基于UWB 技術(shù)的地下封閉環(huán)境動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)研究

劉子涵，盛虎

（大連交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧大連，116028）

0 引言

本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，利用UWВ 技術(shù)，提供了一種城市軌道地下封閉施工現(xiàn)場(chǎng)人員動(dòng)態(tài)定位實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高精確定位的同時(shí)進(jìn)行對(duì)被困人員生理情況、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

1 現(xiàn)有技術(shù)分析

城市軌道地下施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，為防止安全事故的發(fā)生，必須借助高精度定位技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，以便于實(shí)現(xiàn)安全高效的巡檢。通過(guò)高精度定位技術(shù)可對(duì)施工人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，這樣遇到突發(fā)事件時(shí)地面人員能及時(shí)掌握地下人員的分布概況，便于精準(zhǔn)、高效地處理問(wèn)題。

目前應(yīng)用于地下封閉空間的定位技術(shù)主要有射頻識(shí)別、WiFi 定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、ZigВee 技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、UWВ 等技術(shù)。以上定位技術(shù)的參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 各定位技術(shù)的參數(shù)對(duì)比表

綜合對(duì)比各種定位技術(shù)，UWВ 定位技術(shù)通信距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)。UWВ 定位技術(shù)是一種全新的技術(shù)，與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有著極大的差異。UWВ 的工作頻帶一般為3.0～10.6GHz，系統(tǒng)-10dВ 帶寬與系統(tǒng)中心頻率之比大于20%或系統(tǒng)帶寬至少為500MHz。UWВ 信號(hào)可通過(guò)發(fā)射時(shí)間極短的窄脈沖通過(guò)微分或混頻等上變頻方式調(diào)制到UWВ 工作頻段產(chǎn)生。接收端通過(guò)計(jì)算發(fā)送端發(fā)出的窄脈沖在空中的飛行時(shí)間，再乘以光速計(jì)算出讀卡子站與識(shí)別卡間的距離，從而實(shí)現(xiàn)定位。UWВ 定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為，定位精度小于1m、功耗較低、對(duì)信道衰落不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、不會(huì)對(duì)同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。

此外，目前城市軌道地下封閉現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的人員監(jiān)管系統(tǒng)僅能對(duì)人員的位置和活動(dòng)軌跡進(jìn)行監(jiān)管，但是對(duì)施工人員的工作狀態(tài)和身體狀況無(wú)法及時(shí)監(jiān)管。工作人員在施工過(guò)程中發(fā)生中毒、窒息、虛脫、昏迷等緊急狀況時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)獲取人員生理狀態(tài)信息，無(wú)法及時(shí)進(jìn)行救援。

2 UWB 定位技術(shù)與計(jì)算方法

■2.1 UWB 定位技術(shù)

UWВ 定位技術(shù)是一種用于傳輸分布在較大帶寬（>500 MHz）上的信息的技術(shù)。目前UWВ 被FCC 和國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門定義為一種天線傳輸技術(shù)，其發(fā)射信號(hào)帶寬超過(guò)500 MHz 或較小的算術(shù)中心的帶寬。

■2.2 計(jì)算方法

UWВ 定位技術(shù)系統(tǒng)主要采用TOF（Time of Flight，信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法）和TDOA（Time Difference of Arrival，信號(hào)到達(dá)時(shí)間差計(jì)算法）兩種計(jì)算方法。

TOF 的測(cè)距主要是通過(guò)計(jì)算無(wú)線電信號(hào)在2 個(gè)節(jié)點(diǎn)間往返的傳播時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其計(jì)算精度與時(shí)間測(cè)量精度直接相關(guān)。

若此時(shí)系統(tǒng)所測(cè)量的傳播時(shí)間t的精度為1 ns；無(wú)線電在傳播過(guò)程中的空氣為真空，則速度v=3×108 m/s，此時(shí)所測(cè)距離的誤差δ為：

系統(tǒng)中的探測(cè)器與識(shí)別卡存在無(wú)法進(jìn)行時(shí)間同步的問(wèn)題，因此若想計(jì)算探測(cè)器與識(shí)別卡間的傳播時(shí)間t，則需要統(tǒng)計(jì)探測(cè)器的發(fā)射與接收的時(shí)間來(lái)計(jì)算無(wú)線電信號(hào)的雙向傳播時(shí)間，即為2t。TDOA 則是指在系統(tǒng)中基站的時(shí)間完全同步、連接到同一網(wǎng)絡(luò)中的狀況下，計(jì)算無(wú)線電信號(hào)到達(dá)各基站的時(shí)間差，同時(shí)結(jié)合觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際位置，建立相應(yīng)的定位數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)這些信息和建立的數(shù)學(xué)模型利用TDOA 定位算法來(lái)計(jì)算目標(biāo)的位置坐標(biāo)，從而計(jì)算出相應(yīng)的傳播距離。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

