UWB技術(shù)下隧道施工人員定位系統(tǒng)的精細(xì)研究

辛鎮(zhèn)泳

摘要：隧道施工安全問題是當(dāng)前全民關(guān)注的重點問題，特別是施工人員位置信息問題。在隧道實際施工現(xiàn)場中，由于遮擋、環(huán)境嘈雜等問題，導(dǎo)致測量信號受阻，無法對施工人員位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，期間，如果發(fā)生事故，對隧道被困人員的具體位置和數(shù)量不能及時做出判斷，導(dǎo)致后果不堪設(shè)想。文章以某高速公路隧道定位系統(tǒng)為例設(shè)計實驗，分別對文中所提的方法進(jìn)行比較和優(yōu)化，選擇更加精確的計算方法，并將其運用至今隧道施工建設(shè)中。

關(guān)鍵詞：UWB（超寬帶）;三邊算法;質(zhì)心算法

引言

社會經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展，促使交通建設(shè)力度逐漸加強(qiáng)，尤其是對鐵路和高速公路新建里程長度的規(guī)劃。在鐵路以及高速公路的修建過程中，對于山地、高原、山嶺等地形，可通過修建隧道來實現(xiàn)道路暢通。隧道工程與采礦作業(yè)在技術(shù)負(fù)責(zé)程度、作業(yè)周期長、作業(yè)空間有限以及隱蔽性等方面非常相似，再加之地質(zhì)變化特點，無形之中為隧道作業(yè)帶來了一定難度，同時，也給施工人員帶來了極大的安全隱患。因每個項目開展都存在周期限制，所以在隧道建設(shè)中，要盡量避免事故發(fā)生來影響作業(yè)進(jìn)度。為了保護(hù)施工人員生命安全，將UWB定位技術(shù)運用是隧道建設(shè)中，以此來對隧道人員實施精確定位，充分滿足項目工程建設(shè)的需求。

1超寬帶定位技術(shù)

超寬帶定位技術(shù)所使用的寬帶>500MHz，且信號也>0.2，該技術(shù)利用寬帶特性，實現(xiàn)脈沖無線點的精確測距。通過UWB系統(tǒng)所發(fā)射的窄脈沖空間占比小，持續(xù)時間短，導(dǎo)致多徑信號在時間上可分離。除此以外，UWB系統(tǒng)自帶的頻帶較寬，所以信道容量C在一定范圍內(nèi)，可有效降低信噪比，凸顯了該系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)的抗干擾性。

2設(shè)計定位系統(tǒng)

圖1為定位系統(tǒng)的構(gòu)架圖，明確了該系統(tǒng)主要的組成部分，其中包括服務(wù)器、交換機(jī)、定位標(biāo)簽以及參考節(jié)點等。

2.1 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽的主要作用是通過發(fā)射的無線信號，對參考節(jié)點和標(biāo)簽之間的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測量，其主要組成部分是電池供電模塊、定位芯片和主控制器。

2.2 參考節(jié)點

參考節(jié)點主要有四部分組成，分別是網(wǎng)口模塊、供電模塊、定位芯片以及主控制器[1]。USART接口數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)，主要是通過主控制器和定位芯片;而對于收集數(shù)據(jù)的保存和處理均由網(wǎng)口模塊和路由器來操作。參考節(jié)點即定位參考節(jié)點，主要作用是通過定位標(biāo)簽發(fā)射的無線電信號，獲取其到達(dá)節(jié)點的時間，以此來對兩者之間的距離進(jìn)行計算。

2.3 交換機(jī)與服務(wù)器

交換機(jī)是通過有線或無線的傳輸方式，將參考節(jié)點匯集的信息進(jìn)行傳遞。服務(wù)器則將其輸送的信息進(jìn)行分類、處理，并將整理后的數(shù)據(jù)以二維坐標(biāo)的形式進(jìn)行二維動態(tài)展示，此時所顯示的位置則為準(zhǔn)確的隧道施工人員位置。

3定位算法

3.1 三邊定位法

三邊定位法是對未知節(jié)點求解的過程，具體計算方法是通過參考節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離羅列關(guān)系式，對未知節(jié)點坐標(biāo)的計算過程。關(guān)于未知節(jié)點坐標(biāo)位置計算的原理圖見圖2所示。

圖2中有a、b、c、d四點，其中d點為未知節(jié)點（β，γ），分別將a、b、c三個參考節(jié)點的坐標(biāo)設(shè)為a（β_（1，） γ_1）、b（β_（2，） γ_2）、c（β_（3，） γ_3），未知節(jié)點d到a、b、c三點的距離分別為R_1、R_2、R_3，故得出公式（1）。

