CN115589631A - 一种基于uwb的电缆隧道人员定位*** - Google Patents

Abstract

一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，包括定位标签模块、定位基站、网络模块、交换机、监控中心服务器以及客户端。定位标签模块是UWB射频收发器，安装在设备上，由作业人员随身携带，负责与定位基站的射频收发模块进行实时通信，提供定位数据。定位基站负责与定位标签进行通信，利用相应算法完成与标签之间的测距工作，获取定位数据，并完成定位数据的转发上传。网络模块和交换机完成现场设备和控制中心服务器之间的通信，主要负责相关数据的收集与发送等工作，起到一个“数据通道”的作用。监控中心服务器能够将收集到的数据进行汇总。本发明可以实现高精度定位，同时可以在后台统一查询位置信息和发布任务，提高了人员调配的效率。

Description

一种基于UWB的电缆隧道人员定位***

技术领域

本发明属于UWB无线定位技术领域，涉及一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，主要用于电缆隧道内工作人员的精确定位，对电缆运行状态的检测及对紧急事故的预防和演练。

背景技术

电缆施工单位越来越重视对隧道施工监测技术的开发，尤其是对实时监测隧道的现场施工情况，掌握工程的施工进度，并及时发现和处理施工现场的突发意外。现有的隧道施工管理***通常采用的是隧道电话跟踪定位、入口电子登记考勤等方法来确定隧道内施工人员的情况，这些方法往往都有一定的局限性，不能确保外面的管理人员实时精确地掌握到隧道内施工人员的位置信息，进而影响到事故发生时管理人员无法做出准确的决策。

超宽带UWB(Ultra Wide Band)技术作为一种新兴的无线通信技术，它对信道衰落具有很强的免疫能力，具有时间分辨率高、穿透能力强、功耗低、测距精度高、***成本较低等特点。与其他无线定位技术相比，UWB信号在传输过程中具有较强的抗多径弱化能力和抗干扰能力，具有精确的测距功能，使其更好地适应复杂环境。因此，它更适用于电缆隧道的人员定位。

发明内容

本发明针对背景技术中所述的实际工程中出现的问题，结合新兴的UWB无线通信技术，提供了一种基于UWB的电缆隧道人员定位***。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，包括：

定位标签模块，所述定位标签模块是UWB射频收发器，由使用者随身携带，负责与定位基站的射频收发模块进行实时通信，提供定位数据，提高电缆隧道内工作人员的安全；

定位基站，所述定位基站是定位***中的重要组成部分，负责与定位标签进行通信，将基于信息增益-区域划分的定位基站选择算法与卡尔曼滤波算法进行结合提出定位基站选择卡尔曼滤波算法滤波联合优化算法，并对多种人员定位算法进行优化，定位精度和定位稳定性两个方面取得明显提升。

网络模块，所述网络模块用于提供通信连接；

交换机，所述交换机与网络模块共同负责相关数据的收集与发送等工作，起到一个“数据通道”的作用。

监控中心服务器，所述监控中心服务器能够将收集到的数据进行汇总，并根据控制中心的需求，对数据进行处理分析。

客户端，所述客户端是控制中心的人机交互界面，能够提供包括位置管理和告警管理等信息，可以呈现经过处理的数据信息，供管理人员查看和控制。

进一步的，所述定位标签模块还包括红外热成像技术，安装在定位头盔上，由工作人员在电缆隧道内工作时佩戴。通过红外热成像仪，现场人员能够实时地监测电缆表面温度，观察电缆运行热点，并将数据通过网络反馈给控制中心，从而无需再额外携带温度监测设备即可完成对电缆运行状态的检测，减轻工作人员的负担，提高作业效率。所述定位头盔的红外热成像技术部分包括摄像头、处理器、显示屏、SIM卡、按键、电池、无线连接等。所述摄像头包括一个1080高清光学摄像头和一个红外摄像头，手动切换使用，用于采集电缆以及环境的热图像，并将图像发送到处理器，可实现10米夜视。所述处理器是***的运算和控制核心，将接收到的图像进行处理，并将处理好的图像发送到显示器，所述显示器将收到的图像进行显示，显示的内容包括热成像图片、最高温度值等。所述SIM卡为设备实现入网。所述按键实现对安全帽的操作，包括对讲键、电源键、SOS、录像键、切换键等。所述电池为设备储存并提供电能。所述无线连接包括Wi-Fi网络、3G/4G网络、北斗定位和蓝牙，实现人员的定位以及位置、温度等信息的传输。

进一步的，所述网络模块包括3G/4G网络单元、Wi-Fi网络单元、光纤单元等，实现电缆隧道现场设备和控制中心设备的实时通信。

进一步的，所述客户端的人机交互界面除了应包含位置管理、告警管理等模块外，还包括应急管理演练模块。所述应急管理演练模块可以在事故发生时，地图自动显示事故点或疏散区相关信息，作为应急指挥、资源调配工具；事后自动生成演练报告，可查看人员疏散过程的演练记录，疏散效率分析，从而为演练预案修订、演练评估、演练培训提供数据支撑。

