文｜同方股份有限公司 佟慶彬

1 研究概述

2015年8月3日，國務院辦公廳印發(fā)《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》（國辦發(fā)〔2015〕61 號），作為解決城市馬路拉鏈、城市內澇、亂拉亂架等城市頑疾的新型建筑載體，城市地下綜合管廊得到了迅猛發(fā)展?！笆奈濉币?guī)劃特別強調統(tǒng)籌地上地下空間利用，提升城市智慧化水平，推行城市樓宇、公共空間、地下管網等“一張圖”數(shù)字化管理和城市運行一網統(tǒng)管。

城市綜合管廊是建于城市地下，用于容納城市工程管線的構筑物及附屬設施，入廊管線一般包括水、電力、天然氣、熱力、通信等。城市地下綜合管廊的施工建設，將城市給水、通信、電力等各種管線管網進行集約化建設，可有效解決城市交通擁堵、道路積水、路面反復開挖和管線破裂等問題，對城市管理和維護具有重要意義，被稱為城市“生命線”工程。

城市地下綜合管廊具有長度長，艙室多、結構復雜的特點。地下綜合管廊的運維管理者，需要能直觀地掌握地下管廊各構筑物的拓撲關系，及時了解人和物在地下管廊中的位置，需在地下管廊內進行導航與導覽，快速標定人員及貴重資產位置，指揮救援，實時跟蹤，優(yōu)化巡檢路線等日常工作。由于在地下綜合管廊里無法接收到GPS 信號，在如此復雜的地下構筑物內，人員定位系統(tǒng)的設計方案及實現(xiàn)效果成為設計的重點難點。

2 需求設計分析

2.1 運維單位需求

（1）管廊內沒有GPS 信號，需要其他定位技術在以BIM+GIS 技術的智慧管廊運維管理平臺中實時顯示人員位置、貴重資產位置。

（2）按照《GB 50838-2015 城市綜合管廊工程技術規(guī)范》和《GB/T 51274-2017 城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術標準》之規(guī)定，人員定位精度為不大于100m。但運維單位對此精度提出更細化的要求，要能夠判斷人員和資產所在的艙室和分區(qū)位置，系統(tǒng)支持廊下人員在遇到突發(fā)情況時可從最近的逃生井口逃生。

（3）可實現(xiàn)路徑查詢、路徑分析，實現(xiàn)和上級應急辦的數(shù)據交互。

（4）定位終端應滿足IP65 防護等級和防爆要求。

2.2 設計分析

（1）定位技術分析。需要進行定位的對象包括日常運維人員、第三方人員、貴重資產、巡檢機器人（預留）等。運維人員一般使用安卓系統(tǒng)的運維終端，可以使用Wifi 和藍牙進行通信；人員入廊必須佩戴安全帽，可在安全帽上嵌入藍牙模塊，通過藍牙進行通信；貴重資產一般采用RFID標簽進行通信；巡檢機器人一般采用Wifi進行通信。

綜上所述，在地下綜合管廊內，需要建立一套Wifi 網絡，還需要支持藍牙和RFID 的通信。通過市場調研，選用物聯(lián)網AP 作為Wifi 網絡的主設備，通過接插藍牙和RFID 芯片的物聯(lián)網模塊，組成一套可同時接收Wifi、藍牙、RFID 的物聯(lián)網定位系統(tǒng)，達到造價最優(yōu)的方案。

（2）定位精度分析。管廊艙室寬度一般在2-4.5m 范圍，高度一般為2.5-3.5m 范圍，進、排風井夾層一般為20-50 平米范圍。每一個防火分區(qū)一般為200m。按照米級、10m 級、100m 級進行方案造價估算，影響造價的主要是物聯(lián)網模塊的數(shù)量，精度越高，模塊數(shù)量越多，越密集，造價越高。最終運維單位確定了10m 級為本項目的定位精度。

（3）功能分析。本項目建立了一套基于BIM+GIS 技術的智慧管廊運維管理平臺。由于定位系統(tǒng)不是一個獨立的、平面的系統(tǒng)，需要加載到平臺內進行定位功能的實現(xiàn)。每一個物聯(lián)網AP 和模塊均在GIS 大地坐標系下建立BIM 模型，要實現(xiàn)路徑查詢、路徑分析，實現(xiàn)和上級應急辦的數(shù)據交互。

