備主要由5G核心網(wǎng)、藍牙定位服務(wù)器、業(yè)務(wù)網(wǎng)管組成。

5G核心網(wǎng)處理并轉(zhuǎn)發(fā)基站提供的數(shù)據(jù)，藍牙定位服務(wù)器部署藍牙系統(tǒng)智能運維與管控軟件，提供系統(tǒng)管控能力。

業(yè)務(wù)網(wǎng)管通過訪問服務(wù)器，獲取視頻及定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)查看藍牙基站位置及狀態(tài)信息，完成維護操作。同時基于5G公專網(wǎng)回傳的前端攝像機可以與藍牙定位系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)定位與視頻的聯(lián)動監(jiān)控。其組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G融合藍牙組網(wǎng)架構(gòu)Fig.2 Networking architecture of 5G+Bluetooth fusion

3）定位精度計算方法

對于二維定位，人員真實位置坐標記為（x0，y0），系統(tǒng)定位的坐標記為（x，y），單點單次定位誤差計算方法如公式（1）所示。

假設(shè)在一個位置定位N次，第i次得到的人員位置坐標記為（xi，yi），i＝1, 2, 3…N，該人員的定位精度計算方式如公式（2）所示。

通過將藍牙定位技術(shù)與5G融合應(yīng)用，實現(xiàn)對城市軌道交通地下施工人員、車輛、工具等的實時定位，并將位置數(shù)據(jù)實時地將人、車、物的位置信息顯示在項目指揮中心，并結(jié)合電子圍欄、應(yīng)急救援、智能調(diào)度等功能，實時定位產(chǎn)生的位置首先能直觀地顯示各類元素的位置，方便施工企業(yè)管理者對各類生產(chǎn)元素的監(jiān)督。融合定位系統(tǒng)開放位置API接口，可考慮與已有系統(tǒng)進行無縫對接，實現(xiàn)施工區(qū)域運行管理、高風(fēng)險運行監(jiān)控、值班管理、檢驗過程管理、工具管理、車輛實時跟蹤監(jiān)控的智能化和精確化控制，如圖3所示。

5 結(jié)束語

5G室內(nèi)綜合定位解決方案提供了一個開放的系統(tǒng)。5G+泛無線定位技術(shù)融合、共存、協(xié)調(diào)發(fā)展。根據(jù)實際應(yīng)用需要，可以滿足不同的定位精度。根據(jù)企業(yè)的發(fā)展，可以采取相應(yīng)的解決方案，促進企業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展。