城市軌道交通工程基于UWB定位的人機(jī)防碰撞技術(shù)研究

(北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100050)

0 引言

由于軌道交通地下工程施工作業(yè)環(huán)境多變、工況復(fù)雜，且工程場(chǎng)地狹小、作業(yè)空間有限，在這樣的作業(yè)條件下存在大量工序交叉施工，施工作業(yè)機(jī)械設(shè)備與作業(yè)人員不可避免地存在作業(yè)軌跡交叉，增加了施工作業(yè)機(jī)械設(shè)備碰撞施工人員的可能，進(jìn)而導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的安全事故[1]。

在施工現(xiàn)場(chǎng)，由于視線盲區(qū)、噪音、照明不足及揚(yáng)塵引起的作業(yè)環(huán)境能見度低、疲勞駕駛等因素，機(jī)械設(shè)備司機(jī)往往難以掌握作業(yè)影響區(qū)周邊其他人員的分布情況，司機(jī)在作業(yè)過程中存在較大的安全隱患。傳統(tǒng)方法提出了一種以管制空域融合運(yùn)行的高度層分類方法。該分類方法規(guī)范了無人機(jī)的分類方式，從而為無人機(jī)與有人機(jī)融合運(yùn)行找到了共性，為無人機(jī)準(zhǔn)入管制空域做出了條件準(zhǔn)備，也為現(xiàn)有民航體系內(nèi)建立無人機(jī)與有人機(jī)防碰撞模型提供了環(huán)境。對(duì)無人機(jī)管制間隔進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。但是該方法的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度低，適用性差，對(duì)此，本文提出一種城市軌道交通工程基于UWB定位的人機(jī)防碰撞技術(shù)。

1 定位技術(shù)的選擇

采用人員、設(shè)備無線定位技術(shù)可以解決人員機(jī)械設(shè)備防碰撞這一類問題。無線定位技術(shù)的原理，是通過測(cè)量無線電波的某些參數(shù)進(jìn)行，并依據(jù)特定的算法，進(jìn)行判斷被測(cè)目標(biāo)的位置[2-5]。

相對(duì)于室外空曠環(huán)境，在室內(nèi)感知位置信息并達(dá)到一定精度是較為困難的，這是因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境，包含各種物體的反射和信號(hào)的散射[6]。超寬帶(ultra wide band，UWB)與其他定位技術(shù)相比，其性能高，如穿透能力強(qiáng)、精度高，更適合室內(nèi)定位[7]。在貴重物品儲(chǔ)藏、人員定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤和汽車儲(chǔ)物泊車等領(lǐng)域，超寬帶室內(nèi)定位和導(dǎo)航已實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位以及導(dǎo)航，包括對(duì)室內(nèi)靜止或移動(dòng)的物體和人體定位跟蹤與導(dǎo)航[8]。目前，超寬帶(UWB)在人機(jī)防碰撞方面，主要是通過安裝在機(jī)械上的射頻(定位基站)識(shí)別有源標(biāo)簽來檢測(cè)行人的存在[9]。

2 定位功能的實(shí)現(xiàn)

在場(chǎng)區(qū)內(nèi)安裝定位基站，用于接收人員佩戴或機(jī)械設(shè)備安裝的定位標(biāo)簽發(fā)送的極窄脈沖，從而確定人員或機(jī)械設(shè)備的坐標(biāo)位置[10]。

2.1 定位模式選擇

UWB無線定位模式分為4種：零維定位、一維定位、二維定位以及三維定位。場(chǎng)地較大的明挖基坑或斷面較大的隧道工程可采用二維定位，如明挖車站和大跨度暗挖車站；斷面較小的隧道工程科采用一維定位，如標(biāo)準(zhǔn)暗挖隧道和標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)隧道；作業(yè)區(qū)域狹小、遮擋嚴(yán)重或使用存在性檢測(cè)即可的部位，可采用零維定位，如盾構(gòu)機(jī)管片拼裝區(qū)等。

2.2 基站安裝

一維定位相鄰基站安裝間隔應(yīng)在150 m范圍內(nèi)，二維定位相鄰基站安裝間隔應(yīng)在50 m范圍內(nèi)。

基站安裝主要考慮因素是信號(hào)和遮擋，需要在避開遮擋的同時(shí)，保證信號(hào)傳輸精度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，明挖基坑場(chǎng)地范圍內(nèi)基站架設(shè)高度應(yīng)在3～10 m，暗挖隧道及盾構(gòu)隧道宜架設(shè)在拱腰以上不易被碰觸的地方?；颈M量布設(shè)在同一水平高度，水平高度差不宜大于1 m。盾構(gòu)機(jī)-管片吊裝場(chǎng)地定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)-管片吊裝場(chǎng)地定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 網(wǎng)絡(luò)部署

