基于5G及藍牙定位的地鐵施工臨時通信技術研究

張 望

(中鐵建電氣化局集團第三工程有限公司 河北高碑店 074000)

1 引言

在地鐵隧道施工過程中，由于施工環(huán)境的特殊性，涉及專業(yè)多，現(xiàn)場照明不足，網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量差，工人交叉施工情況嚴重，現(xiàn)場作業(yè)人員安全無法有效得到保障，施工安全受到潛在威脅，現(xiàn)場一旦發(fā)生相關安全情況，如果不能在第一時間確定其位置及狀態(tài)，給應急救援增加了很大挑戰(zhàn)。指揮中心與施工現(xiàn)場實時溝通，受限于環(huán)境(沒有無線信號覆蓋等)，所以溝通的方式只能使用有線的方式。通常選擇敷設光纖，高帶寬特性，有效解決電話、音頻廣播、視頻監(jiān)控等業(yè)務應用。

但有線通信本身的局限性，使得通信方式不靈活，且不具備廣泛性，應用場景受限，制約著施工現(xiàn)場現(xiàn)代化發(fā)展需要，特別是在事故發(fā)生階段不能提供可靠的應急搶險信息通道，網(wǎng)絡建成后重復利用的可能性低，造成投資浪費。

2 藍牙信號源定位基本算法

2.1 基于信號到達時間的定位算法

基于到達時間的定位算法是指通過測量天線間直達波的傳播時間來完成測距，同時利用相關算法來實現(xiàn)隧道內(nèi)定位的一種方法[1]。該算法較為直觀，容易理解，因此在定位中應用較為廣泛，是最經(jīng)典的定位算法之一。但對測量時間同步有較高的需求，硬件實現(xiàn)成本過高，無法大規(guī)模普及。其原理是基站與終端之間進行通信，通過發(fā)射和采集信號的時間來計算距離[2]。

假設有3個基站(P1，P2，P3)分別發(fā)射信號，終端(MS)接收信號，假設MS與Pi的距離為di，則di的計算公式為:

式中，to為信號從終端發(fā)出的時間；ti為基站接收信號的時間；c為信號傳播速度。

設基站坐標為Pi(x1，y1)，移動終端位置 MS(xn，yn)，則:

可得出移動終端位置MS(xn，yn)為:

2.2 基于信號到達時間差的定位算法

信號到達時間差的定位算法相對于信號到達時間算法有了相對的改進優(yōu)化[3]。該算法通過計算信號到達參考節(jié)點(兩個)的時間差來確定位置關系，然后借助雙曲線原理計算出定位終端的位置進行定位[4-5]。此算法誤差小，具有較高的定位精度，是一種相對穩(wěn)定的定位算法。但若對定位精度有更為精細的需求，則對硬件的需求更高。

設 2 個基站坐標為P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)，終端位置 MS(xn，yn)，根據(jù)三個基站到終端的距離d1、d2、d3，基站與基站間的距離d21、d31、d23可以算出終端位置MS(xn，yn)，公式如下所示:

2.3 基于信號到達角度的定位算法

該算法是通過可以測算信號角度的移動終端接收已經(jīng)布好的基站發(fā)射的信號，根據(jù)基站位置和移動終端位置接收到的信號角度，通過三角函數(shù)計算得到終端位置的一種方法[6]。該方法原理簡單，部署比較方便。

設 2 個基站坐標為P1(x1，y1)、P2(x2，y2)，終端位置MS(xn，yn)，信號接收角α、β則:

3 基于5G及藍牙定位的地鐵施工臨時通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

通過隧道內(nèi)藍牙信號源定位算法計算，在地鐵隧道施工的目標監(jiān)測區(qū)域部署多個藍牙定位微基站，其中，每個藍牙定位微基站與pRRU(Radio Remote Unit，射頻拉遠單元)的POE接口連接，pRRU連接pBridge，pBridge連接 BBU，BBU分別與5G網(wǎng)絡連接和定位服務器連接，每個藍牙定位微基站獲取目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標簽信號，將定位標簽信號通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給定位服務器對定位標簽信號進行處理，得到目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的標簽名稱和標簽位置，基于標簽名稱和標簽位置進行處理，生成處理結果并顯示。由此，利用5G大帶寬實現(xiàn)施工人員及設備的臨時通信功能、施工過程中存在的各種通信需求，大幅提升施工效率，并且通過網(wǎng)線POE供電可以避免傳統(tǒng)藍牙定位定期更換電池的運維需求。