{（（β-β_1 ）^2+（γ-γ_1 ）^2=R_1^2@（β-β_2 ）^2+（γ-γ_2 ）^2=R_2^2@（β-β_3 ）^2+（γ-γ_3 ）^2=R_3^2 ）┤ （1）

利用公式（1）得出的未知節(jié)點d的計算方式為（2）。

[（β@γ）]=[（2（β_1-β_3 ）&2（γ_1-γ_3 ）@2（β_2-β_3 ）&2（γ_2-γ_3 ） ）]^（-1） [（β_1^2-β_3^2+γ_1^2-γ_3^2-r_1^2+r_3^2@β_2^2-β_3^2+γ_2^2-γ_3^2-r_2^2+r_3^2 ）] （2）

3.2 質(zhì)心算法

質(zhì)心算法是利用節(jié)點之間的相互通信，對其通信路徑進(jìn)行規(guī)劃，構(gòu)成多變形區(qū)域，該區(qū)域的中心可作用定位節(jié)點的預(yù)估位置，詳情見圖3[2]。

圖3質(zhì)心算法的原理

通過質(zhì)心算法構(gòu)成多邊圖形，可稱之為幾何圖形。因個參考節(jié)點坐標(biāo)的平均值由定位節(jié)點質(zhì)心坐標(biāo)構(gòu)成，若此時的幾何圖形有n個參考節(jié)點時，其坐標(biāo)為（β_1，γ_1 ）、（β_2，γ_2 ）、…、（β_n，γ_n ），那么質(zhì)心坐標(biāo)的計算公式則為（3）。（β，γ）=（（β_1+β_2+…+β_n）/n，（γ_1+γ_2+…+γ_n）/n） （3）質(zhì)心算法的運用對定位節(jié)點和參考節(jié)點兩者之間的配合沒有具體要求，而且計算方式相對簡單，主要是借助網(wǎng)絡(luò)連通性能來實現(xiàn)。但此計算方式通過都是以輔助形式出現(xiàn)，主要原因是對于位置定位的精確度不夠高[3]。

3.3 算法融合

在隧道建設(shè)實際施工過程中，對于施工人員位置的測量，因受噪音、遮擋及施工環(huán)境的影響，測量信號會有一定程度的減弱，產(chǎn)生測量誤差，造成測量時間的延誤。圖4所示的為三邊質(zhì)心方法的融合圖。

將圖4中融合算法交互區(qū)域中心位置作為d未知節(jié)點坐標(biāo)（β，γ），其他e、f、g三個參考節(jié)點坐標(biāo)分別為e（β_（1，） γ_1）、f（β_（2，） γ_2）、g（β_（3，） γ_3），那么對于d坐標(biāo)的計算方式為：

（β，γ）=（（β_4+β_5+β_6）/3，（γ_4+γ_5+γ_6）/3） （4）

3.4仿真結(jié)果

為了對文中所提方法的定位精準(zhǔn)度進(jìn)行驗證，將某高速路段內(nèi)寬15米，長25米的三車道單向隧道為實驗場地，然后將參考節(jié)點分別放置于該實驗區(qū)域的四個角，以此來驗證計算方法的可實現(xiàn)性。

隨機(jī)設(shè)置50個坐標(biāo)節(jié)點，并將其分布紙在實驗區(qū)域內(nèi)，通過運用三邊算法和融合算法來對定位節(jié)點進(jìn)行計算，對實際節(jié)點和計算節(jié)點計算存在的誤差相比較。通過兩種方法的平均定位誤差來看，三邊算法定位誤差在0.119m左右，而融合算法的平均定位誤差在0.62左右，位置定位精度提高了一倍[4]。根據(jù)評價定位誤差值充分體現(xiàn)了融合算法優(yōu)勢，在未來對隧道施工人員的定位方面提供有力支持。

4 結(jié)語

為了使隧道施工人員安全得以有力保障，全文對位置定位方法的精準(zhǔn)度進(jìn)行了驗證，得出三邊定位與質(zhì)心的融合算法最符合現(xiàn)在對系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的需求。該融合方式精準(zhǔn)度的有效提升，可以是隧道建設(shè)項目操作人員對內(nèi)部施工人員的具體位置掌握更加準(zhǔn)確，并且在風(fēng)險規(guī)避和災(zāi)后救援方面也有了一定安全保障，為今后隧道建設(shè)奠定了扎實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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