融合定位技術(shù)在智慧工地管理中的應(yīng)用

胡建華

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引 言

安全生產(chǎn)是無數(shù)企業(yè)共有的企業(yè)文化，建筑工地危險源多、危險面廣、設(shè)備眾多，現(xiàn)場情況復(fù)雜，潛在危險點多，目前無法掌控人員實時分布情況，難以實現(xiàn)合理有效的管理調(diào)度；沒法進行區(qū)域管控，阻止非授權(quán)人員進入特定區(qū)域；沒法在緊急情況下讓救援人員第一時間掌握遇險人員分布詳情；無法通過歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)流程與管理，達到減員增效的目的。雖然當(dāng)前的智慧工地大部分區(qū)域都覆蓋了視頻監(jiān)控，但單純依賴攝像頭，管理員在面對成百上千個監(jiān)控畫面時，難以確保第一時間發(fā)現(xiàn)異常，把意外消滅在萌芽狀態(tài)。像這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取、巡更管理、資源調(diào)配、應(yīng)急救援等均缺乏數(shù)字化、可視化的融合展示管理平臺，缺少對人、車、物的活動軌跡記錄，缺乏數(shù)據(jù)支撐，不利于事件追溯，而當(dāng)前的實時定位手段單一，不能滿足建筑行業(yè)不同場景的需求，缺乏定制化的解決方案。

基于以上難點設(shè)計出一套融合定位技術(shù)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該技術(shù)集北斗定位技術(shù)、UWB定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)、LoRa傳輸技術(shù)、北斗短報文傳輸技術(shù)、多引擎多線程等平臺支撐技術(shù)于一身，為應(yīng)用層提供位置呈現(xiàn)和位置搜索等服務(wù)，并統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多定位技術(shù)融合、室內(nèi)外位置服務(wù)融合、多維度空間數(shù)據(jù)融合。

1 融合定位技術(shù)簡介

該方案基于融合定位技術(shù)和三維實時展示技術(shù)，實現(xiàn)對人員、物資、車輛的可視化、精細化、智能化管理，能夠與視頻監(jiān)控、智能廣播和門禁系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，提升安全管理水平，提高事前預(yù)警、事中定位、事后追蹤的能力，保障施工安全有序。利用IOT技術(shù)，將智慧工地數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一的平臺，為項目管理層的決策提供支持。與現(xiàn)有定位技術(shù)相比，融合定位技術(shù)解決方案高度模塊化可支持高度差異化場景應(yīng)用，滿足不同需求，三重定位模式可實現(xiàn)無縫切換，重點區(qū)域定位精度達到0.3～1 m，普通區(qū)域定位精度達到2～5 m，同時具有成本低、施工便捷、定位精度高的特點。融合定位技術(shù)在定位功耗、定位精度和施工難度之間找到一個最佳平衡點，基于以上定位技術(shù)實現(xiàn)多場景（人、車輛、物資）下數(shù)字化智能應(yīng)用，最終通過三維展示技術(shù)構(gòu)建融合定位應(yīng)用平臺，實現(xiàn)對人員、物資的實時動態(tài)監(jiān)測預(yù)警，消除人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素，提升生產(chǎn)安全管理水平，降低安全風(fēng)險。

融合定位技術(shù)中的北斗定位技術(shù)可提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。通過部署地基增強實現(xiàn)1 m以內(nèi)的RTK定位精度。藍牙定位技術(shù)的定位精度較高，定位方式多樣，功耗低，成本低，可部署在空曠區(qū)域，信標(biāo)間隔10米，定位精度2～5 m。UWB定位技術(shù)的定位精度高，抗干擾能力強，但成本較高。部署在施工人員密集的區(qū)域，信標(biāo)間隔20米，定位精度0.3～1 m，LoRa傳輸技術(shù)覆蓋廣（15 km），功耗低（1.7 mA/14 mA），穿透力強。部署在施工人員密集的區(qū)域，保證信號覆蓋整個施工區(qū)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 藍牙定位技術(shù)

藍牙定位技術(shù)通過接收信號強度（Received Signal Strength, RSS）計算得出終端到多個定位節(jié)點的距離，并以已知節(jié)點位置為圓心，終端與節(jié)點的距離為半徑形成圓形，多個圓的交點就是終端位置，如圖2所示。