此外，可以調(diào)整藍牙定位微基站部署密度，提升整體的藍牙定位精度。與視頻監(jiān)控聯(lián)動，實時顯示人員定位圖像，進一步滿足地鐵施工臨時通信需求，從而提升地鐵施工場景下的安全需求[7-8]。

圖1為地鐵施工臨時通信處理系統(tǒng)示意圖。其中，每個藍牙定位微基站100與pRRU200的POE201接口連接，pRRU200連接pBridge300，pBridge300連接BBU400，BBU400分別與5G網(wǎng)絡600連接和定位服務器700連接。

另外，該系統(tǒng)中定位服務器700通過目標接口連接視頻硬盤錄像機800，視頻硬盤錄像機800連接多個攝像機900。

定位微基站通過pRRU供電，藍牙定位微基站100與pRRU的POE接口通過UTP雙絞線連接。此外，藍牙定位微基站100有級聯(lián)口，可以將數(shù)個藍牙定位微基站100同時連接。在本系統(tǒng)中，藍牙定位微基站100部署密度，一般不超過3個，藍牙定位微基站100間距一般不超過25 m，即最遠設備(藍牙定位微基站)離pRRU200距離一般不超過75 m。pRRU200通過光電復合纜連接 pBridge300，一個pBridge300可連接多個pRRU200。pBridge300通過光纖連接 BBU400，一個 BBU400可連接多個pBridge300，BBU400通過光纖將數(shù)據(jù)回傳至定位服務器700。

3.2 具體實施過程

圖2為地鐵施工臨時通信處理方法的流程示意圖。由地鐵施工臨時通信處理裝置執(zhí)行，其中該裝置可以采用軟件或硬件實現(xiàn)，一般可集成在電子設備中[9]。方案執(zhí)行過程如下:

圖2 地鐵施工臨時通信處理方法的流程示意

(1)步驟一:每個藍牙定位微基站獲取目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標簽信號，并將定位標簽信號通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給定位服務器。

目標監(jiān)測區(qū)域可以為一個或者多個，比如目標監(jiān)測區(qū)域為地鐵站廳區(qū)域、地鐵站臺區(qū)域和隧道區(qū)域。

在地鐵施工過程中，施工工人佩戴具有藍牙功能的定位標簽，定位標簽具有對應的電子名稱，電子名稱能夠唯一標識一位施工工人，定位標簽能夠與藍牙定位微基站建立連接并進行通信。如果目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標簽是移動的，以及目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的定位標簽數(shù)量也是隨時可以更新的，從而定位標簽可以與任一藍牙定位微基站斷開舊的通信連接，并與其他任一藍牙定位微基站建立新的通信連接?；蛘咴诙ㄎ粯撕炁c藍牙定位微基站建立通信連接后，藍牙定位微基站可以獲取定位標簽發(fā)出的定位標簽信號，并將定位標簽信號通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給定位服務器。

5G網(wǎng)絡連接BBU為藍牙定位微基站提供5G網(wǎng)絡，藍牙定位微基站將定位標簽信號通過pRRU發(fā)送給 pBridge，pBridge將定位標簽信號發(fā)送給BBU，BBU將定位標簽信號發(fā)送給定位服務器。

(2)步驟二:定位服務器對定位標簽信號進行處理，得到目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的標簽名稱和標簽位置。

定位服務器上部署定位解算引擎，將藍牙定位微基站回傳定位標簽信號進行數(shù)據(jù)清洗，數(shù)據(jù)清洗需要通過位置結算引擎來進行，然后再根據(jù)不同的定位算法，解算出標簽位置。可以更充分利用部署平臺所提供的高性能計算資源、存儲和容量以及處理數(shù)據(jù)的能力，發(fā)揮其5G網(wǎng)路高速率、低時延、大數(shù)據(jù)鏈接能力的技術優(yōu)勢，進而顯著提升其網(wǎng)絡整體利用的效率性能和業(yè)務增值價值。

