基于UWB技术的隧道工程人员定位系统
及拓展应用
摘要:隧道工程施工事故频发且事故调查难度大，人员安全难以得到有效保障，针对这种现状，本文对UWB技术进行研究应用，阐述了基于UWB技术的隧道工程人员定位系统的各构成部分及作用形式，在这个系统中增加了电子围栏、视频监控、主被动报警等功能，拓展了UWB技术的应用，能够更好的满足隧道工程安全管理的需要。
关键词:UWB技术；定位系统；隧道工程；超宽带 引言
随着我国的不断发展，各类隧道工程建设陆续推进，但是隧道工程环境复杂，涉及作业较多，极易发生安全事故。隧道工程安全事故一般会导致群死群伤，且一旦发生事故，应急救援存在一定盲目性，从而会导致事故影响范围扩大，事故致死率较高，作业人员的人身安全难以得到有效保障，事故原因也难以调查，后续管理经验难以有效总结。所以的传统管理手段不能满足现实隧道施工安全管理需要。本文将UWB技术应在隧道工程的安全管理中，可以实现人员定位、人机防碰撞、主被动报警、历史轨迹存储与回放等多个应用实践，有效提高了安全管理效率，给作业人员人身安全提供有效保障[1]。
1 隧道工程的特点分析
隧道工程的施工由开挖、支护、供电、供水、供风、防排水等多个作业工序综合构成；开挖阶段由钻孔、装药爆破、通风、出渣等流程构成，在施工中开挖工序阶段性循环进行，其他施工流程也是循环进行的；隧道在不断开挖、支护的过程中，由于位置不同，周边岩体的结构是在不断变化的，所以支护结构的力学状态分析极为复杂，需要根据围岩情况进行调整，所以隧道施工作业流程虽然具有循环性的特点，但施工过程却是不固定的、存在动态变化的；隧道工程在地下
进行，作业空间非常受限，作业场所阴暗、潮湿，同时含有粉尘、有害气体等危险因素，作业环境具有风险性大、隐蔽性强的特点。
2 UWB定位技术 2.1 UWB定位技术概述
隧道工程在地下一定深度施工，GPS等传统的室外卫星定位系统难以满足实际需要。目前主要用于室内定位的蓝牙、红外线、WiFi、ZigBee（紫蜂）、RFID（无线射频识别）、UWB（超宽带）等技术[2]。UWB定位技术是通过在不同点位设置能够接受UWB脉冲信号的定位基站，定位对象（人员及物品）携带可以发送UWB脉冲信号的定位标签，通过后台算法对定位标签发出UWB脉冲信号到达定位基站的时间不同，计算出定位标签的具体点位。不同室内定位技术对比见表1，UWB定位技术可以达到厘米级的定位精度，可满足人员定位的要求。
表1 不同室内定位技术对比[3]
技术 度/m 定位精优点 缺点 蓝牙 2~10 易集成、易普及 性差 传输距离短、稳定红外线 5~10 定位精度较高 直线视距，传输距离短，易受干扰 WiFi 2~50 强 成本低、通讯能力易受环境干扰 ZigBee 1~2 低功耗、低成本 稳定性差，易受环境干扰 RFID 0.05~5 成本低、精度较高 距离短 UWB 1 0.06~0.精度高、穿透性强 成本较高 2.2 定位测距方法——TDOA算法
TDOA算法即双曲线定位法，各基站的位置已经确定，建立三维坐标系，利用定位标签UWB脉冲信号到达不同基站的时间差，从而计算出定位标签位置。具体算法如下：
建立一个三维直角坐标系，三维空间各位置用三维坐标（x，y，z）表示，定位基站的坐标位置假设分别为A（x1，y1，z1），B（x2，y2，z2），C（x3，y3，z3），D（x4，y4，z4），定位标签的坐标位置假设为X（x，y，z），定位标签X到达A、B、C、D定位基站的距离分别为d1、d2、d3、d4，定位标签X脉冲信号到达A、B、C、D定位基站的时间分别为T1、T2、T3、T4，可以建立如下方程组[3]：