圖2 基于距離的定位原理

終端到基站的距離解算方程組公式為：

其中，R為第個基站到終端的距離，（X，Y）為第個基站的坐標(biāo)。基于場強進行距離估計時，當(dāng)終端距離定位基站較近時，信號強度對應(yīng)的距離分辨率較好，精度較高；當(dāng)終端距離定位基站較遠時，信號強度對應(yīng)的距離分辨率較差，精度較低。通常，當(dāng)定位精度要求在2～3 m時，定位節(jié)點部署間距要求在6～8 m。藍牙信號監(jiān)測數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 藍牙信號監(jiān)測數(shù)據(jù)表

1.2 UWB定位技術(shù)

UWB定位技術(shù)分為三種，分別為TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）、AOA（到達角度或稱為DOA估計）定位技術(shù)，融合定位技術(shù)采用的定位模式為TOA，其定位原理如圖3所示，即通過測量移動終端與三個或更多基站之間信號的傳播時間來定位，它采用圓周定位，將信號回傳和定位信號相分離，定位輔助信號采用UWB信標(biāo)方式部署能采用電池供電，終端通過信標(biāo)定位并通過通信基站回傳，通信基站收集終端定位數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸至開放平臺，開放平臺接收數(shù)據(jù)后通過定位引擎進行實時位置解算，實現(xiàn)了藍牙定位免布線的優(yōu)勢。

圖3 TOA定位原理

1.3 技術(shù)對比

通過以上技術(shù)分析可形成簡要技術(shù)對比表格，如表1所示。

2 融合定位技術(shù)方案

2.1 存在性和普通定位技術(shù)方案

基于藍牙定位技術(shù)的人員定位是一種實時定位，可以實現(xiàn)電子圍欄、歷史軌跡、精準(zhǔn)查詢等功能，藍牙定位技術(shù)具有成本低、免布線等特點。藍牙定位還可以與北斗定位相結(jié)合，定位終端內(nèi)置北斗定位芯片和藍牙芯片，實現(xiàn)廠區(qū)室內(nèi)外一體化定位解決方案。藍牙定位技術(shù)的出現(xiàn)，使普通的智能設(shè)備也具有了定位功能。施工場地的施工人員眾多，難以實現(xiàn)高效管理、快速調(diào)度。設(shè)備、物資存放分散，難以實現(xiàn)快速定位貨物、統(tǒng)計庫存、責(zé)任到人。難以實現(xiàn)對高危區(qū)域的有效監(jiān)管和區(qū)域界定。在施工現(xiàn)場布設(shè)藍牙網(wǎng)關(guān)和藍牙信標(biāo)，通過施工作業(yè)人員配備的定位工卡或安全帽等終端，與藍牙信標(biāo)通信確定實際的相對位置，最終將位置信息通過藍牙網(wǎng)將信號數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器，這樣就實現(xiàn)了對施工人員的實時定位，不僅能起到監(jiān)督工作的效果，還能時刻關(guān)注到工人的安全。藍牙無線定位系統(tǒng)在需要定位的應(yīng)用場景內(nèi)布設(shè)分布式藍牙信標(biāo)，形成無線定位環(huán)境，為人員或物品佩戴定位器，實現(xiàn)對現(xiàn)場人員、車輛、重要物資以及現(xiàn)場作業(yè)的全方位可視化管理，從而有效提升安全管理水平。藍牙定位的優(yōu)勢在于定位精度基本滿足業(yè)務(wù)需求，具有定位成本低、功耗低、施工安全風(fēng)險低等特點。

表1 定位技術(shù)對比

2.2 精確定位技術(shù)方案

UWB超寬帶技術(shù)是一種基于極窄脈沖的無線技術(shù)，具有傳輸速率高、發(fā)射功率低、抗多徑效果好、安全性高、穿透能力強等優(yōu)點。UWB定位精度高，可以做到亞米級，在較好的環(huán)境下可以做到5厘米甚至更高的定位精度，并且設(shè)備功耗很小，在有線環(huán)境下標(biāo)簽為800 mAh的鋰電池可以連續(xù)使用幾個月，在信標(biāo)方案部署下標(biāo)簽為800 mAh的鋰電池可以連續(xù)使用半個月。信標(biāo)部署方案融合了藍牙定位部署的優(yōu)點，具有低成本的優(yōu)勢。UWB抗干擾能力強，UWB定位采用時間間隔極短的脈沖進行通信，具有較強的抗干擾能力。