与现有技术相比，本发明有益效果：

1、通过使用本发明所述的定位***，可以实现电缆隧道工作人员的实时定位，定位精度能够提高至1m甚至更低误差范围内。在发生紧急事故的情况下，可以提供现场人员的准确位置信息，提高搜救效率。

2、通过使用定位头盔上的红外热成像技术，工作人员在进入电缆隧道后可以实时地测量电缆表面温度，观察电缆运行热点，并将数据实时反馈给控制中心。这样，无需再额外携带温度监测设备即可完成对电缆运行状态的检测，减轻工作人员的负担，提高作业效率。

3、本发明的后台***实现了智能化和功能集成化，将现场定位数据和测温数据经过收集和处理，实时呈现在控制中心人机交互界面上。界面上除了位置管理、告警管理等模块外，还具有应急管理演练模块，能够为紧急情况提供多套应急预案，提高电缆施工单位面对突发状况的反应能力。

附图说明

图1为本发明所述的***框图。

图2为本发明所述的红外热成像技术部分的结构示意图。

图3为本发明所述的电缆隧道人员智能定位管理平台的功能示意图。

具体实施方式

下面参照图1至图3对本发明所提供的技术方案进一步说明。

一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，如图1所示，主要包括：

定位标签模块，所述定位标签是UWB射频收发器，安装在设备上，由使用者随身携带，负责与定位基站的射频收发模块进行实时通信，提供定位数据，提高电缆隧道内工作人员的安全；

定位基站，所述定位基站是定位***中的重要组成部分，负责与定位标签进行通信，利用相应算法完成与标签之间的测距工作，获取定位数据，并完成定位数据的转发上传；

网络模块，所述网络模块用于为设备提供通信连接；

交换机，所述交换机与网络模块共同负责相关数据的收集与发送等工作，起到一个“数据通道”的作用。

监控中心服务器，所述监控中心服务器能够将收集到的数据进行汇总，并根据控制中心的需求，对数据进行处理分析。

客户端，所述客户端是控制中心的人机交互界面，可以呈现经过处理的数据信息，供管理人员查看和控制。

所述定位标签模块还包括红外热成像技术，安装在定位头盔上，由工作人员在电缆隧道内工作时佩戴。通过红外热成像仪，现场人员能够实时地监测电缆表面温度，观察电缆运行热点，并将数据通过网络反馈给控制中心，从而无需再额外携带温度监测设备即可完成对电缆运行状态的检测，减轻工作人员的负担，提高作业效率。

如图2所示，定位头盔的红外热成像技术部分包括摄像头、处理器、显示屏、SIM卡、按键、电池、无线连接、支架和头盔等。所述摄像头包括一个1080高清光学摄像头和一个红外摄像头，手动切换使用，用于采集电缆以及环境的热图像，并将图像发送到处理器，可实现10米夜视。所述处理器是***的运算和控制核心，将接收到的图像进行处理，并将处理好的图像发送到显示器，所述显示器将收到的图像进行显示，显示的内容包括热成像图片、最高温度值等。所述SIM卡为设备实现入网。所述按键实现对安全帽的操作，包括对讲键、电源键、SOS、录像键、切换键等。所述电池为设备储存并提供电能。所述无线连接包括Wi-Fi网络、3G/4G网络、北斗定位和蓝牙，实现人员的定位以及位置、温度等信息的传输。所述支架实现对显示屏的支撑，使其处在人员的眼前。所述头盔实现对头部的保护以及对支架的固定。

在定位基站的布置原则方面，针对当前电缆隧道人员定位算法定位精度较低、计算量大的问题，基于区域划分思想对定位基站选择算法进行改进，提出基于信息增益-区域划分的定位基站选择算法，通过对定位区域内的定位基站进行选择，提高了定位精度、减少了定位***计算量。

针对电缆隧道环境因素导致的人员定位算法定位精度较低、定位稳定性较差的问题，引入卡尔曼滤波算法，在离线定位阶段使用卡尔曼滤波算法对波动较大的异常RSSI数据进行滤除，并设计LQI滤波器，对在线定位阶段的异常跳变RSSI数据进行LQI滤波处理，将处理后的高可靠性RSSI数据用于定位，提高了定位精度以及定位稳定性。

最后，将基于信息增益-区域划分的定位基站选择算法与卡尔曼滤波算法进行结合提出定位基站选择卡尔曼滤波算法滤波联合优化算法，并对多种人员定位算法进行了优化，实验结果表明定位基站选择卡尔曼滤波联合优化算法对不同的人员定位算法都可以在定位精度和定位稳定性两个方面取得明显提升。同时由于参与定位的基站数量减少，定位***的计算量也相应减少。

