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        基于UWB的隧道高精度定位系統(tǒng)研究

        2021-02-23 10:55:16彭學(xué)軍劉云龍羅運(yùn)杰湯宇任晚晚
        公路與汽運(yùn) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        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。

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