定位基站通過通用網(wǎng)線與POE交換機(jī)進(jìn)行連接，POE交換機(jī)為定位基站供電并實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，1臺(tái)POE交換機(jī)一般連接1～3臺(tái)定位基站。

開闊場(chǎng)地的各POE交換機(jī)通過通用網(wǎng)線與匯聚交換機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)POE交換機(jī)與匯聚交換機(jī)的信號(hào)傳輸。匯聚交換機(jī)與核心交換機(jī)通過通用網(wǎng)線直連，實(shí)現(xiàn)匯聚交換機(jī)與核心交換機(jī)的信號(hào)傳輸。

盾構(gòu)機(jī)上的POE交換機(jī)通過專用光纖直連核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)POE交換機(jī)與核心交換機(jī)的信號(hào)傳輸。該專用光纖選用6芯光纖，其中2芯常用作實(shí)時(shí)視頻和定位基站的專用信號(hào)傳輸。

核心交換機(jī)通過通用網(wǎng)線與解算服務(wù)器進(jìn)行直連，實(shí)現(xiàn)核心交換機(jī)與解算服務(wù)器之間的信號(hào)傳輸。

2.4 定位標(biāo)簽安裝/分發(fā)

混凝土罐車和運(yùn)渣車等行走類機(jī)械設(shè)備，在行走類機(jī)械設(shè)備的前、后方各設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定其沿行進(jìn)方向的虛擬電子圍欄。挖掘機(jī)等行走及旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備，在行進(jìn)方向的前、后方各設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定其沿行進(jìn)方向的虛擬電子圍欄；在上車中部/中央回轉(zhuǎn)臂根部設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定挖掘機(jī)工作裝置的回轉(zhuǎn)虛擬電子圍欄。長(zhǎng)臂吊車，在行進(jìn)方向的前、后方各設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定其沿行進(jìn)方向的虛擬電子圍欄；在起重臂的首、末端各設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定其水平投影方向的虛擬電子圍欄；在吊鉤上設(shè)置1個(gè)定位標(biāo)簽，用于劃定吊鉤影響范圍的虛擬電子圍欄。人員佩戴安全帽型定位標(biāo)簽，用于定位人員實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 人機(jī)防碰撞告警的實(shí)現(xiàn)

虛擬電子圍欄以定位標(biāo)簽為基準(zhǔn)坐標(biāo)，通過矩形及圓形來標(biāo)記圍欄邊界，當(dāng)人員或其他車輛侵入圍欄邊界時(shí)，通過人員佩戴的定位標(biāo)簽與機(jī)械設(shè)備虛擬電子圍欄發(fā)生位置信息交互，判斷碰撞可能，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。即通過定位標(biāo)簽內(nèi)置的報(bào)警裝置或外接聲光報(bào)警器對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行提示。

3.1 矩形電子圍欄

假定機(jī)械設(shè)備按照中軸線左右對(duì)稱。設(shè)機(jī)械設(shè)備前端的車載定位標(biāo)簽A的坐標(biāo)為a(x1，y1);機(jī)械設(shè)備后端的車載定位標(biāo)簽B的坐標(biāo)為b(x2，y2)。A標(biāo)簽距機(jī)械設(shè)備前端邊緣估算距離為d1，距機(jī)械設(shè)備右側(cè)邊緣估算距離為l1，距機(jī)械設(shè)備左側(cè)邊緣估算距離為l2；B標(biāo)簽距機(jī)械設(shè)備后端邊緣估算距離為d2，距機(jī)械設(shè)備右側(cè)邊緣估算距離為l3，距機(jī)械設(shè)備左側(cè)邊緣估算距離為l4?？紤]到車載定位標(biāo)簽安裝時(shí)的安全性和穩(wěn)定性，以及考慮到機(jī)械設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，定位標(biāo)簽安裝時(shí)幾乎不可能直接安裝在機(jī)械設(shè)備的中軸線上。因此，需找到機(jī)械設(shè)備的計(jì)算中軸線。最后根據(jù)計(jì)算中軸線進(jìn)行外擴(kuò)，形成機(jī)械設(shè)備的計(jì)算外邊界。矩形電子圍欄的生成原理如圖2所示。

圖2 矩形電子圍欄的生成原理

機(jī)械設(shè)備前后端外邊界為

(1)

x為人機(jī)防碰撞的預(yù)警參數(shù)；y為人機(jī)防碰撞的預(yù)警信號(hào)；d為自適應(yīng)參數(shù)。機(jī)械設(shè)備左右側(cè)外邊界為

