基于UWB定位技術(shù)的建筑工地人員安全管理系統(tǒng)

張 力，羅炬鋒，單聯(lián)海

（1.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上海 201899；2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；3.云池網(wǎng)絡(luò)科技（上海）有限公司，上海 200030）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的高速增長，城市化進(jìn)程不斷加快，基建投資急劇增多，超大規(guī)模、超高層建筑如雨后春筍般在各大城市拔地而起。超高層建筑可緩解城市土地資源日益緊缺的壓力，已成為當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。超高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，施工過程涉及大量高空作業(yè)和臨邊作業(yè)等項(xiàng)目，同時(shí)還存在多工種交叉作業(yè)的情況，加之施工人員不熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、操作不規(guī)范、安全防范措施不到位等因素影響，極易引發(fā)如高墜、觸電、物體打擊、機(jī)械傷害等安全事故，其中高墜事故占據(jù)極大比重。研究和采取科學(xué)有效的預(yù)防措施，減少甚至杜絕上述事故的發(fā)生，對(duì)于保障建筑施工人員人身安全、提升建筑施工企業(yè)社會(huì)形象、推進(jìn)建筑施工安全文明標(biāo)準(zhǔn)化都具有重要意義。

在引發(fā)建筑施工安全事故的眾多因素中，施工人員的不安全行為是重要誘因。由于現(xiàn)場(chǎng)施工人員眾多、素質(zhì)良莠不齊，傳統(tǒng)的安全管理手段中，入場(chǎng)安全教育能在一定程度上提高人員安全意識(shí)，但不能有效約束或監(jiān)督其在施工現(xiàn)場(chǎng)的不安全行為；而以定期現(xiàn)場(chǎng)安全檢查為代表的傳統(tǒng)安全監(jiān)督檢查機(jī)制，無法對(duì)人員不安全行為進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，亦難以滿足現(xiàn)實(shí)需要。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文提出一種基于超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）定位技術(shù)的建筑工地人員安全管理系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)獲取的施工人員精確位置信息，隨時(shí)掌握人員位置、活動(dòng)軌跡及各區(qū)域人員分布情況，對(duì)人員靠近或滯留危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行提醒和預(yù)警，預(yù)防和減少高墜等安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的信息化與智能化。

1 系統(tǒng)方案

1.1 UWB定位技術(shù)

超高層建筑物一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星信號(hào)難以到達(dá)其內(nèi)部，因此傳統(tǒng)的室外衛(wèi)星定位技術(shù)如GPS定位技術(shù)不適用于本文討論的應(yīng)用場(chǎng)景。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境下的定位，目前的主流方案主要基于WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、紅外線、RFID、UWB等技術(shù)。與其他幾種無線技術(shù)相比，UWB技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑效應(yīng)好、測(cè)距精度高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的移動(dòng)目標(biāo)定位，因而在室內(nèi)定位系統(tǒng)方案中倍受青睞。UWB定位技術(shù)的基本原理是利用在室內(nèi)環(huán)境中部署若干能接收UWB脈沖信號(hào)的定位基站，定位對(duì)象（人員或物品）攜帶或安裝可發(fā)送UWB脈沖信號(hào)的定位標(biāo)簽，由于定位標(biāo)簽發(fā)送的脈沖信號(hào)到達(dá)各定位基站的時(shí)間不同，故后臺(tái)定位算法將利用該時(shí)間差來計(jì)算定位標(biāo)簽的位置，一般選用基于到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival,TOA）或到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival,TDOA）的方法。不同定位技術(shù)的對(duì)比見表1所列，可以看出，UWB定位技術(shù)能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度，可以滿足建筑施工現(xiàn)場(chǎng)人員精確定位的需求。

表1 不同室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比[4]

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)自下而上可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

