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        UWB技術(shù)下隧道施工人員定位系統(tǒng)的精細(xì)研究

        2020-12-28 00:19:20辛鎮(zhèn)泳
        中國電氣工程學(xué)報(bào) 2020年19期

        辛鎮(zhèn)泳

        摘要:隧道施工安全問題是當(dāng)前全民關(guān)注的重點(diǎn)問題,特別是施工人員位置信息問題。在隧道實(shí)際施工現(xiàn)場中,由于遮擋、環(huán)境嘈雜等問題,導(dǎo)致測量信號受阻,無法對施工人員位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位,期間,如果發(fā)生事故,對隧道被困人員的具體位置和數(shù)量不能及時做出判斷,導(dǎo)致后果不堪設(shè)想。文章以某高速公路隧道定位系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),分別對文中所提的方法進(jìn)行比較和優(yōu)化,選擇更加精確的計(jì)算方法,并將其運(yùn)用至今隧道施工建設(shè)中。

        關(guān)鍵詞:UWB(超寬帶);三邊算法;質(zhì)心算法

        引言

        社會經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展,促使交通建設(shè)力度逐漸加強(qiáng),尤其是對鐵路和高速公路新建里程長度的規(guī)劃。在鐵路以及高速公路的修建過程中,對于山地、高原、山嶺等地形,可通過修建隧道來實(shí)現(xiàn)道路暢通。隧道工程與采礦作業(yè)在技術(shù)負(fù)責(zé)程度、作業(yè)周期長、作業(yè)空間有限以及隱蔽性等方面非常相似,再加之地質(zhì)變化特點(diǎn),無形之中為隧道作業(yè)帶來了一定難度,同時,也給施工人員帶來了極大的安全隱患。因每個項(xiàng)目開展都存在周期限制,所以在隧道建設(shè)中,要盡量避免事故發(fā)生來影響作業(yè)進(jìn)度。為了保護(hù)施工人員生命安全,將UWB定位技術(shù)運(yùn)用是隧道建設(shè)中,以此來對隧道人員實(shí)施精確定位,充分滿足項(xiàng)目工程建設(shè)的需求。

        1超寬帶定位技術(shù)

        超寬帶定位技術(shù)所使用的寬帶>500MHz,且信號也>0.2,該技術(shù)利用寬帶特性,實(shí)現(xiàn)脈沖無線點(diǎn)的精確測距。通過UWB系統(tǒng)所發(fā)射的窄脈沖空間占比小,持續(xù)時間短,導(dǎo)致多徑信號在時間上可分離。除此以外,UWB系統(tǒng)自帶的頻帶較寬,所以信道容量C在一定范圍內(nèi),可有效降低信噪比,凸顯了該系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)的抗干擾性。

        2設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)

        圖1為定位系統(tǒng)的構(gòu)架圖,明確了該系統(tǒng)主要的組成部分,其中包括服務(wù)器、交換機(jī)、定位標(biāo)簽以及參考節(jié)點(diǎn)等。

        2.1 定位標(biāo)簽

        定位標(biāo)簽的主要作用是通過發(fā)射的無線信號,對參考節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量,其主要組成部分是電池供電模塊、定位芯片和主控制器。

        2.2 參考節(jié)點(diǎn)

        參考節(jié)點(diǎn)主要有四部分組成,分別是網(wǎng)口模塊、供電模塊、定位芯片以及主控制器[1]。USART接口數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn),主要是通過主控制器和定位芯片;而對于收集數(shù)據(jù)的保存和處理均由網(wǎng)口模塊和路由器來操作。參考節(jié)點(diǎn)即定位參考節(jié)點(diǎn),主要作用是通過定位標(biāo)簽發(fā)射的無線電信號,獲取其到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時間,以此來對兩者之間的距離進(jìn)行計(jì)算。

        2.3 交換機(jī)與服務(wù)器

        交換機(jī)是通過有線或無線的傳輸方式,將參考節(jié)點(diǎn)匯集的信息進(jìn)行傳遞。服務(wù)器則將其輸送的信息進(jìn)行分類、處理,并將整理后的數(shù)據(jù)以二維坐標(biāo)的形式進(jìn)行二維動態(tài)展示,此時所顯示的位置則為準(zhǔn)確的隧道施工人員位置。

        3定位算法

        3.1 三邊定位法

        三邊定位法是對未知節(jié)點(diǎn)求解的過程,具體計(jì)算方法是通過參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離羅列關(guān)系式,對未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算過程。關(guān)于未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置計(jì)算的原理圖見圖2所示。

        圖2中有a、b、c、d四點(diǎn),其中d點(diǎn)為未知節(jié)點(diǎn)(β,γ),分別將a、b、c三個參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為a(β_(1,) γ_1)、b(β_(2,) γ_2)、c(β_(3,) γ_3),未知節(jié)點(diǎn)d到a、b、c三點(diǎn)的距離分別為R_1、R_2、R_3,故得出公式(1)。

