0 引言

　　隧道施工项目是集多种复杂学科的系统工程，具有隐蔽性大、技术复杂、工作面大、作业空间有限、建设工期长、地质状况变化莫测等特点。隧道施工事故频发，隧道内环境恶劣，因施工的特殊性和复杂性，隧道事故往往具有突发性和不可预见性，后果较严重。如何保证工人生命安全是隧道施工建设的首要问题。当前隧道建设中缺乏信息化、智能化的管理手段，使管理人员不能实时全面掌握隧道生产进度、设备、环境、人员位置及分布等信息，无法及时采取有效应急措施，易导致安全事故，因此迫切需要系统研究各类隧道工程施工安全的系列保障技术，降低事故发生概率。

　　随着无线通信技术的发展，各类新兴无线网络技术(Wi Fi,Zig Bee,RFID,UWB,BlueTooth)在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活中得到应用。基于无线网络定位技术的应用更具有发展前景，而在应用于隧道工程的人员定位技术中，由于隧道工程的特点，许多无线技术受到限制，并不适合隧道工程。

　　针对隧道工程施工阶段面临的管理和安全问题，将定位系统引入施工监控管理领域，对施工现场生产要素进行定位、跟踪、监控，并将信息数据及时传送给计算机，经过处理后，将相关施工状况反馈给管理者，为管理过程提供便利;此外隧道施工现场是由各种人员、材料、施工机械构成的复杂、无序系统环境，每时每刻都产生各种施工信息，极易导致工程事故，通过广联达隧道定位系统定位、跟踪、监控人材机等，可及时发现并处理隧道工程事故。

　　在深入研究各类隧道工程应用场景基础上，推出可商用且具有普适性的隧道内全程无线数据传输高精度人员定位系统，为隧道施工全过程提供一维线性的高精度人员定位服务，提高管理效率，提升安全保障。

　　1 定位技术

　　在基于位置的服务中，移动用户的定位最基础，定位实现方式及原理如图1所示。

　　图1 定位的实现方式及原理 

　　2 方案选择

　　通过调研，隧道内人员对位置服务的基础需求如下:实时提供人员的高精度一维位置展示与精准考勤，定位服务覆盖施工全过程。结合上述需求，在隧道施工应用场景中评估以下人员定位技术方案。

　　2.1 人员定位技术方案

　　2.1.1 被动定位

　　1)利用RSSI(received signal strength indication接收信号强度)的蓝牙，Zigbee,Wi Fi定位系统RSSI具有不确定性，使RSSI与物理位置的映射关系不是一一对应的，而是复杂、非线性、多对多的映射关系，严重影响定位精度。

　　2)基于编码发射和接收的超声波定位系统超声波定位技术基于超声波编解码技术的多用户精确定位，利用超声学、信号处理和通信领域技术，在隧道环境内使用的超声换能器体积较大，因此标签端体积较大。

　　3)基于脉冲无线电超宽带(UWB)技术的高精度定位系统UWB作用频率在3.1～10.6GHz，信号功率谱密度极低，脉冲宽度极窄，基带脉冲携带信息占用极大的带宽。UWB技术中良好的时间分辨率对多径效应不敏感，因此距离分辨率精度高于其他系统。UWB脉冲宽度大致为纳秒级或亚纳秒级，理论上能达到厘米级或毫米级的定位精度。

　　2.1.2 主动定位

　　基于捷联惯导的自主定位系统，以自主导航、不需额外设施的优点，受到导航工业界和学术界的关注与研究。利用IMU(惯性测量单元)输出的三轴加速度计数据、三轴陀螺数据、三轴磁罗盘数据及气压传感器输出数据、温度传感器输出数据，进行一系列数字信号处理，计算携带IMU物体的运动轨迹。但高精度IMU传感器价格昂贵，不适合在建筑施工场景中大范围推广。

　　基于上述考虑，选择UWB高精度定位方案。完整的定位系统包括定位子系统和数据传输子系统及展示平台。在隧道定位系统中，定位子系统选择UWB高精度定位方案;数据子系统第1代产品采用有线数据传输方案，第2代产品升级为全程无线数据传输方案。

　　2.1.3 UWB定位子系统

　　UWB定位关键在于测距技术，即需要测出UWB基站和UWB标签间的距离，从而解算UWB标签坐标。实现测距的原理如下:基于到达时间(TOA)、基于飞行时间(TOF)、基于到达时间差(TDOA)、基于接收信号强度指示(RSSI)、基于到达角度(AOA)等。一般UWB定位系统采用TOF,TOA,TDOA方式，能有效利用UWB信号良好的时间分辨率。

