北斗及超寬帶定位技術(shù)在膠州灣海底隧道施工工程中的應(yīng)用

文 | 陸躍東 桂敏 馬福行

交信北斗（北京）信息科技有限公司

一、引言

海底隧道施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，施工現(xiàn)場(chǎng)通常是高鹽、高溫、高濕的環(huán)境，隧道內(nèi)作業(yè)困難且極易發(fā)生危險(xiǎn)，施工企業(yè)一旦發(fā)生事故，不僅遭受損失，也將面臨越來(lái)越嚴(yán)厲的懲罰和監(jiān)管，因此對(duì)隧道內(nèi)工作人員和車輛的實(shí)時(shí)定位有著極其重要的安全意義。由于各種定位技術(shù)都存在著各自的局限性，在海底隧道施工工程中往往要綜合運(yùn)用多種技術(shù)來(lái)獲得更加精確和可靠的定位和導(dǎo)航信息，以確保工程順利進(jìn)行。本文介紹了利用北斗及超寬帶（UWB）定位技術(shù)在膠州灣海底隧道施工工程中的應(yīng)用情況。

二、工程介紹

青島膠州灣第二海底隧道連接青島西海岸新區(qū)和主城區(qū)，是青島市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，海域隧道全長(zhǎng)9.95km，該項(xiàng)目按照城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，隧道內(nèi)通行車輛要兼顧客運(yùn)和貨運(yùn)，采用鉆爆（西側(cè)）、盾構(gòu)（東側(cè)）與明挖的組合方法施工。海底隧道工程施工現(xiàn)場(chǎng)是高溫、高鹽、高濕的復(fù)雜環(huán)境，要求施工設(shè)備符合防水、抗震、耐腐蝕的高環(huán)境要求，硬件終端設(shè)備還應(yīng)符合同步輕便、小體量、易安裝、高魯棒性、支持多種通信方式等應(yīng)用要求。

在海底隧道施工工程中，應(yīng)用北斗和UWB 定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)施工人員及車輛實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位與防碰撞監(jiān)控告警。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)施工人員車輛實(shí)時(shí)自動(dòng)（位置）跟蹤，全面掌握人員車輛在隧道的活動(dòng)軌跡、位置分布，并且可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的雙向報(bào)警。依托二三維電子地圖，以可視化的形式直觀展示人員車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，當(dāng)遇到隧道突發(fā)事故，可以迅速找到被困人員的位置。另外，系統(tǒng)還支持施工人員全天候考勤與工時(shí)統(tǒng)計(jì)、歷史軌跡存儲(chǔ)與回放、人員車輛電子圍欄觸發(fā)告警等功能，在保障人員安全的同時(shí)，有效提升了管理效率。

三、北斗RTK 定位和UWB定位技術(shù)特點(diǎn)

北斗RTK 定位是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，是一種利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位的方法，它通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的相位差來(lái)獲得精確的位置信息，具有廣泛的應(yīng)用和較高的可靠性以及全球性的覆蓋范圍，不受地點(diǎn)因素的限制。在北斗RTK 定位技術(shù)中，首先需要設(shè)置一個(gè)已知坐標(biāo)的基站，在基站接收到多顆北斗衛(wèi)星的信號(hào)后，記錄衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間和其他相關(guān)參數(shù)。基站將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給定位終端，定位終端利用基站和自身觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的差異來(lái)計(jì)算兩者之間的相對(duì)位置，即相對(duì)差分。通過(guò)這種實(shí)時(shí)計(jì)算，定位終端可以獲得自身的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。

北斗RTK 定位具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和動(dòng)態(tài)定位等優(yōu)勢(shì)。利用多顆衛(wèi)星信號(hào)和差分計(jì)算，可以達(dá)到亞米級(jí)甚至更高的定位精度。同時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算保證了定位的實(shí)時(shí)性，適用于動(dòng)態(tài)的定位需求，可以追蹤移動(dòng)設(shè)備或車輛的位置變化。因此在隧道外定位場(chǎng)景中，采用北斗RTK 定位可以實(shí)現(xiàn)人員車輛的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位。

UWB 定位技術(shù)是一種高精度的短距離室內(nèi)定位技術(shù)，它基于超短脈沖信號(hào)，能在無(wú)需鏈路前置的情況下進(jìn)行室內(nèi)定位，且可以應(yīng)用于不同場(chǎng)景下的位置服務(wù)和追蹤。