感知層包含2類終端，即定位終端和圖像采集終端。其中，定位終端主要包含若干用于確定位置安裝的定位基站和施工人員隨身攜帶的定位標(biāo)簽?；緮?shù)量一般不少于3個(gè)，且其中1個(gè)為主基站，其余為從基站。主基站負(fù)責(zé)定時(shí)向從基站發(fā)送時(shí)鐘同步信號(hào)，以保證主、從基站間的時(shí)鐘同步，基站可以通過以太網(wǎng)供電（Power over Ethernet,POE）或通過直流電源供電，并通過網(wǎng)絡(luò)層的有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)向應(yīng)用層后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。定位標(biāo)簽使用電池供電，且內(nèi)置加速度傳感器，當(dāng)其長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠模式以減少電量消耗，若標(biāo)簽發(fā)生移動(dòng)則自動(dòng)進(jìn)入喚醒模式，并以一定頻率向各基站發(fā)送包含標(biāo)簽ID、發(fā)送時(shí)間戳、發(fā)包序號(hào)等信息的定位數(shù)據(jù)包。圖像采集終端主要為攝像頭，其以POE方式供電，通過網(wǎng)絡(luò)層有線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像數(shù)據(jù)。應(yīng)用層的后臺(tái)服務(wù)器收到定位基站發(fā)來的定位數(shù)據(jù)后，參考各基站的位置坐標(biāo)，利用定位算法計(jì)算出定位標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，并通過客戶端電腦、大屏幕、報(bào)警器等終端設(shè)備提供實(shí)時(shí)定位結(jié)果顯示、歷史軌跡查詢、視頻聯(lián)動(dòng)查看、危險(xiǎn)行為預(yù)警等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要針對(duì)UWB定位基站和定位標(biāo)簽，下面分別對(duì)其核心模塊及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹。

2.1 定位基站

定位基站的核心模塊包括主控模塊、UWB模塊、通信模塊和電源管理模塊，硬件框架如圖2所示。

圖2 定位基站硬件框架

主控模塊負(fù)責(zé)為UWB模塊提供相關(guān)時(shí)序及數(shù)據(jù)交互，并通過控制通信模塊實(shí)現(xiàn)定位基站與后臺(tái)服務(wù)器間的通信。主控模塊核心元件采用意法半導(dǎo)體公司出品的超低功耗32位微控制器STM32L152C8，該芯片基于高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)32 MHz，具有128 KB的程序存儲(chǔ)空間和16 KB的運(yùn)行內(nèi)存，擁有多種通信接口，如IC、SPI、USART、USB等，及豐富的可編程I/O以及A/D、D/A資源，具備低至0.3 μA的低功耗待機(jī)模式和9 μA的低功耗運(yùn)行模式。這款芯片具有處理速率快、功耗低、體積小、成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用作各類物聯(lián)網(wǎng)感知終端的微控制器。

UWB模塊主要包含一塊UWB無線收發(fā)芯片以及通過射頻電路與之相連的內(nèi)置式全向平面天線。UWB無線收發(fā)芯片采用DecaWave公司出品的DW1000，該芯片符合IEEE802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)，抗多徑衰落能力強(qiáng)，具有可編程射頻功率輸出功能，支持最高6.8 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，睡眠模式電流為1 μA，在實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（Real Time Location System,RTLS）中支持高標(biāo)簽密度，定位精度可達(dá)厘米級(jí)，其通過SPI總線與主控模塊中的微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

通信模塊為定位基站提供有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，由以太網(wǎng)模塊和WiFi模塊組成。其中，以太網(wǎng)模塊核心元件為德州儀器公司出品的TM4C129，該芯片內(nèi)部包含以太網(wǎng)物理層的10BASE-T/100BASE-TX以太網(wǎng)控制器以及12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，無需外界物理層芯片就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信；WiFi模塊核心元件為GainSpan公司出品的GS2101，這是一款高集成度超低功耗WiFi模塊，支持IEEE 802.11b/g/n無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，最高無線速率為65 Mb/s，具有豐富的接口資源，可提供靈活、可靠、安全的無線網(wǎng)絡(luò)連接。通信模塊通過串口與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

電源管理模塊利用POE供電轉(zhuǎn)換電路和直流穩(wěn)壓電路為定位基站中各模塊提供穩(wěn)定的直流電源。定位基站實(shí)物及其安裝效果如圖3所示。

圖3 定位基站實(shí)物及其安裝效果示意圖

2.2 定位標(biāo)簽

定位標(biāo)簽的核心模塊包括主控模塊、UWB模塊、移動(dòng)偵測(cè)模塊和電源管理模塊，硬件框架如圖4所示。

圖4 定位標(biāo)簽硬件框架

定位標(biāo)簽主控模塊以及UWB模塊中的微控制器、UWB無線收發(fā)芯片采用了和定位基站相同的方案，不同之處在于，為了將定位標(biāo)簽做得盡可能小從而保證其便攜性，定位標(biāo)簽UWB模塊中的天線采用了體積更小的板載陶瓷天線；同時(shí)，在DW1000芯片和天線之間增加了一個(gè)功率放大器（Power Amplifier,PA），當(dāng)標(biāo)簽與基站的直接通信路徑上存在遮擋時(shí)，標(biāo)簽射頻信號(hào)能更容易被基站接收，從而提升系統(tǒng)的抗干擾能力。

