人車(chē)定位系統(tǒng)在地鐵施工中的研究與應(yīng)用

司福強(qiáng)

（北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100043）

1 人員定位管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 安全管理現(xiàn)狀

地鐵施工作業(yè)范圍廣和專(zhuān)業(yè)數(shù)量多，決定了作業(yè)人員均為分散式作業(yè)，并不集中，因此經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)輸車(chē)輛和人員交叉作業(yè)的情況，也就提高了運(yùn)輸車(chē)輛和人員的安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。雖然制定了“紅區(qū)”管控管理規(guī)定，規(guī)范了運(yùn)輸車(chē)輛和人員的作業(yè)行為，但由于人員的不確定因素導(dǎo)致運(yùn)輸車(chē)輛無(wú)法提前預(yù)估危險(xiǎn)，造成事故的發(fā)生，比如作業(yè)人員在未告知司機(jī)的情況下在違規(guī)地點(diǎn)休息、作業(yè)人員在進(jìn)路里作業(yè)時(shí)未按“紅區(qū)”管控要求設(shè)立或解除紅區(qū)警戒繩等。近幾年所發(fā)生的地鐵施工建設(shè)中，運(yùn)輸車(chē)輛安全事故均是由于人員的違章行為造成事故的發(fā)生，對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛安全運(yùn)行帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 人員管理現(xiàn)狀

通過(guò)“六大系統(tǒng)”建設(shè)，地鐵施工建設(shè)初步實(shí)現(xiàn)以FRID 為核心的人員管理系統(tǒng)，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)安裝定位基站，識(shí)別過(guò)往人員攜帶的射頻卡實(shí)現(xiàn)人員定位管理，但此系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)。

1）實(shí)時(shí)定位難。系統(tǒng)不具備精準(zhǔn)定位能力，只能對(duì)過(guò)往人員進(jìn)行范圍性確認(rèn)，活動(dòng)軌跡無(wú)法掌握。

2）有效考勤難。系統(tǒng)只能知道人員是否刷卡，無(wú)法掌握人員是否到達(dá)指定的工作面，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的有效考勤。

3）安全預(yù)警難。人員進(jìn)入施工區(qū)域后，系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)人員位置，判斷是否需要對(duì)人員進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警。

4）反饋管控難。因?yàn)闊o(wú)法確切掌握現(xiàn)場(chǎng)人員的工作狀況，難以對(duì)相關(guān)人員實(shí)施有效的反饋，一旦發(fā)生事故，很難利用現(xiàn)有手段快速確定事故人員位置。

2 實(shí)行人員精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的目的

2.1 實(shí)現(xiàn)的功能

通過(guò)高精度人車(chē)定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)包括但不限于考勤統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、安全保障、查詢(xún)回調(diào)等功能。人車(chē)定位系統(tǒng)的應(yīng)用，使施工管理的粒度精細(xì)到每個(gè)人和車(chē)輛，即精確到了施工作業(yè)的基本單元。通過(guò)實(shí)時(shí)獲取作業(yè)人員和車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，可以明確判斷人員和車(chē)輛的出勤狀態(tài)、工作狀態(tài)、是否安全（及必要的安全提示），分析人員和車(chē)輛具體工作時(shí)間、工作效率，保障人員和車(chē)輛的安全、提供緊急狀態(tài)下處置方案的數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)與綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急播報(bào)系統(tǒng)等的聯(lián)動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)異常、及時(shí)提供針對(duì)性極強(qiáng)的干預(yù)，保障項(xiàng)目的規(guī)范和安全。

2.2 極大降低隧道內(nèi)運(yùn)輸車(chē)輛安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

運(yùn)輸車(chē)輛是地下作業(yè)面運(yùn)輸渣土、廢石、材料以及設(shè)備的重要載具，同時(shí)也存在著較高的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)軌設(shè)備的安全高效運(yùn)行，不僅是完成生產(chǎn)任務(wù)的重要保證，同時(shí)也是地鐵建設(shè)中地下施工人員人身安全的重要保障。

