彭學(xué)軍， 劉云龍， 羅運(yùn)杰， 湯宇， 任晚晚

(1.中鐵五局集團(tuán) 第一工程有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

安全、優(yōu)質(zhì)、高效的施工是高速鐵路隧道建設(shè)工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為保證工人安全、優(yōu)質(zhì)、高效地施工，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，及時(shí)避免危險(xiǎn)的發(fā)生，管理人員需實(shí)時(shí)掌握工人的位置。隨著信息化水平的不斷提高，各種人員定位技術(shù)得以應(yīng)用于建設(shè)工程。

1 室內(nèi)定位技術(shù)概況

1.1 紅外定位技術(shù)

紅外定位技術(shù)利用紅外線進(jìn)行定位，系統(tǒng)由紅外發(fā)射器和紅外接收器組成。紅外定位的方式一般分為兩種：一種是將紅外接收器位置固定，在待測(cè)物體上安裝紅外發(fā)射器,接收器接收到紅外信號(hào)后通過定位算法計(jì)算物體位置。另一種是利用多個(gè)紅外發(fā)射器和紅外接收器組成網(wǎng)絡(luò)，以此來確定物體位置。其優(yōu)點(diǎn)是成本低、精度較高(5～10 m)；缺點(diǎn)是易產(chǎn)生盲點(diǎn)、功耗較高、易受環(huán)境干擾。

1.2 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位系統(tǒng)利用超聲波的空間傳播特性來確定位置，由測(cè)距器和電子標(biāo)簽組成，主測(cè)距器放置在待測(cè)物體上，電子標(biāo)簽固定在不同位置，根據(jù)聲波從主測(cè)距器到電子標(biāo)簽的時(shí)間計(jì)算兩者之間的距離，確定待測(cè)物體的坐標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、誤差??；缺點(diǎn)是信號(hào)在傳輸中衰減嚴(yán)重而使其可測(cè)范圍較小，且需依托大量硬件設(shè)備，成本高。

1.3 射頻識(shí)別定位技術(shù)

射頻識(shí)別(RFID)定位系統(tǒng)采用射頻方式，根據(jù)附著在待測(cè)物體上的標(biāo)簽接觸天線產(chǎn)生的磁場(chǎng)而產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算兩者之間的距離，當(dāng)系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)可計(jì)算物體的坐標(biāo)位置。其優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)范圍廣；缺點(diǎn)是精度低、信號(hào)衰弱明顯。

1.4 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee定位技術(shù)由網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成，通過三點(diǎn)之間的相互通信進(jìn)行定位。其優(yōu)點(diǎn)是功耗低；缺點(diǎn)是精度不高、易受環(huán)境干擾。

1.5 WiFi定位技術(shù)

WiFi定位技術(shù)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度值判斷位置的遠(yuǎn)近。其優(yōu)點(diǎn)是成本低;缺點(diǎn)是精度低。

1.6 UWB技術(shù)

超寬帶(Ultra Wideband，UWB)技術(shù)采用極窄的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)無載波無線通信，信號(hào)具有吉赫茲量級(jí)的帶寬。其優(yōu)點(diǎn)是功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、可達(dá)厘米級(jí)精度；缺點(diǎn)是成本較高。常用UWB定位技術(shù)分為到達(dá)時(shí)間定位法和時(shí)間差定位法兩種。

到達(dá)時(shí)間定位法通過各基站同步發(fā)送信號(hào)，在已知信號(hào)傳播速度的前提下，根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間，結(jié)合各基站坐標(biāo)，確定待測(cè)物體的坐標(biāo)(見圖1)。為保證各基站發(fā)送信號(hào)時(shí)間的高度同步，到達(dá)時(shí)間定位法對(duì)傳感器的精度和功耗有很高的要求。在保證信號(hào)同步的前提下，其對(duì)帶寬要求較小，精度高，適用于窄帶系統(tǒng)。

圖1 到達(dá)時(shí)間定位法原理示意圖

時(shí)間差定位法通過基站發(fā)射兩種不同信號(hào)，在已知兩種信號(hào)傳播速度的前提下，根據(jù)到達(dá)待測(cè)物體的時(shí)間差，計(jì)算基站和待測(cè)物體之間的距離。也可通過不同基站發(fā)射同一信號(hào)進(jìn)行定位(見圖2)。由待測(cè)物體與兩基站之間的時(shí)間差，可建立以基站位置坐標(biāo)為焦點(diǎn)的雙曲線方程, 待測(cè)物體就在這對(duì)雙曲線的某一條分支上。若有3個(gè)不同的基站，則可建立兩個(gè)雙曲線方程, 求解雙曲線的交點(diǎn)即可得知待測(cè)物體的位置。

圖2 時(shí)間差定位法原理示意圖

2 基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)

和其他定位技術(shù)相比，UWB技術(shù)在各方面都具有不小的優(yōu)勢(shì)，非常適合用于隧道內(nèi)人員定位。該文依托張吉懷(張家界—吉首—懷化)鐵路鳳凰段隧道建設(shè)工程，研究基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)及其應(yīng)用。