　　TOA测距方式通过每个UWB基站和UWB标签间的多次通信实现;基于TOF的测距方式与基于TOA的测距方式本质相同，而TOF测距不依赖基站与标签的时间同步，故没有时钟同步偏差带来的误差，但TOF测距方法的时间取决于时钟精度，时钟偏移带来误差，因此为减少时钟偏移量造成的测距误差，通常采用正反2个方向的测量方法，即远端基站发送测距信息，标签接收测距信息并回复，然后再由标签发起测距信息，远端基站回复，通过求取飞行时间平均值，减少两者间的时间偏移，从而提高测距精度;基于TDOA的测距方式，通过测量UWB信号从UWB标签到2个UWB基站间传播时间的差值，得到标签到2个基站间的固定距离差，TDOA算法是对TOA算法的改进，并不直接利用信号到达时间，而利用多个基站接收到信号的时间差确定移动目标位置，因此相比TOA，并不需要加入专门的时间戳进行时钟同步，相对提高定位精度。

　　结合隧道施工应用场景，需提供一维线性高精度定位。在UWB基站和UWB标签间无遮挡的情况下，每个UWB标签能被相邻的2个UWB基站扫描，可采用TDOA方式进行测距及定位;但在真实的隧道环境中，UWB基站和UWB标签间可能被遮挡，且在一些定位高价值区域仅能安装1个基站，即UWB标签在一些特定场景下仅可能被1个UWB基站扫描到，此时需通过TOF方式进行测距及定位。因此此系统方案能同时支持TDOA及TOF方式，且两者无缝切换。

　　2.1.4 数据传输子系统

　　第1代隧道定位产品采用UWB高精度定位，结合全程有线数据传输方案，如图2所示。

　　图2 传输方案 

　　4 000m长的隧道内，在满足视距范围的前提下，UWB基站部署间隔大致是80m，每3台基站使用有线方式连接1台交换机，大致每根2芯光纤上串联5台交换机。

　　UWB高精度定位结合全程有线数据传输方案的最大问题是实施安装运维的不便捷性。隧道内的定位服务需覆盖施工全过程，随着施工进度，需在新掘进的环境内部署有线网络、安装的设备(交换机及UWB基站)，且工艺阶段还需拆掉原先的有线网络和设备，该工艺阶段结束后再重新部署有线网络及安装设备;因此实施安装运维的过程需消耗大量人力成本和时间成本。因此在第2代产品中，采用全程无线数据传输方案，整套系统易部署、易维护。

　　2.2 UWB(脉冲无线电超宽带技术)技术特点

　　超宽带技术采用极窄的脉冲信号实现无线通信，称之为脉冲无线电，信号相对带宽≥0.2，绝对带宽≥500MHz，而无线电信号的距离分辨力直接关系信号带宽，由宽带特性可知，UWB系统距离分辨精度比窄带无线系统高。所用脉冲宽度为纳秒级或亚纳秒级，理论上可获得厘米级甚至毫米级的测距精度。UWB系统发射的是持续时间极短且占空比很低的窄脉冲，因此多径信号在时间上可以分离。此外，UWB采用跳时扩频信号，系统具有较宽阔的频带，根据香农公式，在信道容量C一定的情况下，高带宽可降低信噪比，因此UWB具有很强的抗干扰性。

　　2.3 隧道内人员高精度定位方案

　　整套方案结合UWB高精度定位技术、全程无线数据传输技术、BIM及边缘计算技术(见图3)。

　　3 系统形态

　　隧道施工应用场景主要分2种:(1)地上隧道，如开山隧道;(2)地下隧道，如地铁隧道。整套系统包含的硬件设备及功能如下:(1)定位标签采用UWB实现定位功能，具有上行报警按键，下行报警振动提示功能，具有可拆卸电池;(2)基站主基站具有Wi Fi功能，将收集的从基站及标签信息，传送给数传网关;从基站没有Wi Fi功能，通过与标签通信，实现标签定位功能;(3)核心网关通过Wi Fi无线收集基站及标签信息，通过4G将信息传送给云端或以太网传送给项目部监控服务器;对标签进行低功耗管理;(4)数传网关通过Wi Fi无线收集基站及标签信息，并通过Wi Fi转发给核心网关。

　　图3 隧道定位方案 

　　整套系统包含4G(如果项目现场洞口没有以太网络，需做本地化部署以太网络)、Wi Fi、UWB、2.4G、蓝牙网络。系统内各层级网络如图4所示。系统包含的基础设备如下:待定位的UWB标签(UWB模块+蓝牙SOC+惯导+锂电池)，主基站(UWB模块+2.4GHz数传模块+蓝牙模块+STM32+Wi Fi模块)，从基站(UWB模块+2.4GHz数传模块+蓝牙模块+STM32)，数传网关(工业级Wi Fi中继)，核心网关(4G路由(包含4GWLAN+Wi Fi模块+有限LAN)+解算单元(嵌入式的Linux电路板)+UWB模块)。