3 融合定位技術(shù)應(yīng)用

利用融合定位技術(shù)將現(xiàn)場人員的實時位置信息顯示出來并記錄其行動軌跡，對其工作進行量化管理，提高其工作效率。定位系統(tǒng)具有定位準(zhǔn)確、連續(xù)工作時間長、易使用、易維護、無需額外部署定位基站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等優(yōu)點，更適用于復(fù)雜的工地環(huán)境。有突發(fā)情況發(fā)生時，救援人員可根據(jù)該系統(tǒng)的高定位精度來判斷相關(guān)人員的所在位置，及時采取相應(yīng)的救援措施，提高救援工作的效率。這個功能的日漸完善在很大程度上提高了工地的安全性，進一步加強了管理者對現(xiàn)場情況的控制。定位系統(tǒng)以定位終端標(biāo)記來訪人員信息，將來訪人員位置、業(yè)務(wù)狀態(tài)影像等信息以數(shù)據(jù)形式集成到訪客定位管控平臺，全面記錄和直觀展現(xiàn)院內(nèi)所有人員的一舉一動。人員定位管理系統(tǒng)不僅可以實時查看人員的當(dāng)前位置，統(tǒng)計各區(qū)域人數(shù)，還可以關(guān)聯(lián)安防系統(tǒng)中的攝像頭，若有人進入非授權(quán)區(qū)域或某個場所來訪人數(shù)突然增加，系統(tǒng)會自動報警，主動顯示相關(guān)區(qū)域視頻。在智慧工地中融合定位系統(tǒng)可實時獲取特定區(qū)域人員和車輛詳細信息及分布情況，對人員串崗、睡崗、脫崗及車輛違規(guī)停放行為進行管理。對外包人員、臨時訪客及外來車輛進行有效管理，如限制工作區(qū)域或訪問區(qū)域，限制進入時段等。通過巡更人員定位實現(xiàn)自動化巡更管理，對巡更路線及巡更報表有據(jù)可查，提升安全管理水平。同時系統(tǒng)可聯(lián)動鷹眼視頻監(jiān)控，實現(xiàn)實時定位追蹤，對定位對象進行可視化的管理。聯(lián)動智能廣播系統(tǒng)，實現(xiàn)精準(zhǔn)化區(qū)域廣播，提高應(yīng)急響應(yīng)能力。事故發(fā)生后，啟用雙向報警及下發(fā)消息的功能，迅速確定人員位置，及時制定有效的救援方案，保障員工的生命安全。對移動吊車、塔吊等危險性區(qū)域進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)避碰及警戒區(qū)報警，塔吊防超載防傾翻并進行吊裝過程分析。通過二維或三維模型形成數(shù)據(jù)集成載體的顯示平臺，對人員、車輛、重點物資進行可視化管理。實時展示區(qū)域可實現(xiàn)對模塊化產(chǎn)品、人車物狀態(tài)、告警、數(shù)據(jù)等信息的自由組合展示，最終通過三維地圖的可視化綜合展示和管理方案，實現(xiàn)安全智能預(yù)警和安全風(fēng)險管控“一張圖”，展示效果如圖4所示。

4 結(jié) 論

融合人員定位系統(tǒng)補足了現(xiàn)有項目管理的薄弱環(huán)節(jié)和存在的安全風(fēng)險，提高項目決策管理的及時性和準(zhǔn)確性，提升施工的智能化水平和運行效率，為項目的安全穩(wěn)定運行提供有力的保障。使用人員定位系統(tǒng)方便管理人員管理各個不同區(qū)域、不同作業(yè)面、施工人員的實際情況，滿足施工管理模式要求。融合定位系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)在建設(shè)工程領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，通過應(yīng)用平臺實現(xiàn)對人員、物資的實時管控，通過系統(tǒng)聯(lián)動和智能分析達到預(yù)警的作用，真正做到事前預(yù)警、事中常態(tài)檢測、事后規(guī)范管理，實現(xiàn)更安全、更高效、更精益的工地施工管理，增強建筑工程安全生產(chǎn)的感知、監(jiān)測、預(yù)警、處理和評估能力，提升應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化，真正解決建設(shè)工程中出現(xiàn)的監(jiān)管薄弱、人員管控難等問題，所以融合定位技術(shù)未來必將成為項目建設(shè)管理方不可或缺的選擇。

圖4 系統(tǒng)主界面