UWB高精度定位技术在隧道工程安全管理中的应用

何金刚 旷喆 张淦 温晓雯

（1.中国交通信息科技集团有限公司 北京 100088；2.北京理工大学 北京 100081；3.北京信息科技大学 北京 100096）

隧道工程广泛应用于地铁和高速公路项目中。近年来，隧道施工过程中事故频发，因为隧道施工的环境封闭，包含的结构层和结构物也较多，通信相对不便，施工环境恶劣［1］。隧道施工过程中，容易出现塌方或者其他安全事故，内外的通行条件及通行机制会限制救援工作的开展，因为很难定位隧道被困人员的位置。因此，如何实现隧道工程施工过程中人员位置管理，已成为隧道工程日常安全管理的一个重要部分。

1 隧道定位的相关技术

常用于地下工程建设的人员定位技术有射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）定位技术、蓝牙定位技术、Zigbee定位技术、Wi-Fi定位技术和UWB技术等。在如何提高定位精度的问题上，国内外相关科研工作者提出了多种不同的定位方法。

王瑞峰等人考虑轨道交通现场内折射、多径效应、反射等对场强的影响，提出了基于RFID系统的自适应LANDMARC k-邻居算法，并且在市政轻轨交通等项目中应用，定位进度基本上小于1.5m。

哈尔滨工程大学的张佩参考LANDMARC 定位算法和基于RSSI信号强度算法的基础上，提出了一种适用于轨道交通现场环境下的人员定位算法的方案［2］，经过实验验证，系统的平均定位误差为0.6m，该定位算法不需要较多的参考标签和读卡器就能显著提高系统的性能。

Matteo Cypriani等人提出将猫头鹰定位系统用于地下轨道交通现场，以便为矿工和设备提供定位系统，并在真实轨道交通现场中进行了试验。试验结果表明，在短范围内技术可以使用，但需要安装更多设备，并且所获得的精度并不理想，大多数情况下平均误差低于5m。

方旺盛等人基于RSSI加权质心定位提出了一种改进算法，就是把异构节点最大通信半径引入到权值的分配上，修正权值，并且采用无线传感网络技术，可以对隧道井内人员和机械设备准确定位，定位进度小于4m。

Zigbee技术具有能耗小、短距离传输稳定的优势，该技术也被应用到轨道交通现场等工程定位中。Mohammad Ali Moridi等人研究了地下矿井中ZigBee的无线电波衰减，以评估ZigBee 节点之间的稳定通信范围。试验结果表明，在真实矿井情景中的直线和弯曲轨道交通现场中，ZigBee 节点之间的稳定无线通信范围分别为100m和70m。王海英等人基于BP神经网络的算法，改善了ZigBee监测网络参数设置方法，可以将隧道内的目标定位误差控制在1m的范围内。

武汉理工大学的王明东等人设计了一种基于脉冲超宽带技术的人员定位系统。采用双向双边测距方法计算人员位置信息，并且在此基础上，提出一种基于TOA的模式，自我校定的三角形定位算法，提高定位精度，井位精度达到±50cm，基本满足人员定位需求。

在2017年，姚广成等人利用超宽带定位技术，研究了如何定位隧道施工人员和施工机械，定位算法采用基于到达时间接收法，在实际地铁轨道交通现场中进行了试验，人员定位精度达到±50cm。

中南大学的谢芝玉等人针对无线信号在煤矿巷道中传播时由于多径效应明显而导致定位精度不高的问题，提出一种基于Taylor 级数展开的UWB 定位算法。试验结果表明，该算法可以保证最大定位误差为±40cm，基本满足井下定位的需要［3］。

目前，基于UWB 技术定位的产品各式各样，Time Domain 公司是世界上最终进行UWB 技术研究的单位之一；英国的Ubisense 公司开发的Ubisense7100 实时定位系统定位精度可达±15cm，覆盖范围为160m。

2 UWB高精度定位技术

UWB技术在1894～1896年就开始有应用，目前，世界上主要的UWB 定位系统多数还是基于TOA/TDOA（信号到达时间差）的测距技术，而AOA、RSSI 则用来作为辅助手段。在不断发展的过程中，对隧道施工环境下的人员监测、信息传输保障需求，以实现“强穿透”“高可靠”“环境自适应”“精确定位”的支持能力为核心目标。强穿透主要是基于地电极电流注入的强穿透技术，高可靠主要是基于地电极微弱信号的检测技术研究，环境自适应是指在复杂环境下自适应传输技术，精确定位主要是应用超宽带定位技术。现在，基于以上技术特点和实际施工过程中的应用需要，开发出一套适合隧道工程的信息化、智能化系统。

在平时正常施工时，进入施工现场工作人员通过多模终端与多个定位基站的无线链路，实现精准一维实时定位，并结合安全管理软件，可实现对定位人员的实时监控、调度及管理，系统组成如图1所示。系统各功能单元简要描述如下。