（1）
以基站A作为时间参考基站，c为电磁波传播速度，可建立如下方程组：
（2）
将式（1）展开变形，可得式（3）：
（3）
将式（1）转化为矩阵特性方程，假设为AX=B的形式，得出式（4）：
（4）
其中：
（5）
（6）
（7）
得出：
（8）
求解式（8）可得出定位标签的X（x，y，z）的坐标位置，这个坐标可以作为一个估计值，因为通过此法求得的坐标存在一定的误差，所以需要在进行消除的误差，利用最小二乘法拟合矩阵的可以对误差进行修正，求得式（9），同时也可采用卡尔曼滤波算法消除在信号传递的干扰[3]。
（9）
3 UWB技术人员定位系统 3.1 定位基站
定位基站的核心模块包括UWB无线收发芯片的UWB模块、为UWB模块提供时序及数据交互的主控模块、提供有线和无线网络的通信模块、提供直流电源的电源管理模块。
定位基站的设置与他能接受的UWB脉冲信号半径有关，他只能接受到覆盖半径内的UWB脉冲信号，考虑到安设成本，亦不能大量布设，需要从空间连续性和区域重复覆盖这两个方面来考虑。根据三维定位需要，每个空间内需四个基站来接受信息。
假设定位标签到定位基站的距离为d，定位基站的有效工作半径未r，当d≤r时，定位基站可接受到UWB脉冲信号，当d＞r时，定位基站无法接收到信号，无法获得定位标签位置信息。图（1）（a）阴影部分在四个定位基站的覆盖半径内，图（1）（b）阴影部分不在定位基站信号接收范围内，无法获得位置信息。
图1 基站布设平面示意图[4] 3.2 定位标签
定位标签的核心模块是与定位基站相同方案的微控制器、UWB无线收发芯片的主控模块及UWB模块，负责检测运动状态的移动侦测模块以及负责供电的电源管理模块。定位标签硬件框架如图（2）：
图2 定位标签硬件框架如图
不过，定位标签的UWB模块中的天线一般体积更小，例如板载陶瓷天线，是为了达到便携效果（安全帽定位标签、三防定位标签等），使整个标签的体积更小，为了增加抗干扰能力，在芯片和天线之间增加了功率放大器，定位标签信号更容易被定位基站接收。同时还具有低功耗休眠模式，定位标签的初始状态、超过一定时间未发生位移的则会进入低功耗休眠模式。
3.3 定位系统实现
图3 定位系统框架图[4]
定位系统框架图如图（3）所示，定位标签一般设置在作业人员或机械上，体积较小，方便携带，用于接收发送UWB脉冲信号，定位基站以一定周期向周围定位标签发送信号，“唤醒”定位标签，接收信息，进行测距，数据分析，初步
数据分析后将信息通过以太网发送至位置计算服务器，确定定位标签具体位置，同时将数据入库，服务器同时也能实现历史轨迹回放查询等其他服务[5]。
4 应用功能实现 4.1 实时定位
在隧道内支护区、作业区设置定位基站实现范围内全覆盖，在二衬台车和防水台车上设置定位基站，接收到定位标签脉冲信号的范围可以直接覆盖到撑子面，分区域设置监控摄像头，两者结合，即可实现对隧道内的无卡监测，实时全面获得人员、车辆的位置、活动轨迹及分布，也可直接通过视频观看到隧道内情况，定位信号流畅稳定，无信号漂移，不受障碍物的影响。
4.2 智能考勤与工时统计
在洞口设置两台考勤基站，实现考勤智能化，可以自动记录作业人员进出洞的时间，识别作业人员携带的定位标签信息（卡号、姓名、班组、岗位、接受安全教育情况、联系电话等），人员定位系统可以实现全天考勤。考勤系统除考勤记录外，也可实现工时统计，例如同一时间段的不同作业人员工时统计、按班组或作业人员进行工时统计等，依据不同分类可以进行查询，也可直接生成考勤表。一人携带多个定位标签会触发报警，避免了一人作业多人有考勤的情况。