(2)

l為特征分布函數(shù)。在機(jī)械設(shè)備的計(jì)算外邊界的基礎(chǔ)上外擴(kuò)范圍為Q1，形成電子圍欄-報(bào)警邊界；在電子圍欄-報(bào)警邊界的基礎(chǔ)上外擴(kuò)范圍為Q2，形成電子圍欄-預(yù)警邊界。

設(shè)人員佩戴定位標(biāo)簽的坐標(biāo)為p(x5,y5)。p點(diǎn)距直線y?=k4x+b4和直線y″″=k5x+b5的距離分別為：

(3)

(4)

k為人機(jī)防碰撞精準(zhǔn)度；b為人機(jī)防碰撞邊緣節(jié)點(diǎn)。人員闖入電子圍欄的判別：當(dāng)L≤(l+Q1+Q2)且(d+Q1)

3.2 圓形電子圍欄

假定車載電子圍欄安裝在接近旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸心部位。設(shè)機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)部件軸心附近的車載定位標(biāo)簽C的坐標(biāo)為a(x0，y0)，旋轉(zhuǎn)部件臂長(zhǎng)水平最大投影距離為d0。根據(jù)計(jì)算中軸線軸心坐標(biāo)外擴(kuò)距離d0，形成旋轉(zhuǎn)部件的計(jì)算外邊界。圓形電子圍欄的生成原理如圖3所示。

旋轉(zhuǎn)部件的計(jì)算外邊界為

(5)

以C定位標(biāo)簽a(x0，y0)為圓心，R1為半徑，形成電子圍欄-報(bào)警邊界；以C定位標(biāo)簽a(x0，y0)為圓心，R2為半徑，形成電子圍欄-預(yù)警邊界。

設(shè)人員佩戴定位標(biāo)簽的坐標(biāo)為p(x1，y1)。p點(diǎn)距C定位標(biāo)簽a(x0，y0)的距離為

圖3 圓形電子圍欄的生成原理

(6)

R為人機(jī)防碰撞的故障辨識(shí)系數(shù)。人員闖入圓形電子圍欄的判別：當(dāng)R≤R2時(shí)，判定人員闖入旋轉(zhuǎn)部件虛擬電子圍欄-預(yù)警邊界，并觸發(fā)預(yù)警；當(dāng)R≤R1時(shí)，判定人員闖入旋轉(zhuǎn)部件虛擬電子圍欄-報(bào)警邊界，并觸發(fā)報(bào)警。

3.3 電子圍欄界限范圍的確定

設(shè)定位標(biāo)簽的傳輸信號(hào)頻率為2 次/s(即傳輸間隔為0.5 s)；信號(hào)傳輸延遲為0.5 s；人員最快行走速度為v1=1.5 m/s;正常行走速度為v2=1 m/s；機(jī)械設(shè)備在場(chǎng)內(nèi)最快移動(dòng)速度為v3=5.5 m/s；一般移動(dòng)速度為v4=2.8 m/s?？紤]最不利情況，觸發(fā)電子圍欄的最大延遲t=1 s。

人員最快行走與機(jī)械設(shè)備最快移動(dòng)情況下的圍欄界限為Q′=(v1+v3)t=8 m。人員正常行走與機(jī)械設(shè)備一般移動(dòng)情況下的圍欄界限為Q″=(v2+v4)t=3.8 m。人員靜止與機(jī)械設(shè)備一般移動(dòng)情況下的圍欄界限為Q?=v4t=2.8 m。

機(jī)械設(shè)備根據(jù)車載定位標(biāo)簽坐標(biāo)，生成2級(jí)告警圍欄。以人員正常行走與機(jī)械一般移動(dòng)情況下的圍欄界限作為預(yù)警界限；以人員靜止與機(jī)械一般移動(dòng)情況下的圍欄界限作為報(bào)警界限。

矩形電子圍欄告警界限取值：在機(jī)械設(shè)備計(jì)算外邊界的基礎(chǔ)上外擴(kuò)范圍為Q1=Q′=2.8 m，形成電子圍欄-報(bào)警邊界；在電子圍欄-報(bào)警邊界的基礎(chǔ)上外擴(kuò)范圍為Q2=Q″-Q?=1 m，形成電子圍欄-預(yù)警邊界。

圓形電子圍欄告警界限取值：以C定位標(biāo)簽a(x0，y0)為圓心，R1=d0+Q?=d0+2.8 m為半徑，形成電子圍欄-報(bào)警邊界；以C定位標(biāo)簽a(x0，y0)為圓心，R2=d0+Q″=d0+3.8 m為半徑，形成電子圍欄-預(yù)警邊界。