在隧道內(nèi)定位時(shí)，可以通過(guò)在隧道內(nèi)安裝一組UWB 基站和UWB 標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域信號(hào)覆蓋。UWB 基站發(fā)送超短脈沖信號(hào)，通過(guò)測(cè)量脈沖的到達(dá)時(shí)間和信號(hào)的幅度，實(shí)現(xiàn)以厘米級(jí)甚至更高精度的室內(nèi)定位。此外，UWB 定位具有抗干擾能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，超寬帶信號(hào)具有較強(qiáng)的抗多徑干擾和抗遮擋能力，在室內(nèi)環(huán)境中能夠提供可靠的定位性能且UWB技術(shù)的測(cè)量和計(jì)算過(guò)程非?？焖?，幾乎可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的定位結(jié)果輸出，因此其更適用于隧道內(nèi)的定位場(chǎng)景。

四、隧道外衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位應(yīng)用

隧道外衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位系統(tǒng)包括隧道外高精度定位基準(zhǔn)站和隧道外作業(yè)區(qū)北斗高精度定位平臺(tái)兩部分。

1.隧道外高精度定位基準(zhǔn)站

在隧道兩側(cè)0.5～3km 建設(shè)2 個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的北斗高精度定位基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的相關(guān)資源與交通運(yùn)輸北斗高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)信息資源中心工程數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)信息、資源和業(yè)務(wù)的協(xié)同，提高管理效能?；鶞?zhǔn)站設(shè)備符合交通運(yùn)輸行業(yè)權(quán)威部門監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。基準(zhǔn)站采用多星座增強(qiáng)技術(shù)（北斗、GPS、GLONASS 等），用于構(gòu)建高精度的區(qū)域參考框架和位置服務(wù)基準(zhǔn)，提供高效的區(qū)域增強(qiáng)（厘米級(jí)、分米級(jí)）服務(wù)。實(shí)現(xiàn)隧道外3km 內(nèi)和3km 外完全覆蓋，支持車輛和人員陸域隧道3km 范圍內(nèi)10～30cm 的厘米級(jí)服務(wù)，陸域隧道3km 外分米級(jí)服務(wù)；支持車輛全市區(qū)高精度增強(qiáng)服務(wù)覆蓋，支持陸域隧道3km 以外人員和車輛全覆蓋?；鶞?zhǔn)站建設(shè)部署如圖1 所示。

圖1 北斗高精度定位基準(zhǔn)站部署圖

每個(gè)基準(zhǔn)站配置2 臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)，用于衛(wèi)星導(dǎo)航原始觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與原始觀測(cè)量數(shù)據(jù)上傳，一主一備，主設(shè)備用于實(shí)際采集，備用設(shè)備用于主設(shè)備出問(wèn)題時(shí)的更換。2 個(gè)基準(zhǔn)站原始觀測(cè)數(shù)據(jù)要接入交通運(yùn)輸部交通運(yùn)輸北斗高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)信息資源中心。

基準(zhǔn)站建站可根據(jù)項(xiàng)目定制，不限制車輛和人員數(shù)量應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)一次建站，無(wú)限使用，并且該方式為臨時(shí)使用和永久使用相結(jié)合，后期運(yùn)維期可以永久復(fù)用。

2.隧道外作業(yè)區(qū)北斗高精度定位平臺(tái)

隧道外作業(yè)區(qū)北斗高精度定位平臺(tái)接收基準(zhǔn)站設(shè)備數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)高效的區(qū)域增強(qiáng)（厘米級(jí)、分米級(jí)）服務(wù)。

隧道外作業(yè)區(qū)北斗高精度定位平臺(tái)接收基準(zhǔn)站網(wǎng)子系統(tǒng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)量，通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信息服務(wù)系統(tǒng)對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)。平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 隧道外作業(yè)區(qū)北斗高精度定位平臺(tái)運(yùn)行流程圖

平臺(tái)主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)解算模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信息服務(wù)模塊、高精度用戶綜合服務(wù)管理模塊、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊與數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等。

五、隧道內(nèi)UWB 精準(zhǔn)定位應(yīng)用

1.隧道內(nèi)人員車輛定位

通過(guò)在隧道內(nèi)平均每125m 安裝一個(gè)高精度融合定位基站，高精度融合定位基站可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的精確定位，采用先進(jìn)的脈沖無(wú)線定位技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)人員與車輛的實(shí)時(shí)高精度定位。通過(guò)為施工車輛安裝防撞基站、施工人員佩戴定位防撞標(biāo)簽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)施工作業(yè)車輛、人員的精確位置定位，實(shí)現(xiàn)空間一維、二維定位，精度高達(dá)10～30cm。

