林章 吳迪

（1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院，浙江杭州 311231；2.杭州中美華東制藥有限公司，浙江杭州 310011）

城市地下綜合管廊是將市政、電力、通信、燃氣、供水排水、熱力等各種管線集于一體的城鎮(zhèn)綜合管線工程[1]。由于管廊施工周期長、空間狹窄、施工人員眾多，施工過程中容易出現(xiàn)各種問題。綜合管廊施工完成后，還需要專人定期和不定期地對管廊進行巡檢和維護等工作。地下管廊內(nèi)部情況復雜，人員進入管廊后存在風險，在管廊施工階段和后期運行維護階段，都需要對管廊中的人員位置進行精準定位、安全監(jiān)管，保證人員人身安全。本文設(shè)計一套完善可靠的城市地下綜合管廊人員定位系統(tǒng)，通過對管廊建設(shè)中的施工人員、運維檢修中的巡檢人員進行實時精準定位，實現(xiàn)對管廊中巡檢及維修人員實時定位追蹤、歷史移動線路查詢、智能巡檢、一鍵緊急求助、考勤等功能，大幅度提升施工期間安全性、提高施工效率，全面保證管廊內(nèi)施工人員及巡檢人員安全，降低管廊運行維護管理難度。

1 方案比較

一般定位系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行精準定位，其技術(shù)較為成熟、使用成本低。綜合管廊處在地下，傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號無法傳到地下或信號較弱無法達到精準定位的要求，所以城市地下綜合管廊、大型室內(nèi)商場和地下停車場等場所，都利用室內(nèi)定位系統(tǒng)進行定位。室內(nèi)定位是傳統(tǒng)室外衛(wèi)星定位系統(tǒng)的一個重要補充，可以應(yīng)用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號無法到達的室內(nèi)環(huán)境。

目前，世界上已有許多研究者研究出了先進的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)[2]。室內(nèi)定位系統(tǒng)分為定位硬件和定位算法。室內(nèi)定位硬件一般采用WiFi網(wǎng)絡(luò)、紅外線、RFID識別與超聲波等傳感器技術(shù)，需要根據(jù)具體實際系統(tǒng)進行選擇。目前較為流行的室內(nèi)定位算法有兩類，即基于測距（range-based）的距離相關(guān)算法、不基于測距（range-free）的距離無關(guān)算法。距離相關(guān)算法包括基于RSSI值測距、到達時間（TOA）、達到時間差（TDOA）和到達角度（AOA）等方法，精度較高[3-4]。距離無關(guān)定位算法包括質(zhì)心算法、DV-Hop算法等，精度低于距離相關(guān)算法。

2 總體設(shè)計

結(jié)合城市地下綜合管廊處于地下、長度長、阻擋物多、環(huán)境復雜等特點。本文針對管廊特點設(shè)計人員定位系統(tǒng)，硬件部分包括超聲波收發(fā)模塊、485通信模塊和后臺控制處理中心，算法采用三邊測量定位法。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超聲波收發(fā)節(jié)點數(shù)根據(jù)管廊的實際長度確定，所有節(jié)點通過485總線連接到RS485轉(zhuǎn)USB模塊上，最終與后臺控制處理中心相連。后臺控制處理中心發(fā)出對應(yīng)超聲波收發(fā)節(jié)點開啟距離信息采集指令或關(guān)閉指令，超聲波收發(fā)節(jié)點將采集到的距離信息發(fā)回至處理中心，所有的控制信號和距離信息均在485總線上進行傳輸。

人員定位系統(tǒng)在城市地下綜合管廊中的具體布置如圖2所示。

圖2 人員定位系統(tǒng)在城市地下綜合管廊中的布置

超聲波收發(fā)節(jié)點每隔一定的距離，一邊各一行，人員在管廊中行走時，按序固定在地下綜合管廊內(nèi)壁上。后臺控制處理中心開啟人員附近的3個超聲波收發(fā)節(jié)點，測量人員距離節(jié)點的實際距離，利用三邊測量定位法，獲得人員在管廊中的實際位置，并在處理后臺控制處理中心實時顯示。

3 模塊設(shè)計

本文設(shè)計的人員定位系統(tǒng)主要涉及的模塊為3個部分，即超聲波收發(fā)節(jié)點、485通信模塊以及后臺控制處理中心。超時波收發(fā)節(jié)點由單片機最小系統(tǒng)、電源、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和RS485通信電路組成。節(jié)點的主要功能是通過超聲波發(fā)射電路和接收電路測得距離人員的距離，利用RS485通信電路將數(shù)據(jù)通過總線傳到后臺控制處理中心，采用一對多的方式進行通信。為保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，定位系統(tǒng)采用Modbus作為總線的通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)格式如表1所示[5]。

表1 超聲波收發(fā)節(jié)點與控制處理中心通信格式

后臺控制處理中心通過總線控制超聲波節(jié)點的開啟和關(guān)閉，同時也通過總線接收節(jié)點測得的距離數(shù)據(jù)，將距離數(shù)據(jù)代入方程組，解得某一時刻人員在管廊中的具體位置。經(jīng)過一定時間的測量和計算，可以繪制出人員在管廊中的運動路徑。根據(jù)人員在管廊中的運動軌跡，可以實現(xiàn)對管廊中人員的數(shù)字化考勤、工作監(jiān)管、人員調(diào)度等功能，提升綜合管廊的管理智能化程度。

4 算法實現(xiàn)

本文設(shè)計的人員定位系統(tǒng)算法采用三邊測量定位法[6]，原理是根據(jù)已知坐標的三個點，利用超聲波收發(fā)模塊測出節(jié)點到人員的距離，根據(jù)距離方程求出人員的二維坐標。將t時刻管廊中人員和三個超聲波收發(fā)模塊的位置簡化后，得到位置關(guān)系。

人員與超聲波收發(fā)模塊的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 人員與超聲波收發(fā)模塊的位置關(guān)系

假設(shè)已知三個超聲波收發(fā)模塊所在位置分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，超聲波收發(fā)模塊距離人員的距離分別為R1、R2、R3，所求人員的位置坐標為(xM,yM)，列出方程式：

上述方程式組解得的(xM,yM)為t時刻人員所在管廊中的二維坐標。實際情況下，可以設(shè)置t的時間間隔為1s，即采樣周期為1s，則可獲得每1s人員所在管廊的位置。連續(xù)采樣后，可以獲得某一時間內(nèi)人員所在管廊中的運動軌跡，該移動軌跡可以實時在后臺控制處理中心顯示。

5 結(jié)語

本文針對城市地下綜合管廊特點，設(shè)計了一個人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要利用多組超聲波收發(fā)節(jié)點，通過三邊測量定位法，獲得管廊中人員的位置，獲得在某一時間段內(nèi)容人員在管廊里的運動軌跡。該系統(tǒng)能實現(xiàn)對管廊中人員的數(shù)字化考勤、工作監(jiān)管、人員調(diào)度等功能，也能與管廊中的消防、安防等智能化系統(tǒng)進行聯(lián)動，進一步提升管廊的智能化水平。