數(shù)據(jù)清洗的結果質(zhì)量直接關系到后續(xù)處理結果的精確性，其中預處理階段主要做兩件事情:一是將數(shù)據(jù)導入處理工具；二是看經(jīng)過處理工具的數(shù)據(jù)。普遍學習的是包含兩大部分:第一個是看原始數(shù)據(jù)，包括該數(shù)據(jù)的解釋、來源以及代碼表等一切可以對數(shù)據(jù)進行解釋和描述的信息；二是抽取的數(shù)據(jù)，通過人工的查看方式，對抽取出來的數(shù)據(jù)有一個較為直觀的了解，然后從中先進一步地發(fā)現(xiàn)一些初步問題，做好之后的數(shù)據(jù)清洗處理準備工作。數(shù)據(jù)清洗有以下步驟:步驟一，對缺失值進行清洗；步驟二，格式內(nèi)容清洗；步驟三，邏輯錯誤清洗，包含去重，去除不合理值，修正矛盾內(nèi)容；步驟四，非需求數(shù)據(jù)清洗；步驟五，關聯(lián)性驗證[10]。其中，定位標簽信號包括標簽名稱，通過標簽名稱唯一標識一個定位標簽信號，從而唯一標識一個標簽位置。標簽位置指的是佩戴該定位標簽的用戶在目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的具體位置坐標。

在實施過程中，定位服務器對定位標簽信號進行處理，得到標簽名稱和標簽位置的方式有很多種，在一種可選方式中，定位標簽向藍牙定位微基站發(fā)射尋向訊號，而這種利用藍牙定位微基站作為信號接收端口的裝置一般會往內(nèi)部加建一個天線陣列，當藍牙定位標簽信號通過微基站時，會以上述陣列中獲取到的不同距離，計算得出相位差，從而得到相對的信號方向。得到標簽名稱、標簽位置；在另一種可選方式中，由已經(jīng)在固定位置上且已經(jīng)具備天線陣列模塊的藍牙定位微基站來發(fā)射信號，將該信號直接傳遞給定位標簽，定位標簽便可以通過所接收來的信號經(jīng)過計算得出的波方向，通過該波方向來進行進一步定位。在另一種可選方式中，通過預先將所有參考點(藍牙定位微基站)之間時鐘同步，未知點(定位標簽)發(fā)出信號，不同參考點(藍牙定位微基站)在不同時刻接收到該信號，選取某參考點(藍牙定位微基站)接收到信號的時刻作為基準，其他參考點(藍牙定位微基站)收到信號的時刻減去該基準得到定位信號到達時間差；根據(jù)未知點(定位標簽)與兩個參考點(藍牙定位微基站)之間的到達時間差可以建立一條雙曲線，實現(xiàn)二維定位需要至少三個參考點(藍牙定位微基站)建立一組雙曲線方程求解得到為支點的位置估算[11-12]。

(3)步驟三:基于標簽名稱和標簽位置進行處理，生成處理結果并顯示。

基于標簽名稱和標簽位置進行處理，生成處理結果并顯示的方式有很多種，在實施過程中，分析標簽位置是否屬于預設的限制區(qū)域；其中，限制區(qū)域小于目標監(jiān)測區(qū)域，在標簽位置屬于預設的限制區(qū)域的情況下，生成包括標簽名稱的提示信息并顯示?；?qū)δ繕吮O(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有標簽名稱和標簽位置進行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結果并顯示。

定位服務器對定位標簽信號進行處理，得到標簽名稱和標簽位置，包括:基于定位標簽信號，得到標簽名稱以及標簽名稱對應的相位差，基于標簽名稱的相位差進行計算，得到標簽位置。

將標簽名稱和標簽位置發(fā)送至監(jiān)控顯示設備顯示。分析標簽位置是否屬于預設的限制區(qū)域；其中，限制區(qū)域小于目標監(jiān)測區(qū)域，標簽位置屬于預設的限制區(qū)域的情況下，生成包括標簽名稱的提示信息并顯示。

對目標監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有標簽名稱和標簽位置進行統(tǒng)計，得到統(tǒng)計結果并顯示。