        {((β-β_1 )^2+(γ-γ_1 )^2=R_1^2@(β-β_2 )^2+(γ-γ_2 )^2=R_2^2@(β-β_3 )^2+(γ-γ_3 )^2=R_3^2 )┤ (1)

        利用公式(1)得出的未知節(jié)點(diǎn)d的計(jì)算方式為(2)。

        [(β@γ)]=[(2(β_1-β_3 )&2(γ_1-γ_3 )@2(β_2-β_3 )&2(γ_2-γ_3 ) )]^(-1) [(β_1^2-β_3^2+γ_1^2-γ_3^2-r_1^2+r_3^2@β_2^2-β_3^2+γ_2^2-γ_3^2-r_2^2+r_3^2 )] (2)

        3.2 質(zhì)心算法

        質(zhì)心算法是利用節(jié)點(diǎn)之間的相互通信,對其通信路徑進(jìn)行規(guī)劃,構(gòu)成多變形區(qū)域,該區(qū)域的中心可作用定位節(jié)點(diǎn)的預(yù)估位置,詳情見圖3[2]。

        圖3質(zhì)心算法的原理

        通過質(zhì)心算法構(gòu)成多邊圖形,可稱之為幾何圖形。因個參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的平均值由定位節(jié)點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)構(gòu)成,若此時的幾何圖形有n個參考節(jié)點(diǎn)時,其坐標(biāo)為(β_1,γ_1 )、(β_2,γ_2 )、…、(β_n,γ_n ),那么質(zhì)心坐標(biāo)的計(jì)算公式則為(3)。(β,γ)=((β_1+β_2+…+β_n)/n,(γ_1+γ_2+…+γ_n)/n) (3)質(zhì)心算法的運(yùn)用對定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)兩者之間的配合沒有具體要求,而且計(jì)算方式相對簡單,主要是借助網(wǎng)絡(luò)連通性能來實(shí)現(xiàn)。但此計(jì)算方式通過都是以輔助形式出現(xiàn),主要原因是對于位置定位的精確度不夠高[3]。

        3.3 算法融合

        在隧道建設(shè)實(shí)際施工過程中,對于施工人員位置的測量,因受噪音、遮擋及施工環(huán)境的影響,測量信號會有一定程度的減弱,產(chǎn)生測量誤差,造成測量時間的延誤。圖4所示的為三邊質(zhì)心方法的融合圖。

        將圖4中融合算法交互區(qū)域中心位置作為d未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(β,γ),其他e、f、g三個參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為e(β_(1,) γ_1)、f(β_(2,) γ_2)、g(β_(3,) γ_3),那么對于d坐標(biāo)的計(jì)算方式為:

        (β,γ)=((β_4+β_5+β_6)/3,(γ_4+γ_5+γ_6)/3) (4)

        3.4仿真結(jié)果

        為了對文中所提方法的定位精準(zhǔn)度進(jìn)行驗(yàn)證,將某高速路段內(nèi)寬15米,長25米的三車道單向隧道為實(shí)驗(yàn)場地,然后將參考節(jié)點(diǎn)分別放置于該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的四個角,以此來驗(yàn)證計(jì)算方法的可實(shí)現(xiàn)性。

        隨機(jī)設(shè)置50個坐標(biāo)節(jié)點(diǎn),并將其分布紙?jiān)趯?shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi),通過運(yùn)用三邊算法和融合算法來對定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,對實(shí)際節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算存在的誤差相比較。通過兩種方法的平均定位誤差來看,三邊算法定位誤差在0.119m左右,而融合算法的平均定位誤差在0.62左右,位置定位精度提高了一倍[4]。根據(jù)評價定位誤差值充分體現(xiàn)了融合算法優(yōu)勢,在未來對隧道施工人員的定位方面提供有力支持。

        4 結(jié)語

        為了使隧道施工人員安全得以有力保障,全文對位置定位方法的精準(zhǔn)度進(jìn)行了驗(yàn)證,得出三邊定位與質(zhì)心的融合算法最符合現(xiàn)在對系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的需求。該融合方式精準(zhǔn)度的有效提升,可以是隧道建設(shè)項(xiàng)目操作人員對內(nèi)部施工人員的具體位置掌握更加準(zhǔn)確,并且在風(fēng)險規(guī)避和災(zāi)后救援方面也有了一定安全保障,為今后隧道建設(shè)奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn)

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        [2]徐建,姚紅亮,王伯恩.UWB定位系統(tǒng)在供電作業(yè)安全管控中的應(yīng)用[J].大眾用電,2020,35(09):41-42.

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