通過(guò)在運(yùn)輸車(chē)輛安裝的測(cè)距基站和人員佩戴的測(cè)距標(biāo)簽的距離監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行相互提示和報(bào)警，配合“紅區(qū)”管控措施，最大程度地降低運(yùn)輸車(chē)輛的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及功能

3.1 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的原理

LocalSense ? 無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)使用先進(jìn)的超窄脈沖精確測(cè)量飛行時(shí)間技術(shù)，實(shí)現(xiàn)底層的精確測(cè)距/計(jì)時(shí)；結(jié)合LocalSense ? 位置解算算法，實(shí)現(xiàn)上層的精確定位。其基本原理如圖1 所示。

圖1 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)定位原理Fig.1 Positioning principle of precise positioning system for person and vehicle

假設(shè)有 3 個(gè)基站（P1，P2，P3）分別發(fā)射信號(hào)，終端（MS）接收信號(hào)，假設(shè)MS 與Pi的距離為di，則di的計(jì)算如公式（1）所示。

其中，t0為信號(hào)從終端發(fā)出的時(shí)間；ti為基站接收信號(hào)的時(shí)間；c為信號(hào)傳播速度。

設(shè)基站坐標(biāo)為Pi(x1，y1)，移動(dòng)終端位置MS(xn，yn)，計(jì)算如公式（2）所示。

可得出移動(dòng)終端位置MS(xn，yn)如公式（3）所示。

3.2 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的架構(gòu)

人車(chē)精準(zhǔn)定位管理系統(tǒng)由定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層組成。其中定位硬件層是人車(chē)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標(biāo)簽；網(wǎng)絡(luò)連接層用于將定位微基站采集的數(shù)據(jù)回傳到數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)解算層則是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置計(jì)算的關(guān)鍵；應(yīng)用層針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理需求，完成業(yè)務(wù)層面的呈現(xiàn)。人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Precise positioning system architecture for person and vehicle

通過(guò)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署定位基站，對(duì)人員、車(chē)輛配置標(biāo)簽的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位功能?；谙到y(tǒng)提供的精準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)人員和車(chē)輛安全管理、實(shí)時(shí)位置檢測(cè)、考勤管理、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)等功能，以及開(kāi)放的系統(tǒng)對(duì)接接口，為后期實(shí)現(xiàn)視屏聯(lián)動(dòng)和應(yīng)急語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

3.3 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的功能

1）實(shí)時(shí)位置定位與軌跡顯示

繪制現(xiàn)場(chǎng)電子地圖，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和車(chē)輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并將作業(yè)人員和車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡在電子地圖上進(jìn)行顯示，在一般情況下，定位精度可達(dá)到15～30 cm。定位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件算法處理，得出各具體信息（包括人員ID、位置、時(shí)間等）。同時(shí)可在現(xiàn)場(chǎng)LED 大屏，實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員和車(chē)輛位置信息。

2）突發(fā)情況報(bào)警

一旦發(fā)生突發(fā)情況，施工人員可通過(guò)按下所攜帶定位標(biāo)簽上的定位按鈕發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，監(jiān)控室的動(dòng)態(tài)顯示界面會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警事件并進(jìn)行記錄。當(dāng)突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，定位系統(tǒng)將保留人員和車(chē)輛的最后活動(dòng)位置，為精確緊急搜救提供重要參考。

3）電子圍欄報(bào)警

在電子地圖上或?qū)δ硞€(gè)基站的監(jiān)控范圍劃定一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)人員或車(chē)輛進(jìn)入該危險(xiǎn)區(qū)域或在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未離開(kāi)該區(qū)域時(shí)，就會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，報(bào)警效果如圖3 所示。

圖3 電子圍欄報(bào)警效果Fig.3 Electronic fence alarm effect picture

4）歷史軌跡存儲(chǔ)與回放

對(duì)人員和車(chē)輛運(yùn)行歷史軌跡進(jìn)行一年的存儲(chǔ)和回放，同時(shí)呈現(xiàn)人員和車(chē)輛活動(dòng)熱力分布情況。歷史回放效果如圖4 所示。