（4）設備要求。地下綜合管廊內在夏季濕度較高，凝露現(xiàn)象嚴重，要求設備必須滿足IP65 以上防護等級，在燃氣艙安裝時，還要滿足防爆等級。物聯(lián)網AP 可滿足上述要求，而藍牙信標和RFID 感應器必須進行定制化外觀設計，并通過國家相關檢測機構的檢測（圖2）。

圖1 地下綜合管廊結構示意圖

圖2 物聯(lián)網模塊及藍牙、RFID 芯片

3 方案設計

本次方案設計為北京大興新機場臨空經濟區(qū)地下綜合管廊，是為大興新機場提供水電氣熱通信等主干管線的配套建筑設施，全長11.4 公里，全線五個艙室（水艙、水信艙、電力一艙、電力二艙、燃氣艙），共68 個進排風井夾層。

圖3 人員定位系統(tǒng)架構圖

3.1 前端點位設計

普通物聯(lián)網AP 的布放方式不適用管廊這種狹長空間內使用，需要使用定向物聯(lián)網AP 進行傳輸。每一個定向物聯(lián)網AP 間距為100m，物聯(lián)網模塊間距20m 與物聯(lián)網AP 連接。在進、排風井夾層等開放區(qū)域，采用全向物聯(lián)網AP。物聯(lián)網AP 通過支架吊裝，支架高度以AP 與AP 間無遮擋為準。物聯(lián)網模塊吸附在頂板上安裝（圖4、5）。

圖4 人員定位系統(tǒng)前端點位圖

圖5 定向物聯(lián)網AP、全向物聯(lián)網AP 和物聯(lián)網模塊安裝圖

3.2 傳輸網絡設計

物聯(lián)網模塊通過六類非屏蔽網線“手拉手”串接到物聯(lián)網AP 上。物聯(lián)網AP 通過六類非屏蔽網線連接到該分區(qū)夾層的接入交換機上，通過管廊的計算機網絡系統(tǒng)進行傳輸，在核心層設置有無線網絡AC 控制器和核心交換。

3.3 應用層設計

在數(shù)據機房內設置有人員定位系統(tǒng)服務器和人員定位軟件，負責人員定位系統(tǒng)的管理與數(shù)據存儲。人員定位軟件將定位結果采用HTTP 協(xié)議對外開放接口，為智慧管廊運維管理平臺實時提供二維數(shù)據，位置表示為A（x，y）。智慧管廊運維管理平臺通過坐標系轉換算法轉化為大地坐標系，位置表示為A（L,B,H），實現(xiàn)運維單位要求的相關功能。

4 定位算法及測試

4.1 基于RSSI 測距原理的加權質心定位算法

基于RSSI 測距原理的加權質心定位算法是目前定位產品市場上應用最為普遍的算法，已經比較成熟。

（1）測距原理

Received Signal Strength Indicator（RSSI）是衡量接收信號強度的一個相對值，它隨距離的增大而衰減，通常為負值，該值越接近零說明信號強度越高。

無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關系如下[1]：

PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，r 是收發(fā)單元之間的距離，n 是傳播因子，取決于無線信號傳播環(huán)境。

將物聯(lián)網模塊的發(fā)射功率帶入式中可得：

A 可作為信號傳輸1 米時接收信號的功率，是接收信號功率轉換為dBm 的表達式，換算得到：

（2）算法

以三邊定位算法為依據，以三邊距離值的倒數(shù)為權值作為不同物聯(lián)網模塊的影響因子，這就是加權質心定位算法。假設已知室內各物聯(lián)網模塊的坐標位置O1（x1，y1），O2（x2，y2）, O3（x3，y3），移動終端的坐標位置為（x,y），由RSSI 測距原理測得每個物聯(lián)網模塊到終端的距離分別為d1，d2，d3。以這三個物聯(lián)網模塊為圓心，d1，d2，d3為半徑做圓，相交的區(qū)域焦點為A、B、C（圖6）[2]。

圖6 三邊定位算法示意

根據加權質心定位算法可以得出移動終端的坐標位置為：

但是，在管廊內，因為物聯(lián)網模塊的安裝位置在一條直線上，無法由三邊定位算法進行計算，只能由二邊進行計算。則公式簡化為：

（3）測試與分析

通過專業(yè)測試工具在現(xiàn)場進行測試，發(fā)現(xiàn)RSSI 波動非常劇烈，信號強度差在10-20db，多次出現(xiàn)人員定位信號丟失或劇烈跳動的情況。如圖7、8 所示。