地鐵施工臨時通信處理方法除了可以實時定位外，還能夠?qū)崿F(xiàn)歷史軌跡回放、電子圍欄、報警管理、資產(chǎn)盤點、巡檢管理、電子點名、訪客管理、視頻聯(lián)動和權限管理等功能。比如區(qū)域統(tǒng)計，使用區(qū)域統(tǒng)計功能，可以規(guī)劃區(qū)域快速查看區(qū)域內(nèi)的標簽數(shù)量和標簽名稱。

定位服務器通過目標接口連接視頻硬盤錄像機，視頻硬盤錄像機連接多個攝像機，方法還包括:每個攝像機獲取拍攝圖像發(fā)送給定位服務器，定位服務器對標簽位置對應的拍攝圖像進行識別，得到標簽位置對應的行為識別結果。具體地，依托5G基站設備集成藍牙定位微基站，為地鐵隧道內(nèi)部施工提供人員的定位通信技術，在特定的區(qū)域基于用戶位置信息通過人工智能識別人員行為。

藍牙定位微基站具有級聯(lián)網(wǎng)口，連接預設數(shù)量藍牙定位微基站，任意兩個藍牙定位微基站之間距離小于預設的第一距離閾值，藍牙定位微基站與所述pRRU的最大距離小于預設的第二距離閾值。其中，第一距離閾值和第二距離閾值根據(jù)應用場景選擇設置，調(diào)整藍牙定位微基站部署密度，有效提升整體的藍牙定位精度。

4 地鐵施工臨時通信系統(tǒng)場景

針對現(xiàn)在地鐵施工階段的站廳、站臺及隧道內(nèi)無法進行通訊、人員定位、視頻監(jiān)控等的問題，在地鐵施工中站臺、站廳區(qū)、隧道內(nèi)，部署兩張網(wǎng)絡，搭建5G公網(wǎng)通訊網(wǎng)，結合當?shù)剡\營商，采用BBU＋pBridge＋pRRU通信方式在站廳、站臺區(qū)、隧道內(nèi)部署pRRU進行5G網(wǎng)絡覆蓋；搭建藍牙定位網(wǎng)絡，通過已在站廳、站臺區(qū)、隧道內(nèi)部署5G網(wǎng)絡中的pRRU結合定位精度要求，在以上區(qū)域部署藍牙定位微基站與視頻攝像頭如圖3所示。

圖3 地鐵施工場景應用

由此，利用5G大帶寬滿足實時回傳功能，實現(xiàn)施工人員及設備的通話、視頻、監(jiān)控、定位等臨時通信功能，可大幅提升施工效率，也解決了施工過程中存在的各種通信需求，同時若發(fā)生安全問題也能為搜救提供相應人員位置信息，為搶救提供了寶貴時間。本應用利用5G基站設備集成藍牙5.1通信模組，其中，5G基站搭建流暢的網(wǎng)絡環(huán)境；其次，通過在5G基站的射頻pRRU硬件上創(chuàng)新的融合多個藍牙定位微基站實現(xiàn)所有藍牙定位的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)包進行傳輸，保證了傳輸數(shù)據(jù)的通用性，且同時通過網(wǎng)線POE供電可以避免傳統(tǒng)的藍牙定位的定期更換電池的運維需求?；赗RU引出多個藍牙定位微基站實現(xiàn)定位，還可通過增加藍牙定位微基站部署密度，有效提升整體的藍牙定位精度；與此同時，藍牙定位通過與視頻監(jiān)控聯(lián)動，實時顯示人員定位圖像，并通過5G網(wǎng)絡將人員定位、圖像等信息上傳至指揮部定位管理平臺。

5 結束語

研究了基于5G及藍牙定位的地鐵施工臨時通信技術，并將此技術應用于典型地鐵施工場景中。該技術解決了地鐵施工人員及設備的臨時通信問題，滿足施工過程中存在的各種通信需求；加快了地鐵施工進度、保證了地鐵施工安全、大幅提升施工效率、降低了施工組織管理成本，可為其他類似地鐵、長大隧道等隧道內(nèi)環(huán)境施工提供借鑒。