圖4 歷史軌跡回放效果Fig.4 Historical track replay effect picture

5）區(qū)域統(tǒng)計(jì)與電子點(diǎn)名

對(duì)劃定的區(qū)域內(nèi)的人員和車(chē)輛數(shù)量、狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以電子表格的形式進(jìn)行顯示。

（如各采場(chǎng)人員和車(chē)輛數(shù)量、狀態(tài)信息）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人員在線(xiàn)、休眠、離線(xiàn)狀態(tài)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間未移動(dòng)的人員或車(chē)輛進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警。

6）自動(dòng)考勤與工時(shí)統(tǒng)計(jì)

定制考勤任務(wù)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)人員、車(chē)輛出勤、準(zhǔn)時(shí)、遲到、早退天數(shù)，并形成電子化表格。

7）視頻聯(lián)動(dòng)

定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行視頻聯(lián)動(dòng)，多目標(biāo)多畫(huà)面跟蹤指定人員或車(chē)輛，并保存視頻信息，視頻聯(lián)動(dòng)效果如圖5 所示。

圖5 視頻聯(lián)動(dòng)效果Fig.5 Videos linkage effect picture

4 人車(chē)定位系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例及可推廣性

4.1 人車(chē)定位系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例解析

為進(jìn)一步增強(qiáng)地下施工本質(zhì)化安全管理水平，堅(jiān)決杜絕各類(lèi)安全事故的發(fā)生，2018 年，一施工企業(yè)在地下施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)全面推廣應(yīng)用人車(chē)測(cè)距防撞報(bào)警系統(tǒng)，使地下施工運(yùn)輸車(chē)輛安全運(yùn)行狀況得到改善。在此基礎(chǔ)上為進(jìn)一步提高施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員和車(chē)輛安全管控能力，基于無(wú)線(xiàn)測(cè)距定位技術(shù)，2019 年5 月，該施工企業(yè)分段建立并投用人車(chē)精準(zhǔn)定位管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)由定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層組成。其中定位硬件層是人車(chē)定位管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，由定位基站和定位標(biāo)簽組成。定位標(biāo)簽則由已投用的人車(chē)測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)中的車(chē)載測(cè)距基站和人員測(cè)距標(biāo)簽組成，人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)效果如圖6 所示。

圖6 人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)效果Fig.6 On-site effect picture of precise positioning system for person and vehicle

通過(guò)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署定位基站，接收人員、車(chē)輛定位標(biāo)簽發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度定位。定位數(shù)據(jù)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，并根據(jù)定位數(shù)據(jù)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理需求，完成業(yè)務(wù)層面的呈現(xiàn)。目前已實(shí)現(xiàn)的功能如下。

1）人、車(chē)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位

繪制現(xiàn)場(chǎng)電子地圖，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和車(chē)輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并將其實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡在電子地圖上進(jìn)行顯示。通過(guò)劃定點(diǎn)名區(qū)域，對(duì)各作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員、車(chē)輛進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以全面掌握作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員、車(chē)輛分布情況、工作狀態(tài)、是否安全（及必要的安全提示），提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮能力。

2）電子圍欄報(bào)警

在電子地圖上或?qū)δ硞€(gè)基站的監(jiān)控范圍劃定一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域（如隧道進(jìn)/出口、站廳層與站臺(tái)層中空地段），當(dāng)人員或車(chē)輛進(jìn)入該危險(xiǎn)區(qū)域或在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未離開(kāi)該區(qū)域時(shí)，人員攜帶的定位標(biāo)簽會(huì)觸發(fā)震動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)觸發(fā)圍欄報(bào)警，提高危險(xiǎn)區(qū)域的安全管控能力。

3）視頻聯(lián)動(dòng)