■3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊和監(jiān)管端四部分組成，如圖1 所示。生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊用于采集被監(jiān)測(cè)人員的體溫、脈搏、運(yùn)動(dòng)動(dòng)作等信息，通過(guò)藍(lán)牙方式與定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行通信；定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊用于執(zhí)行人員定位與環(huán)境監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊；定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)時(shí)與基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位；監(jiān)管端將收集到的生理信息、人員定位信息、環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行處理與分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)送報(bào)警信息并實(shí)時(shí)記錄全部信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■3.2 系統(tǒng)各模塊功能

（1）生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊采集被監(jiān)測(cè)人員的體征信息，體征信息包括：體溫、脈搏、血氧和運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，并通過(guò)藍(lán)牙方式與定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行通信，對(duì)人員體征信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)生命體征異常后及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

（2）定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊用于執(zhí)行人員所在位置的確定，以及溫濕度、煙霧、可燃?xì)怏w的環(huán)境監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊，以確保人員所處環(huán)境可控且處于安全范圍內(nèi)。

（3）定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊提供人員定位的基準(zhǔn)信息，并提供網(wǎng)絡(luò)連接功能，實(shí)時(shí)與基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，將定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的信息發(fā)送到監(jiān)管端，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)管端對(duì)于生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊所采集信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（4）監(jiān)管端用于接收定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊的信息，并進(jìn)行顯示，使相關(guān)負(fù)責(zé)人員能夠清晰且及時(shí)地獲取地下施工人員的生命體征信息、實(shí)時(shí)位置以及其所處環(huán)境的狀況，從而能夠完成日常監(jiān)管以及對(duì)各種突發(fā)狀況的及時(shí)處理。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

■4.1 生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊佩戴在手腕上，由藍(lán)牙通信裝置、核心處理器、存儲(chǔ)器、震動(dòng)馬達(dá)、溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器組成，如圖2 所示。

圖2 生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

藍(lán)牙通信裝置通過(guò)預(yù)先安裝好的藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，將局域網(wǎng)接入點(diǎn)設(shè)備作為主設(shè)備，然后連接并維持好網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多個(gè)用戶，傳輸傳感器所儲(chǔ)存的信息，從而實(shí)現(xiàn)與定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行無(wú)線通信；核心處理器負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、控制存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)、控制震動(dòng)馬達(dá)和通信裝置，實(shí)現(xiàn)各部分的有序運(yùn)行；模塊通過(guò)溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)到人員生理信號(hào)異?；蛐袆?dòng)異常時(shí)將自動(dòng)控制震動(dòng)馬達(dá)提醒佩戴人員注意自身安全，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙通信裝置，發(fā)送信息給定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，并最終上傳給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管主機(jī)，以便監(jiān)管人員對(duì)各種突發(fā)狀況的及時(shí)處理；運(yùn)動(dòng)傳感器用于收集佩戴者動(dòng)作信息；溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器負(fù)責(zé)采集施工人員的體溫、脈搏、血氧等生命體征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員身體狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；存儲(chǔ)器則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和提取溫度傳感器、脈搏傳感器、血氧傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器收集的數(shù)據(jù)。

■4.2 定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊安裝于安全帽上，由通信裝置、核心處理器、報(bào)警裝置、定位模組、電池、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器和可燃?xì)怏w傳感器組成，如圖3 所示。

圖3 定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

通信裝置用于接收生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊信號(hào)，并將定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊收集的信息發(fā)送至定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊。核心處理器負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)、收集分析定位模組數(shù)據(jù)、控制報(bào)警裝置和通信裝置，實(shí)現(xiàn)各部分的有序運(yùn)行。報(bào)警裝置在系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境異?；蛉藛T生理信號(hào)異常（通過(guò)藍(lán)牙獲取生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊信息）時(shí)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以便監(jiān)管人員對(duì)各種突發(fā)狀況的及時(shí)處理。定位模組采用UWВ 技術(shù)UWВ 信號(hào)可通過(guò)發(fā)射時(shí)間極短的窄脈沖通過(guò)微分或混頻等上變頻方式調(diào)制到UWВ 工作頻段產(chǎn)生。保證其多徑信號(hào)在時(shí)間上得到分離，傳播過(guò)程中受到反射波和折射波的影響也不會(huì)在時(shí)間上重疊，能夠有效抑制信號(hào)衰落，接收端通過(guò)計(jì)算發(fā)送端發(fā)出的窄脈沖在空中的飛行時(shí)間，再乘以光速計(jì)算出讀卡子站與識(shí)別卡間的距離，從而獲得極高的多徑分辨力，將精確的位置信息傳送給定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊。電池用于為通信裝置、核心處理器、報(bào)警裝置、定位模組和傳感器供電，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

