基于UWB的隧道高精度定位系统研究

彭学军， 刘云龙， 罗运杰， 汤宇， 任晚晚

(1.中铁五局集团 第一工程有限责任公司， 湖南 长沙 410004；2.长沙理工大学， 湖南 长沙 410114)

安全、优质、高效的施工是高速铁路隧道建设工程的重点和难点。为保证工人安全、优质、高效地施工，实现安全预警，及时避免危险的发生，管理人员需实时掌握工人的位置。随着信息化水平的不断提高，各种人员定位技术得以应用于建设工程。

1 室内定位技术概况

1.1 红外定位技术

红外定位技术利用红外线进行定位，系统由红外发射器和红外接收器组成。红外定位的方式一般分为两种：一种是将红外接收器位置固定，在待测物体上安装红外发射器,接收器接收到红外信号后通过定位算法计算物体位置。另一种是利用多个红外发射器和红外接收器组成网络，以此来确定物体位置。其优点是成本低、精度较高(5～10 m)；缺点是易产生盲点、功耗较高、易受环境干扰。

1.2 超声波定位技术

超声波定位系统利用超声波的空间传播特性来确定位置，由测距器和电子标签组成，主测距器放置在待测物体上，电子标签固定在不同位置，根据声波从主测距器到电子标签的时间计算两者之间的距离，确定待测物体的坐标。其优点是精度高、误差小；缺点是信号在传输中衰减严重而使其可测范围较小，且需依托大量硬件设备，成本高。

1.3 射频识别定位技术

射频识别(RFID)定位系统采用射频方式，根据附着在待测物体上的标签接触天线产生的磁场而产生的响应信号强度计算两者之间的距离，当系统形成网络时可计算物体的坐标位置。其优点是可测范围广；缺点是精度低、信号衰弱明显。

1.4 ZigBee定位技术

ZigBee定位技术由网关、参考节点和盲节点组成，通过三点之间的相互通信进行定位。其优点是功耗低；缺点是精度不高、易受环境干扰。

1.5 WiFi定位技术

WiFi定位技术根据信号强度值判断位置的远近。其优点是成本低;缺点是精度低。

1.6 UWB技术

超宽带(Ultra Wideband，UWB)技术采用极窄的脉冲信号实现无载波无线通信，信号具有吉赫兹量级的带宽。其优点是功耗低、抗干扰能力强、穿透力强、可达厘米级精度；缺点是成本较高。常用UWB定位技术分为到达时间定位法和时间差定位法两种。

到达时间定位法通过各基站同步发送信号，在已知信号传播速度的前提下，根据信号传播时间，结合各基站坐标，确定待测物体的坐标(见图1)。为保证各基站发送信号时间的高度同步，到达时间定位法对传感器的精度和功耗有很高的要求。在保证信号同步的前提下，其对带宽要求较小，精度高，适用于窄带系统。

图1 到达时间定位法原理示意图

时间差定位法通过基站发射两种不同信号，在已知两种信号传播速度的前提下，根据到达待测物体的时间差，计算基站和待测物体之间的距离。也可通过不同基站发射同一信号进行定位(见图2)。由待测物体与两基站之间的时间差，可建立以基站位置坐标为焦点的双曲线方程, 待测物体就在这对双曲线的某一条分支上。若有3个不同的基站，则可建立两个双曲线方程, 求解双曲线的交点即可得知待测物体的位置。

图2 时间差定位法原理示意图

2 基于UWB的隧道高精度定位系统

和其他定位技术相比，UWB技术在各方面都具有不小的优势，非常适合用于隧道内人员定位。该文依托张吉怀(张家界—吉首—怀化)铁路凤凰段隧道建设工程，研究基于UWB的隧道高精度定位系统及其应用。

2.1 项目背景

张吉怀铁路凤凰段隧道建设工程起于湖南凤凰县，止于麻阳县，起止里程为DK175+908—DK193+000，线路长度 16.166 km。结构物众多，包含：桥梁11座，其中大桥5座、中桥6座；涵洞1座，为1.5 m框架涵；隧道11座，共13 895.5 m，占线路长度的83.71%，其中4 km

2.2 系统设计

基于UWB的隧道高精度定位系统由UWB定位标签、基站、核心网关等组成(见图3)。

图3 基于UWB的隧道高精度定位系统设计(单位：m)

将UWB定位标签附着在工人安全帽上，通过各从基站实时检测工人位置，主基站收集从基站的数据并发送给核心网关或通过数传网关发送给核心网关，再通过核心网关传送给云端或项目部监控服务器。如出现紧急情况，则通过扬声器进行报警并将报警信息以短信形式发送到工人的手机。

2.3 系统设备

2.3.1 核心网关

核心网关通过WiFi无线收集基站及标签信息，通过4G把信号传送给云端或通过以太网把信号传送给项目部监控服务器，并对定位标签进行低功耗管理。

2.3.2 数传网关

数传网关将WiFi无线收集基站及标签信息通过WiFi转发给核心网关。

2.3.3 主基站

主基站具有WiFi功能，它将收集的从基站及标签信息传给数传网关或直接传给核心网关。

2.3.4 从基站

从基站没有WiFi功能，其通过与标签的通信实现标签的定位功能。

2.3.5 定位标签

定位标签采用UWB实现定位功能，具有上行报警的按键及下行报警的振动提示功能，并配备有可拆卸电池。

2.4 实际应用

隧道高精度定位系统可实现实时精准定位、轨迹回放、人员管理、精准考勤、预警管理等功能。

2.4.1 实时精准定位

工人位置在项目部监控室的屏幕上实时显示。在整体图中可显示人员在整个隧道内的分布情况，通过放大可得到局部图，通过鼠标的移动可显示距离洞口的长度，从而更准确地获取工人位置。

2.4.2 轨迹回放

系统可按时间、标签ID、不同播放速率，选择任意时间、任意人员，以任意速度动态回放历史轨迹数据，从而更好地掌握工人的轨迹，为排除隐患、考勤记录等提供依据。

2.4.3 人员管理

可导入工人的姓名、年龄、身份证号、进场时间、工种、安全帽标号等信息，方便工人的集中管理。

2.4.4 精准考勤

系统可记录工人每天的工作时长，并可通过点击时长进入轨迹回放界面进行核对。

2.4.5 预警管理

预警管理(见图4)支持双向报警：

(1) 现场至云端。隧道内的工人主动或被动向云端发送报警信息(主动：工人按动标签上的报警按钮，自主一键报警；被动：电子围栏闯入报警、定位标签的低电量报警)，系统上报给云端工人当前的位置, 项目部监控室的扬声器产生联动，提醒监控室内的安全员查看监控屏幕中的报警信息。

(2) 云端至现场。云端将报警信息按照定位标签ID下发给隧道内的相应工人，对应ID的工人所佩戴的定位标签上的振动器振动，同时定位标签上的红色灯快速闪烁。

图4 基于UWB的隧道高精度定位系统预警管理示意图

3 结语

在作业空间窄、管理难度大、风险程度高的隧道中应用高精度定位系统，可对工人进行精准实时定位，实现轨迹回放、人员管理、精准考勤、预警管理等功能，为安全、优质、高效地施工提供保障。