移動(dòng)偵測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)定位標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)定位標(biāo)簽從長時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生移動(dòng)時(shí)，將標(biāo)簽從低功耗休眠模式喚醒。其核心元件為ADI公司出品的ADXL362，這是一款超低功耗、高分辨率三軸加速度計(jì)，能以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。移動(dòng)偵測(cè)模塊通過SPI總線與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

電源管理模塊主要包括一塊鋰電池以及電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓檢測(cè)電路等，負(fù)責(zé)為定位標(biāo)簽供電，并在主控模塊的支持下提供電池電量檢測(cè)等功能。

定位標(biāo)簽實(shí)物及其安裝效果如圖5所示。

圖5 定位標(biāo)簽實(shí)物及其安裝效果示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)管理平臺(tái)

系統(tǒng)管理平臺(tái)根據(jù)應(yīng)用需求采用模塊化設(shè)計(jì)，基于B/S架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，主要由定位引擎、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、事件管理、應(yīng)用服務(wù)五大功能模塊組成。平臺(tái)功能框架如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)管理平臺(tái)功能框架

定位引擎模塊：作為系統(tǒng)的核心功能模塊，負(fù)責(zé)對(duì)定位終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，基于定位軟件算法完成主、從基站間的時(shí)鐘同步，以及對(duì)定位標(biāo)簽的位置解算與軌跡補(bǔ)償?shù)葍?yōu)化處理，并根據(jù)定位解算結(jié)果對(duì)靠近或長時(shí)間滯留危險(xiǎn)區(qū)域的警情事件做出判決。

系統(tǒng)管理模塊：包括用戶管理（用戶登錄、用戶權(quán)限等）、基于信息整合的報(bào)表管理、系統(tǒng)服務(wù)管理與集成管理等。

數(shù)據(jù)管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)定位終端等設(shè)備信息與實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)控區(qū)域地圖數(shù)據(jù)以及報(bào)警記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分類、統(tǒng)計(jì)、查詢等功能。

事件管理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警事件詳情、事件處理狀態(tài)以及設(shè)備與系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)記錄的管理，同時(shí)提供相關(guān)消息通知功能。

應(yīng)用服務(wù)模塊：依托后臺(tái)客戶端電腦、大屏幕，以及安裝在現(xiàn)場(chǎng)警戒區(qū)域的報(bào)警器等終端設(shè)備，在定位引擎模塊的支持下實(shí)現(xiàn)定位結(jié)果展示、歷史軌跡查詢、視頻聯(lián)動(dòng)查看、危險(xiǎn)行為預(yù)警等功能，同時(shí)提供開放應(yīng)用程序接口，便于二次開發(fā)以及與其他平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.2 終端軟件流程

定位基站軟件處理流程如圖7所示?；痉譃橹骰竞蛷幕?，主基站定時(shí)向各從基站發(fā)送時(shí)鐘同步信號(hào)作為所有基站的時(shí)鐘同步基準(zhǔn)，各從基站接收到時(shí)鐘同步信號(hào)后，標(biāo)記各自的接收時(shí)間戳并將其封裝為時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)包，然后通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)上傳至后臺(tái)服務(wù)器。主、從基站接收到定位標(biāo)簽發(fā)送的定位數(shù)據(jù)幀后，標(biāo)記各自的接收時(shí)間戳并將其封裝為定位數(shù)據(jù)包，然后通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器的定位引擎模塊利用相關(guān)算法完成主、從基站的時(shí)鐘同步參數(shù)計(jì)算，以及標(biāo)簽位置解算等。

圖7 基站軟件處理流程

定位標(biāo)簽軟件處理流程如圖8所示。標(biāo)簽上電后初始狀態(tài)為低功耗休眠模式，當(dāng)移動(dòng)偵測(cè)模塊偵測(cè)到標(biāo)簽發(fā)生移動(dòng)時(shí)，標(biāo)簽被喚醒，并開始以預(yù)設(shè)頻率向各定位基站發(fā)送定位數(shù)據(jù)幀，同時(shí)持續(xù)偵測(cè)標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若標(biāo)簽超過一定時(shí)間未發(fā)生新的移動(dòng)則重新進(jìn)入低功耗休眠模式。

圖8 標(biāo)簽軟件處理流程

3.3 定位解算算法

本系統(tǒng)采用TDOA算法來完成定位標(biāo)簽的位置解算。與TOA算法相比，TDOA算法無需基站和標(biāo)簽保持時(shí)間同步，只需要各基站間保持時(shí)間同步即可，因此更容易實(shí)現(xiàn)。TDOA算法又被稱為雙曲線定位法，如圖9所示?；驹恚涸诟鞫ㄎ换疚恢米鴺?biāo)數(shù)據(jù)已知的條件下，利用UWB信號(hào)從定位標(biāo)簽到達(dá)不同基站所產(chǎn)生的多組時(shí)間差，經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算得到標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。