　　在开山隧道应用场景中，洞口部署1个核心网关及1个主基站。由于核心网关和主基站两两可视，因此核心网关和主基站间不安装数传网关;在两两可视的前提下基站和基站间距为80～100m;最后1个基站距作业面需>100m。

　　在地铁隧道应用场景中，竖井地上洞口部署1个核心网关。竖井和横通道交汇处安装1个数传网关;在每个子导洞的洞口安装主基站;两两可视的前提下基站和基站间距80～100m;最后1个基站距作业面需>100m。

　　4 门槛优势

　　相对第1代隧道定位产品UWB高精度定位结合全程有线数据传输系统，第2代隧道定位产品UWB高精度定位结合全程无线数据传输系统具有以下优势。

　　图4 系统内各层级网络 

　　1)整套系统易部署、易维护全程无线数据传输，各类设备仅需接电，无需布线;整套系统网络全部属于无线网络，设备通电后，网络自动连接，即装即用;隧道内各子导洞的基站全部自动标定;各设备可在线升级;各设备即支持数据上传云端进行交互，也支持隧道现场内通过蓝牙连接施工工具进行交互。

　　2)定位高价值区域能完成单基站的高精度定位隧道施工场景中有定位高价值区域，该区域距掌子面约100m，在该范围内最易发生事故。隧道掘进过程中，掌子面可能需要进行爆破等操作，因此掌子面不能安装基站，需距掌子面100m外才能安装基站，在100多m范围内，需使用单基站完成高精度定位。本系统方案中TDOA及TOF两者方式同时支持，且无缝切换。使用TDOA和TOF相融合的方式实现无论定位在一般价值区域还是高价值区域，均提供高精度定位服务能力。

　　定位一般价值区域的方法如下:UWB定位网络中信号通信是单向广播，标签接收2个基站发送的UWB信号，双基站测距，标签本地计算2个距离值，然后做一维坐标解算。定位高价值区域的方法如下:UWB定位网络中信号是双向通信，标签接收到1个基站发送的UWB信号，单基站测距，标签本地计算1个距离值，加上先验信息约束，做一维坐标解算。

　　3)定位标签外观结构设计降低管理成本定位标签的电池和电路板分离式设计极大程度上降低管理成本。如果标签电池和电路板采用一体化设计，需要充电，则需从帽子上取出标签，对标签整体进行充电，充电结束后，把标签发给工人，需把标签和工人进行一一对应，增加管理成本;且如果充电时间过长，定位服务会中断，影响使用。因此采用标签的电池和电路板分离式设计，管理成本低，仅需更换电池，且不影响定位服务使用。

　　5 试点案例

　　隧道内全程无线数据传输的高精度人员定位系统，在中铁五局张吉怀铁路凤凰隧道进口项目中得到成功应用。

　　5.1 项目介绍

　　张吉怀铁路凤凰隧道进口项目全长2 100m，目前已部署15个基站，为1 240m范围提供高精度定位服务。其中13个基站安装在已做好二衬的墙面上，另外2个基站安装在防水板台车和二衬台车上，二衬台车上的基站是最后1个基站，此基站距掌子面约140m。

　　5.2 系统功能

　　整套系统提供的业务功能包括实时精准定位、精准考勤、轨迹回放、预警管理和人员实名制。

　　1)实时精准定位工人位置信息实时呈现在展示页面上，同时展示页面能实时展示施工进度，如二衬台车位置、掌子面位置、拱墙初支、砌衬位置、仰拱初支、砌衬位置等。

　　2)精准考勤本系统能展示工人的精准考勤信息，包括工人进洞出洞精准时间、洞内工作时长、当天运动轨迹等。

　　3)轨迹回放在屏幕上，可按时间、标签ID、不同播放速率动态回放历史轨迹数据。

　　4)预警管理本系统预警管理支持双向报警:(1)现场到云端的报警隧道内工人主动或被动向云端发送报警信息(主动报警时，工人按动标签上的报警按钮，自主一键报警;被动报警时，电子围栏闯入报警、定位标签的低电量报警)，系统上报云端工人当前位置，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;处警流程首先在平台端点击报警处理，其次短信推送给相关接口人(在后台通知中心输入接口人手机号);(2)云端到现场的通知云端将报警信息按定位标签ID下发给隧道内的相应工人，对应ID工人所佩定位标签上的振动器发生振动，同时定位标签上的红色灯快速闪烁。

　　通过系统后台设置电子围栏区域，针对该电子围栏区域对不同定位标签设置权限。当禁止进入该电子围栏区域的标签进入时，标签发生振动和红灯快闪提醒工人。

　　5)人员实名制通过专业设备获取工人身份证信息，人证合一，实现工人的实名制登记，进行实名制作业。

　　6 结语

　　隧道定位产品采用UWB高精度定位技术结合全程无线数据传输技术，为隧道施工全过程提供高精度一维线性定位服务。本系统易实施、易维护，对开山隧道及地铁隧道具有普适性。