3.4 人員機(jī)械防碰撞的告警設(shè)定

行走類機(jī)械設(shè)備：在機(jī)械設(shè)備行進(jìn)影響范圍(機(jī)械設(shè)備計(jì)算外邊界)外一定范圍(Q1+Q2)的矩形區(qū)域設(shè)置二級(jí)碰撞預(yù)警圍欄；在機(jī)械設(shè)備行進(jìn)影響范圍(機(jī)械設(shè)備計(jì)算外邊界)外一定范圍(Q1)的矩形區(qū)域設(shè)置一級(jí)碰撞報(bào)警圍欄。

旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備：在機(jī)械設(shè)備回轉(zhuǎn)影響范圍(回轉(zhuǎn)計(jì)算外邊界)外一定范圍(R2-d0)的圓形區(qū)域設(shè)置二級(jí)碰撞預(yù)警圍欄；在機(jī)械設(shè)備回轉(zhuǎn)影響范圍(回轉(zhuǎn)計(jì)算外邊界)外一定范圍(R1-d0)的圓形區(qū)域設(shè)置一級(jí)碰撞報(bào)警圍欄。

3.5 機(jī)械設(shè)備電子圍欄的啟停

機(jī)械設(shè)備在移動(dòng)的情況下，電子圍欄啟動(dòng)；機(jī)械設(shè)備在靜止的狀態(tài)下，電子圍欄關(guān)閉。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)UWB定位的人機(jī)防碰撞技術(shù)的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真測(cè)試，在進(jìn)行仿真驗(yàn)證之前，需要對(duì)無人機(jī)和障礙物進(jìn)行標(biāo)定，通過運(yùn)動(dòng)跟蹤軟件 Motive實(shí)現(xiàn)，在攝像機(jī)標(biāo)定完成后，再將反光貼到無人機(jī)上，方便跟蹤。執(zhí)行初始化處理操作，數(shù)據(jù)采集單元激活。采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，障礙共有5個(gè)，所處位置分別為(30,35)、(65,60)、(90,100)、(75,20)和(40,105)，半徑為10 m。假設(shè)UWB定位的人機(jī)防碰撞的參數(shù)設(shè)置為k5x5-y5+b5。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)防碰撞的技術(shù)融合，得到人機(jī)防碰撞定位系統(tǒng)誤差如圖4所示。

圖4 人機(jī)防碰撞定位系統(tǒng)誤差

根據(jù)圖4所示，傳統(tǒng)方法的定位系統(tǒng)誤差最高達(dá)到70%，而本文方法的定位系統(tǒng)誤差為9%。由此可知，本文方法的定位誤差更低，所研究的技術(shù)更穩(wěn)定。測(cè)試人機(jī)防碰撞技術(shù)得到傳輸數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度分析如圖5所示。

圖5 人機(jī)碰撞數(shù)據(jù)傳輸精度對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖5得知，本文方法的數(shù)據(jù)傳輸精度高達(dá)80%，傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)傳輸精度為23%。本文方法的數(shù)據(jù)傳輸精準(zhǔn)度明顯高于傳統(tǒng)方法，由此可知，本文方法的人機(jī)碰撞技術(shù)更具有效性，且適用性更強(qiáng)。

5 結(jié)束語

通過安裝在機(jī)械設(shè)備上的車載定位標(biāo)簽，實(shí)時(shí)生成虛擬電子圍欄，在保證定位精度的前提下，與安裝在機(jī)械設(shè)備上的定位基站生成電子圍欄相比，有效降低了投入成本、維護(hù)成本，尤其在復(fù)雜工況下存在多個(gè)交叉虛擬電子圍欄時(shí)，其優(yōu)勢(shì)明顯。若定位基站覆蓋范圍廣，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)的所有大型機(jī)械設(shè)備安裝車載定位標(biāo)簽后，可同時(shí)監(jiān)控覆蓋范圍內(nèi)的所有人員、機(jī)械設(shè)備，對(duì)碰撞預(yù)防效果明顯，不留死角。同時(shí)，通過定位標(biāo)簽生成的虛擬電子圍欄，在觸發(fā)碰撞報(bào)警時(shí)，報(bào)警信息可以通過場(chǎng)區(qū)定位基站所處局域網(wǎng)，實(shí)時(shí)同步到解算服務(wù)器和后臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)督、控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析。城市軌道交通建設(shè)工程施工現(xiàn)場(chǎng)采用基于UWB定位實(shí)現(xiàn)人機(jī)防碰撞，是實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)定位、智能計(jì)算和及時(shí)預(yù)警的積極嘗試，為避免現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況下人員與施工機(jī)械設(shè)備碰撞、擠壓和碾壓等事故的發(fā)生，提供了新的解決思路。