定位系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行視頻聯(lián)動(dòng)，多目標(biāo)多畫(huà)面跟蹤指定人員或車(chē)輛，通過(guò)視頻聯(lián)動(dòng)可以第一時(shí)間掌握人員、車(chē)輛工作狀態(tài)，提高現(xiàn)場(chǎng)行為糾偏處置能力。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間停滯的標(biāo)簽，可以通過(guò)視頻聯(lián)動(dòng)觀(guān)察標(biāo)簽?zāi)壳肮ぷ鳡顟B(tài)，存在危險(xiǎn)情況時(shí)，通過(guò)后臺(tái)向標(biāo)簽下達(dá)預(yù)警信號(hào)，及時(shí)提醒作業(yè)人員規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。

4）應(yīng)急處置

發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，作業(yè)人員可通過(guò)按下所攜帶的定位標(biāo)簽上的定位按鈕發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，監(jiān)控室的動(dòng)態(tài)顯示界面會(huì)立即觸發(fā)報(bào)警事件并進(jìn)行記錄，定位系統(tǒng)將保留人員、車(chē)輛的最后活動(dòng)位置，為精確緊急搜救提供重要參考。發(fā)生重大危險(xiǎn)情況，需要整個(gè)作業(yè)區(qū)域人員全部撤離時(shí)，可通過(guò)定位管理系統(tǒng)高效組織撤離，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮能力。

5）提高施工現(xiàn)場(chǎng)“紅區(qū)”管控能力

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理人員可通過(guò)定位系統(tǒng)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)人員、車(chē)輛分布情況。當(dāng)施工作業(yè)人員未全部撤離時(shí)，禁止運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行渣土、設(shè)備、材料等運(yùn)輸作業(yè)。在作業(yè)過(guò)程中可通過(guò)定位系統(tǒng)有效制止人員誤入和違章作業(yè)現(xiàn)象，提高采場(chǎng)“紅區(qū)”管控能力。

6）提高應(yīng)急演練質(zhì)量

通過(guò)定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握模擬危險(xiǎn)區(qū)域人員、車(chē)輛分布狀況，在應(yīng)急演練過(guò)程中提高應(yīng)急指揮能力，在后期可通過(guò)軌跡回放功能對(duì)演練過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為演練方案調(diào)整優(yōu)化提供技術(shù)支持。

4.2 可推廣性分析

人車(chē)精準(zhǔn)定位系統(tǒng)已經(jīng)在某一施工企業(yè)在地下施工現(xiàn)場(chǎng)分段應(yīng)用，使生產(chǎn)作業(yè)管理的粒度精細(xì)到每個(gè)人和車(chē)輛，即精確到生產(chǎn)作業(yè)的基本單元。目前已經(jīng)與視頻完成聯(lián)動(dòng)，在后期的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程中將加入應(yīng)急播報(bào)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)異常、及時(shí)提供針對(duì)性極強(qiáng)的干預(yù)，進(jìn)一步提高地鐵施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全生產(chǎn)管控能力，提升施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)信息化、智能化水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

人車(chē)精準(zhǔn)定位管理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)獲取作業(yè)人員和車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置，可以明確判斷作業(yè)人員的出勤狀態(tài)、工作狀態(tài)、是否安全（及必要的安全提示），分析作業(yè)人員具體的工作時(shí)間、工作效率，保障作業(yè)人員的安全、提供緊急狀態(tài)下的處置方案的數(shù)據(jù)支撐，從而提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的精細(xì)粒度管控和作業(yè)安全。

人車(chē)精準(zhǔn)定位管理系統(tǒng)建立了人員、車(chē)輛精準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)分析軟件的二次開(kāi)發(fā)，以及開(kāi)放的系統(tǒng)對(duì)接接口，可擴(kuò)展豐富的管理功能，比如可與視頻監(jiān)控及應(yīng)急播報(bào)通訊系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)異常，及時(shí)提供針對(duì)性極強(qiáng)的干預(yù)，確保人員和車(chē)輛的安全。它的建立對(duì)于地鐵施工作業(yè)系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)具有借鑒和指導(dǎo)意義。