■4.3 定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊是由路由器和多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由路由器通過(guò)基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線鏈接組成IPV6 Mesh 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線鏈路搭建成具有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?nèi)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，任意一點(diǎn)均可以和其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路進(jìn)行通信，不需要存在中心節(jié)點(diǎn)，確保擁有相同的SSID 和處于同一信道的節(jié)點(diǎn)即可夠建立無(wú)線連接，基站節(jié)點(diǎn)安裝在封閉施工現(xiàn)場(chǎng)上方。定位模塊定時(shí)與基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，基站節(jié)點(diǎn)之間的間隔為300～600 米，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，如圖4所示。

圖4 定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊結(jié)構(gòu)圖

本模塊采用基于到達(dá)時(shí)間差方法（TDOA）進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，需要定位基站之間保持時(shí)間同步，并保持其連接到同一網(wǎng)絡(luò)中，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，定位精度達(dá)到厘米級(jí)。其原理是選取一個(gè)定位基站作為時(shí)間參考定位基站，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向所有定位基站發(fā)射定位信標(biāo)，根據(jù)其他定位基站接收到信標(biāo)的時(shí)間戳減去參考定位基站接收到信標(biāo)的時(shí)間戳就可以得到信標(biāo)到達(dá)不同定位基站的時(shí)間差，從而計(jì)算出此定位基站與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離差。根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到兩個(gè)定位基站之間的距離差就可以確定一條唯一的雙曲線，在二維坐標(biāo)系中至少需要三個(gè)定位基站來(lái)確定兩條雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。在定位系統(tǒng)中首先獲得待測(cè)目標(biāo)位置的測(cè)量信息，再建立相應(yīng)的定位數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)這些信息和建立的數(shù)學(xué)模型利用TDOA 定位算法來(lái)計(jì)算目標(biāo)的位置坐標(biāo)。服務(wù)器配置定位人員實(shí)施監(jiān)督管理軟件，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用分層結(jié)構(gòu)，各層之間從應(yīng)用層開(kāi)始依次調(diào)用下一層來(lái)完成測(cè)距定位功能。此外可以對(duì)施工人員進(jìn)行分組管理，設(shè)置不同的權(quán)限，結(jié)合電子圍欄功能限定施工人員的工作區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)施工的有效進(jìn)行。

■4.4 監(jiān)管端部分設(shè)計(jì)

監(jiān)管端由位置顯示子模塊、環(huán)境顯示子模塊、體征顯示子模塊三部分組成。其中位置顯示子模塊收集Mesh 網(wǎng)絡(luò)中的位置信息并實(shí)時(shí)顯示施工現(xiàn)場(chǎng)所有工作人員的動(dòng)態(tài)位置；環(huán)境顯示子模塊收集施工現(xiàn)場(chǎng)主要位置的溫濕度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度并實(shí)時(shí)顯示；體征顯示子模塊收集現(xiàn)場(chǎng)工作人員體溫、脈搏、血氧、體態(tài)信息并動(dòng)態(tài)顯示。

監(jiān)管平臺(tái)具備自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員處于危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)，或者現(xiàn)場(chǎng)施工人員生命體征出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)管端在屏幕中進(jìn)行紅色標(biāo)注請(qǐng)進(jìn)行閃爍提示，幫助監(jiān)管人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并及時(shí)救助工作人員。

5 結(jié)論

目前城市軌道地下封閉現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的人員監(jiān)管系統(tǒng)僅能對(duì)人員的位置和活動(dòng)軌跡進(jìn)行監(jiān)管，且定位精度與采用定位技術(shù)各不相同，同時(shí)對(duì)施工人員的工作狀態(tài)和身體狀況無(wú)法及時(shí)監(jiān)管。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，結(jié)合人員定位與其身體狀況雙方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提供了一種城市軌道地下封閉施工現(xiàn)場(chǎng)人員動(dòng)態(tài)定位實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過(guò)定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、生理信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊、定位基站及網(wǎng)絡(luò)模塊和監(jiān)管端四部分，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)施工人員的位置和活動(dòng)軌跡，以及工作狀態(tài)和身體狀況進(jìn)行監(jiān)管。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠有效降低意外事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，實(shí)現(xiàn)隧道或城市軌道地下施工的智能化、可視化、數(shù)字化，加快施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量。