圖7 RSSI 波動曲線

圖8 信號強度波動曲線

經分析，主要原因有以下幾方面：

（1）RSSI 測距原理受環(huán)境因子n 的影響較大，管廊內空間狹長，安裝的設備和支架密集，漫反射嚴重；同時廊內潮濕，環(huán)境惡劣，造成n 值偏差較大；

（2）另一個原因是三邊定位法改成了二邊定位法，算法精準度大受影響。

由此得出結論，基于RSSI 測距原理的加權質心定位算法不適用地下綜合管廊的人員定位系統(tǒng)。

4.2 基于RTT 原理的雙曲線定位算法

（1）測距原理

RTT（Round Trip Time）是信號發(fā)送到接收一次的時間。如圖9 所示。

圖9 RTT 測距原理圖

其中c 為光速。

（2）算法

根據信號到達兩個物聯(lián)網模塊的時間差，則可以確定定位終端位于以這兩個物聯(lián)網模塊為焦點的雙曲線上。如果有三個以上的基站,則可以建立起多個雙曲線方程，這些雙曲線方程的交點就是定位標簽的二維坐標位置（圖10）。

圖10 雙曲線定位算法示意圖

解公式4-8 的方程，即可得到定位終端的坐標。

（3）測試與分析

經現(xiàn)場實測，基于RTT 原理的雙曲線定位算法定位精度約為10～15m，抖動范圍在1～2m，定位效果偶爾發(fā)生位置跳動的情況（圖11）。

圖11 基于RTT 原理的雙曲線定位算法抖動測情況

經分析，位置跳動與廊內干擾有關，導致到達2 個物聯(lián)網模塊的時間不準，出現(xiàn)了不穩(wěn)定的情況。定位效果基本達到設計需求。

4.3 坐標系轉換

由以上算法計算出的坐標都是二維坐標（x，y），按設計需求，要將二維坐標系轉換為大地坐標系。

按照物聯(lián)網AP 和物聯(lián)網模塊的安裝位置建立的管廊BIM 模型，參照國家2000 大地坐標系加載，則每個設備均可得到在大地坐標系中的位置，用經度L、緯度B、高程H 來表示。但我們一般習慣用空間直角坐標系進行長度、距離、面積等計算。空間直角坐標系的坐標原點位于參考橢球的中心，Z 軸與橢球的旋轉軸一致，指向參考橢球的北極; X 軸指向起始子午面與赤道的交點，Y 軸位于赤道面上，按右手系與X 軸正交成90°夾角。大地坐標系不太便于日常計算，這就需要將大地坐標系和空間直角坐標系進行轉換，即位置P（L,B,H）和位置P（X,Y,Z）之間進行轉換。見兩種坐標系示意圖12[3]。

圖12 大地坐標系和空間直角坐標系示意模型

已知位置P（L,B,H），則P（X,Y,Z）按下面公式計算：

a 為地球橢球的長半軸，b 為地球橢球的短半軸。

這樣，我們就可以在空間直角坐標系內進行人員定位的各種計算了。

經過計算后的空間直角坐標系位置，還需要轉換為大地坐標系位置。

已知位置P（X,Y,Z），則P（L,B,H）按下面公式計算：

通過兩次算法的轉換，可以實現(xiàn)地下管廊在大地坐標系下進行導航與導覽，快速標定人員及貴重資產位置，指揮救援，實時跟蹤，優(yōu)化巡檢路線等日常工作，實現(xiàn)了和城市管理平臺的坐標系統(tǒng)一（圖13、14）。

圖13 人員定位系統(tǒng)在GIS 地圖上的定位效果

圖14 人員定位系統(tǒng)BIM 模型上的定位效果

5 結論

城市地下綜合管廊作為新型建筑的具體表現(xiàn)形式，已經得到政府的高度重視，在“十四五”規(guī)劃中被納入集約型城市化建設的基礎設施。在新基建的浪潮下，管廊的人員定位系統(tǒng)承載著從智能化向智慧化運維的重要作用，是以人為本的管理重要展現(xiàn)形式。

本文從管廊運維單位對人員定位系統(tǒng)的需求出發(fā)，經過方案設計、算法設計及現(xiàn)場測試，最終確定了最適合管廊的配套方案。

隨著5G 技術發(fā)展，人員定位系統(tǒng)的方案也會迎來技術迭代和升級。通過本項目的設計與分析方法，理論結合實際測試，不斷進行修正，持續(xù)不斷的更新技術方案，最終實現(xiàn)為運維單位實現(xiàn)降低運維成本以及提高運維效率的長遠目標。