图1 系统组成

2.1 定位基站

用来接收多模终端发射的定位信号，采用TDOA测量技术，确定多模终端的位置，并将数据传输至同步控制器及安全管理软件［4］。

2.2 同步控制器

协调整个定位系统，各个定位基站全部协同，所有的定位网络工作在同一个时钟接收状态下，并将定位基站发送的所有数据传输给服务器，通过定位引擎得到各个多模终端精确坐标。系统工作时，主定位基站为一体化基站，为标识信道和工作信道，当未进入定位区域的人员进入定位区域时，多模终端接收标识信号，接收到标识信号的多模终端被唤醒进入定位网络，开始接收工作信号，并发出超宽带信号，定位基站通过天线接收到定位目标位置发出的超宽带信号，将不同信号的到达时间做处理，产生时间到达差数据包，数据包通过同步控制器传到定位服务器，定位引擎软件根据数据包中的数据计算并确定人员位置。此外，多模终端本身也包含Wi-Fi模块，在平时可通过Wi-Fi链路实现语音、数据传输。

3 UWB高精度定位技术特点

基于UWB技术的隧道人员定位系统有以下特点。

3.1 系统简单、成本低

UWB技术采用的是物美价廉的宽带发射器，发射器只需要采用小型的脉冲激励天线，不需要变频，也不需要使用载波，所以就不需要放大器和混频器［5］。此外，接收端的UWB接收机不需要中频处理。

3.2 数据传输快

民用商品中的UWB型号传输，大多数的范围是在10m内，传输速度最高可以达到500Mbit/s，在区域内的无线局域网使用较为理想［6］。UWB 主要是以超宽的频率带宽，替换了数据的快速传输，不会去占用已有的频率资源［7］。

3.3 定位精确高

UWB技术可以将定位和通信功能合二为一，一般的无线电技术很难做到这一点，因为UWB技术中有利用冲击脉冲的高精度定位技术［8］。通常，GPS 定位系统只能定位在卫星的可视范围内，很难对室内和地下的目标进行精准定位，而UWB无线电具有较强的穿透能力，所以UWB高精度定位的装备就可以定位精度达到厘米级别。

3.4 功耗低、耐用

相对于常规的电子通信设备，UWB系统的耗电量只有传统电话功率的1/100左右，原因是该技术采用的是脉冲发送数据，持续时间短，所以耗电量低，耗电量仅为几百μW 至几十mW［9］。基于这些特点，UWB 系统的设备在电池的使用寿命，周围的电磁辐射影响上，相对于其他的无线设备，都具有极强的优越性。

3.5 安装调试简单

该系统的安装调试工作，普通工程人员在接受培训后，即可快速掌握，无需太多的专业知识。

4 UWB高精度定位技术的安全管理应用

UWB 高精度定位技术主要是将数据传输功能内置在定位标签上，定位标签可以安装在人员、机械设备等地方。因此，在隧道施工过程中的应用可以具体表现为实时精准定位、轨迹回放、人员管理、精准考勤、设备定位、预警安全管理、事故救援查询等功能。

4.1 实时精准定位

基于现代化、数字化和智能化的施工时代，可以将UWB 定位的信息集中显示在信息化控制室的大屏幕上，可以实时看到施工人员在整个隧道里面的分布情况，并且可以进行局部放大，以显示工人精确的位置。

4.2 轨迹回放

在系统中调取任何一个数据核查单元，选择任意的时间，查看其动态数据，掌握各个监察单元的轨迹，为排除隐患和考勤数据提供依据。

4.3 人员管理

对于每个ID 单元赋予工人的姓名、身份证号、进出场时间、工种、编号等属性，方便进行实名制人员管理。

4.4 精准考勤

可以通过系统记录工人每天的工作时间区间，系统也为核对工时提供记录和依据。

4.5 设备定位

与人员管理类似，可以赋予每台设备的名称、进出场时间、维护保养记录等记录，同时，可以在监控屏幕看到设备的位置与运行情况。

4.6 预警安全管理

工人在隧道内施工，若遇到危险或者紧急情况，可以利用佩戴的定位标签一键报警，项目部监控大屏会显示报警信息，便于及时处理相关情况。

4.7 事故救援查询

若隧道发生塌方等安全事故的时候，可以通过系统精确地定位工人的位置，便于外部人员的搜索和救援。

5 结语

隧道施工人员多，设备多，流动性大，空间狭长，施工作业较为封闭，水文、地质不确定性因素大，UWB高精度定位技术这一类信息化的技术在隧道安全管理中的应用，可以极大地提高项目部的施工组织和管理效率，同时，对安全施工监测也提供了便利，在隧道或者其他密闭空间施工过程中应用价值非常广泛。