車載防撞基站由主控芯片、UWB 模塊、4G 通信模塊、北斗模塊、以太網(wǎng)連接器以及聲光報(bào)警器等組成。4G 通信模塊和以太網(wǎng)連接器分別用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線和有線的信息傳輸，聲光報(bào)警器在人車距離超出安全限制時(shí)自動(dòng)報(bào)警，UWB 模塊用來(lái)定位目標(biāo)。此外還預(yù)留了北斗定位模塊，用于后續(xù)可能需要的融合定位場(chǎng)景。

定位防撞標(biāo)簽由主控芯片、可充電鋰電池、充電控制電路、磁吸充電模塊、電機(jī)、UWB 模塊、SOS 報(bào)警按鍵和兩個(gè)LED 指示燈組成。該標(biāo)簽可對(duì)佩戴人員進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤，隨時(shí)掌握每個(gè)員工在隧道的位置及活動(dòng)軌跡、全隧道人員的位置分布。

作業(yè)人員及車輛信息管理功能可通過(guò)定位終端數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成全面的作業(yè)人員和車輛信息，在電子地圖上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，并具備綜合查詢功能，同時(shí)用戶可對(duì)施工范圍內(nèi)的人員及車輛信息進(jìn)行編輯。佩戴了定位防撞標(biāo)簽的人員和安裝了車載防撞基站的車輛，在隧道內(nèi)施工作業(yè)時(shí)，可通過(guò)二維三維電子地圖，實(shí)時(shí)顯示準(zhǔn)確位置信息。通過(guò)實(shí)時(shí)掌握洞內(nèi)外作業(yè)人員和車輛分布情況，對(duì)施工人員和車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)位置跟蹤管理，如圖3 所示。

圖3 隧道電子地圖

隧道人員車輛定位系統(tǒng)還支持全天候考勤，對(duì)施工人員實(shí)時(shí)自動(dòng)（位置）跟蹤，全面掌握施工人員在隧道的活動(dòng)軌跡、位置分布，并且可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的雙向報(bào)警。當(dāng)遇到隧道突發(fā)事故，可以迅速找到被困人員的位置信息，保障人員安全的同時(shí)，有效提升管理效率。

2.施工作業(yè)人車防撞系統(tǒng)

通過(guò)建設(shè)洞內(nèi)外一體化施工作業(yè)人車防撞系統(tǒng)，滿足作業(yè)人員、車輛緊急事件處理需求。通過(guò)作業(yè)人員佩戴定位防撞標(biāo)簽、車輛安裝防撞基站和聲光報(bào)警器，為施工管理者和業(yè)主提供統(tǒng)一的施工作業(yè)人車防撞報(bào)警信息管理與服務(wù)。

施工車輛車載防撞基站能實(shí)現(xiàn)與定位防撞標(biāo)簽的實(shí)時(shí)測(cè)距，當(dāng)任何車輛距離小于預(yù)警距離時(shí)，聲光報(bào)警器將觸發(fā)危險(xiǎn)報(bào)警，提醒駕駛員和人員注意避讓，有效地避免安全事故發(fā)生（圖4）。

圖4 人員車輛防撞示意圖

如圖5 所示，車載防撞基站支持隧道內(nèi)外高精度融合定位同時(shí)支持人車防撞，車載終端配合聲光報(bào)警器，設(shè)置好合適的安全距離，當(dāng)人員和車輛或者車輛和車輛位置小于設(shè)定的安全距離將會(huì)觸發(fā)報(bào)警，聲光報(bào)警器播放警示語(yǔ)音，同時(shí)人員佩戴的標(biāo)簽震動(dòng)提示。

圖5 車輛定位與防撞基站（左）及聲光報(bào)警器（右）

六、結(jié)束語(yǔ)

從上述分析可以看出，北斗和UWB 定位技術(shù)在海底隧道工程中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。該技術(shù)能夠提供高精度、高可靠性和高穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)定位服務(wù)，在海底隧道施工環(huán)境下保障施工人員和車輛的安全。本文北斗和UWB 定位技術(shù)在海底隧道工程的應(yīng)用介紹能夠?qū)υ摷夹g(shù)在未來(lái)的發(fā)展和更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供一些參考價(jià)值。隨著科技不斷發(fā)展和海底隧道工程不斷推進(jìn)，北斗和UWB 定位技術(shù)的應(yīng)用也將進(jìn)一步發(fā)展和完善，有望實(shí)現(xiàn)更高精度、更廣覆蓋面積和更可靠的定位服務(wù)，為海底隧道工程的施工提供更有力的安全保障。