2.1 項(xiàng)目背景

張吉懷鐵路鳳凰段隧道建設(shè)工程起于湖南鳳凰縣，止于麻陽縣，起止里程為DK175+908—DK193+000，線路長(zhǎng)度 16.166 km。結(jié)構(gòu)物眾多，包含：橋梁11座，其中大橋5座、中橋6座；涵洞1座，為1.5 m框架涵；隧道11座，共13 895.5 m，占線路長(zhǎng)度的83.71%，其中4 km

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)由UWB定位標(biāo)簽、基站、核心網(wǎng)關(guān)等組成(見圖3)。

圖3 基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)(單位：m)

將UWB定位標(biāo)簽附著在工人安全帽上，通過各從基站實(shí)時(shí)檢測(cè)工人位置，主基站收集從基站的數(shù)據(jù)并發(fā)送給核心網(wǎng)關(guān)或通過數(shù)傳網(wǎng)關(guān)發(fā)送給核心網(wǎng)關(guān)，再通過核心網(wǎng)關(guān)傳送給云端或項(xiàng)目部監(jiān)控服務(wù)器。如出現(xiàn)緊急情況，則通過揚(yáng)聲器進(jìn)行報(bào)警并將報(bào)警信息以短信形式發(fā)送到工人的手機(jī)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備

2.3.1 核心網(wǎng)關(guān)

核心網(wǎng)關(guān)通過WiFi無線收集基站及標(biāo)簽信息，通過4G把信號(hào)傳送給云端或通過以太網(wǎng)把信號(hào)傳送給項(xiàng)目部監(jiān)控服務(wù)器，并對(duì)定位標(biāo)簽進(jìn)行低功耗管理。

2.3.2 數(shù)傳網(wǎng)關(guān)

數(shù)傳網(wǎng)關(guān)將WiFi無線收集基站及標(biāo)簽信息通過WiFi轉(zhuǎn)發(fā)給核心網(wǎng)關(guān)。

2.3.3 主基站

主基站具有WiFi功能，它將收集的從基站及標(biāo)簽信息傳給數(shù)傳網(wǎng)關(guān)或直接傳給核心網(wǎng)關(guān)。

2.3.4 從基站

從基站沒有WiFi功能，其通過與標(biāo)簽的通信實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的定位功能。

2.3.5 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽采用UWB實(shí)現(xiàn)定位功能，具有上行報(bào)警的按鍵及下行報(bào)警的振動(dòng)提示功能，并配備有可拆卸電池。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

隧道高精度定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位、軌跡回放、人員管理、精準(zhǔn)考勤、預(yù)警管理等功能。

2.4.1 實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位

工人位置在項(xiàng)目部監(jiān)控室的屏幕上實(shí)時(shí)顯示。在整體圖中可顯示人員在整個(gè)隧道內(nèi)的分布情況，通過放大可得到局部圖，通過鼠標(biāo)的移動(dòng)可顯示距離洞口的長(zhǎng)度，從而更準(zhǔn)確地獲取工人位置。

2.4.2 軌跡回放

系統(tǒng)可按時(shí)間、標(biāo)簽ID、不同播放速率，選擇任意時(shí)間、任意人員，以任意速度動(dòng)態(tài)回放歷史軌跡數(shù)據(jù)，從而更好地掌握工人的軌跡，為排除隱患、考勤記錄等提供依據(jù)。

2.4.3 人員管理

可導(dǎo)入工人的姓名、年齡、身份證號(hào)、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間、工種、安全帽標(biāo)號(hào)等信息，方便工人的集中管理。

2.4.4 精準(zhǔn)考勤

系統(tǒng)可記錄工人每天的工作時(shí)長(zhǎng)，并可通過點(diǎn)擊時(shí)長(zhǎng)進(jìn)入軌跡回放界面進(jìn)行核對(duì)。

2.4.5 預(yù)警管理

預(yù)警管理(見圖4)支持雙向報(bào)警：

(1) 現(xiàn)場(chǎng)至云端。隧道內(nèi)的工人主動(dòng)或被動(dòng)向云端發(fā)送報(bào)警信息(主動(dòng)：工人按動(dòng)標(biāo)簽上的報(bào)警按鈕，自主一鍵報(bào)警；被動(dòng)：電子圍欄闖入報(bào)警、定位標(biāo)簽的低電量報(bào)警)，系統(tǒng)上報(bào)給云端工人當(dāng)前的位置, 項(xiàng)目部監(jiān)控室的揚(yáng)聲器產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，提醒監(jiān)控室內(nèi)的安全員查看監(jiān)控屏幕中的報(bào)警信息。

(2) 云端至現(xiàn)場(chǎng)。云端將報(bào)警信息按照定位標(biāo)簽ID下發(fā)給隧道內(nèi)的相應(yīng)工人，對(duì)應(yīng)ID的工人所佩戴的定位標(biāo)簽上的振動(dòng)器振動(dòng)，同時(shí)定位標(biāo)簽上的紅色燈快速閃爍。

圖4 基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)預(yù)警管理示意圖

3 結(jié)語

在作業(yè)空間窄、管理難度大、風(fēng)險(xiǎn)程度高的隧道中應(yīng)用高精度定位系統(tǒng)，可對(duì)工人進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)軌跡回放、人員管理、精準(zhǔn)考勤、預(yù)警管理等功能，為安全、優(yōu)質(zhì)、高效地施工提供保障。