圖9 TDOA算法示意圖

若定位基站i(i=1,2,...,n,n≥3)的位置坐標(biāo)(x,y)已知，待求解的定位標(biāo)簽坐標(biāo)為(x,y)，假設(shè)t為UWB信號(hào)從標(biāo)簽到基站i的傳輸時(shí)間，d為標(biāo)簽與基站i之間的距離，以基站1作為時(shí)鐘參考基站，利用上述參數(shù)可以建立如下雙曲線方程組：

式中，c為電磁波傳播速度。

當(dāng)n=4時(shí)，式（1）可以轉(zhuǎn)換為矩陣特征方程：

利用最小二乘法求解可得：

通過上述方法可以得到標(biāo)簽位置坐標(biāo)的初步估計(jì)值，在實(shí)際應(yīng)用中可以進(jìn)一步利用Chan氏算法，通過多步加權(quán)最小二乘法對(duì)定位誤差進(jìn)行修正。同時(shí)，采用卡爾曼濾波算法消除信號(hào)傳遞過程中的干擾，從而減小非視距傳播時(shí)由于障礙物阻擋所產(chǎn)生的誤差。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試在某寫字樓空置的13樓部分區(qū)域進(jìn)行，該區(qū)域包含一個(gè)面積近200 m的房間以及一段長約30 m的走廊。在測(cè)試區(qū)域以相同高度部署了8個(gè)定位基站，其中房間內(nèi)5個(gè)，走廊上3個(gè)。經(jīng)過詳細(xì)的測(cè)繪，確定8個(gè)基站以m為單位的平面坐標(biāo)分別為（7.42，1.93），（16.97，1.71），（25.07，1.87），（7.42，9.16），（29.16，11.09），（0.2，11.09），（7.42，11.24），（29.16，11.09）。由測(cè)試人員攜帶定位標(biāo)簽在測(cè)試區(qū)域隨意走動(dòng)，通過后臺(tái)測(cè)試軟件查看實(shí)時(shí)定位結(jié)果。測(cè)試軟件界面如圖10所示，為方便比較，將現(xiàn)場(chǎng)同一時(shí)刻視頻截圖疊加于軟件界面截圖之上，圖中虛線框標(biāo)注區(qū)域?yàn)槎ㄎ粚?shí)驗(yàn)測(cè)試區(qū)域。圖10顯示，通過定位軟件可以查看標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置及其歷史軌跡。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試軟件界面

選取了10個(gè)位置作為測(cè)試點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)軟件計(jì)算得到的測(cè)試點(diǎn)定位標(biāo)簽坐標(biāo)，參考現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的真實(shí)坐標(biāo)，計(jì)算系統(tǒng)定位誤差，測(cè)試結(jié)果見表2所列（表中數(shù)據(jù)單位均為m）。

表2 定位實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 m

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)定位誤差在20 cm以內(nèi)，能夠滿足建筑施工現(xiàn)場(chǎng)人員精確定位需求。

為了測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際使用效果，在建設(shè)中的寧波新世界廣場(chǎng)5#地塊在建高層建筑“寧波塔”（總建筑面積16.9萬平方米，最大高度249 m）內(nèi)建筑工地搭建了演示系統(tǒng)，其軟件界面如圖11所示?，F(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠?qū)y帶定位標(biāo)簽的施工人員進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)定位跟蹤，并且能夠?qū)θ藛T靠近電梯井、高壓設(shè)備、樓面邊緣等危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行及時(shí)報(bào)警提醒。

圖11 高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)演示系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位結(jié)果與同步視頻圖像

5 結(jié) 語

積極利用信息化手段提升高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的安全保障水平正逐漸成為行業(yè)共識(shí)。本文提出的基于UWB定位技術(shù)的建筑工地人員安全管理系統(tǒng)，充分利用UWB定位技術(shù)厘米級(jí)的高精度特性，基于施工現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，可對(duì)人員靠近或滯留危險(xiǎn)區(qū)域的行為進(jìn)行提醒和預(yù)警，有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理的信息化與智能化，有力保障高層建筑施工項(xiàng)目中施工人員的人身安全，提高項(xiàng)目安全管理部門的工作效率，助力建筑施工安全文明標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于大型車間、倉庫、商場(chǎng)、博物館、展覽館等場(chǎng)所的人員與物品的定位和管理，具有廣闊的市場(chǎng)前景。