4.3 历史轨迹存储和回放
人员定位系统可以存储人员运动轨迹，没有时间，因事件或检查需要翻看回放时，可按照人员、车辆某一定位标签查找其行动轨迹路线，也可以选定某一时间、某一区域查看区域内作业人员行动轨迹，为事件处理提供决策依据。
4.4 系统下发寻呼与撤离
管理人员可以通过人员定位系统下发寻呼，下发时，可以根据不同情况需要，选定不同区域作业人员或不同班组进行人员调度，当发生危险情况，可以通过人员定位系统下发撤退指令，指导不同区域、班组作业人员快速、有序撤离危险区域。
4.5 主被动SOS报警
定位标签上设置有SOS报警按键，当作业人员发现现场存在危险状况，可以通过定位标签发出报警信息，实施报警，便于系统对现场情况的实时了解，及时下发寻呼或撤离指令；作业人员出现昏迷、超过一定时间未移动等异常情况时，定位标签自动报警。人员大量超限聚集在一定狭小范围内，有报警提醒。
4.6 电子围栏
可以通过定位标签、定位基站设置电子围栏辐射范围形状，设置不同报警规则，例如”越界报警、滞留报警”，也可根据人员岗位不同，设置不同范围的权限，确保及时报警、保障人员的安全活动范围。
4.6.1危险源管理及防碰撞应用
对有毒有害等危险场所、车辆及机械设备上设置电子围栏，人员携带定位标签进入围栏边界时，UWB脉冲信号与电子围栏会发生交互，系统进行判断是否启动报警机制，定位标签内置的报警装置即可进行报警，在此电子围栏设置时，也可与声光报警器连接，两者结合可以有效防止人员进入危险区域或人机碰撞事故的发生，同时机械设备与机械设备间也可设置电子围栏，防止机械之间的碰撞[6]。
重要区域、临电设备等场所设置电子围栏，只有有防问权限的人员才能进入，无访问权限的人进入电子围栏也会触发报警机制，提高了作业安全保障。
4.6.2来访人员管理
对于来访人员，发放特定的定位标签，绑定个人信息，减少纸质登记时间长、材料已丢失等问题，定位标签与视频监控联动，可以实现来访人员实时定位、多角度记录现场画面，同时在重要区域设置电子围栏，在重要区域、危险区域设置访问权限，来访人员定位标签无访问权限，实现“越界报警、滞留报警”，来访人员越界进入或在某一区域滞留时间过长，可自动报警，进一步保障了来访人员人身安全及重要区域安全。
4.7 健康管理
定位标签中设置单独的心率监测，设置心率上下限，记录发现心率异常的，及时发出通知提醒，也可查看实时心率图表，监测健康状态。
5 结语
通过UWB定位系统的应用，可以促进隧道工程施工的安全管理信息化。通过此系统，可以全面掌握隧道作业人员动态定位、基本信息、考勤情况，实时观测隧道内施工情况；历史轨迹存储和回放为事故调查处理提供了有力依据；报警系统、电子围栏和心率监测等功能的应用，及时预警，发现危险或发生事故时，作业人员和管理人员能够更快的做出反应，更好的保证了施工安全。
参考文献：
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[3]夏明华,刘主光,钱碧甫等.基于人工智能的智能安全帽的研制[J].电工技术,2018年,39(8):80-85.
[4]张力,罗炬锋,单联海.基于UWB定位技术的建筑工地人员安全管理系统[J].物联网技术,2022年,2(015):56-60.
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[6]闫海生.城市轨道交通工程基于UWB定位的人机防碰撞技术研究[J].机械与电子,2022年,40(01):63-67.