所述网络模块包括3G/4G网络单元、Wi-Fi网络单元，光纤单元等，主要负责为电缆隧道现场设备和控制中心设备之间的实时通信提供支撑。

参照图1，***的定位功能可以这样描述，监控中心服务器可以与基站之间协同工作，协调所有的基站都工作在一个实时状态。***开始定位时，首先是将标签卡设定为被测距的模式，基站则一直处于接收查询状态，测距开始时，标签卡向周围广播信标，基站接收到信标后对信标进行解析，获取信标里携带的ID号码，并开始进行标签卡与基站之间的测距，通过与标签卡进行三次握手获得所有测距信息，再利用自适应滤波算法计算出距离，完成测距。完成基站与标签卡之间的测距后，基站会将原始UWB测量数据使用整体偏移算法进行优化，再通过网络模块将数据发送到交换机，由交换机来汇总所有基站传回的距离数据，并将数据传送到监控中心服务器，利用监控中心服务器中的定位算法对测距数据进行解析，得到标签卡的估计坐标，最后在电子地图界面上显示人员的具***置。

如图3所示，呈现在客户端人机交互界面上的是电缆隧道人员智能定位管理平台，它包括以下模块：

1)位置管理模块

所述位置管理模块实时显示监控区域内人员/物品的数量以及位置。

2)告警管理模块

所述告警管理模块提供多样化的告警管理，包括电子围栏模式告警、主动触发SOS告警、低电量告警、防拆卸告警等。

3)数据统计模块

所述数据统计模块用于存储电子标签模块和各使用者的相关信息，存储电子标签模块的运动轨迹。

4)操作记录模块

所述操作记录模块可追踪人员/设备的历史位置和记录每个时间段内的行动轨迹。

5)视频联动模块

所述视频联动模块可使管理者通过第三方监控***分组实时查看被监测目标的实时位置。

6)考勤模块

所述考勤模块基于人员排班无感知定位，基于位置实时感知被监测人员的存在，并进行考勤管理。

7)巡更模块

所述巡更模块可在用户无感知的情况下，提供巡更服务管理

8)应急管理演练模块

所述应急管理演练模块，利用真实的全厂电子地图、即时人员定位信息和实时的视频监控画面，演练指挥人员能通过大屏全面掌控演练的整体情况；基于定位的人数清点：显示疏散区、疏散路途中和到达安全岛的人员数量和名单，实时清点人数，实现安全岛的自动点名；可制定时间、内容、任务、疏散区域、安全岛等关键信息，形成演练计划；根据设置，在应急演练大屏上显示事故点的影响范围；演练启动后，可快速发送应急广播，发送至选配的智能手环；应急演练与事故区、疏散区、安全岛的视频联动，可通过视频监控画面实时了解疏散过程中当前区域的情况；可根据应急演练和救援过程的需要，在地图上便捷的标记任何风险点或关键点信息，在地图上实现智能记录，清晰展现；可根据地图中疏散区、定位、应急物资等信息来调度指挥应急演练；演练结束后，自动生成演练报告，可查看人员疏散结果，统计分析每个人的疏散时长，做疏散效率分析。

Claims (4)

1.一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，其特征在于包括：定位标签模块；定位基站；网络模块；交换机；监控中心服务器；客户端；

所述定位标签模块是UWB射频收发器，由使用者随身携带，负责与定位基站的射频收发模块进行实时通信，提供定位数据；

所述定位基站是定位***中的重要组成部分，负责与定位标签进行通信，将基于信息增益-区域划分的定位基站选择算法与卡尔曼滤波算法进行结合提出定位基站选择卡尔曼滤波算法滤波联合优化算法，并对多种人员定位算法进行优化；

所述网络模块用于提供通信连接；

所述交换机与网络模块共同负责相关数据的收集与发送等工作，起到一个“数据通道”的作用；

所述监控中心服务器能够将收集到的数据进行汇总，并根据控制中心的需求，对数据进行处理分析；

客户端，所述客户端是控制中心的人机交互界面，能够提供包括位置管理和告警管理，呈现经过处理的数据信息，供管理人员查看和控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，其特征在于，所述定位标签模块还包括红外热成像技术，安装在定位头盔上，由工作人员在电缆隧道内工作时佩戴。

3.根据权利要求2所述的一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，其特征在于，所述定位头盔的红外热成像技术部分包括摄像头、处理器、显示屏、SIM卡、按键、电池、无线连接；所述摄像头包括一个1080高清光学摄像头和一个红外摄像头，手动切换使用，用于采集电缆以及环境的热图像，并将图像发送到处理器，可实现10米夜视，所述处理器是***的运算和控制核心，将接收到的图像进行处理，并将处理好的图像发送到显示器，所述显示器将收到的图像进行显示，显示的内容包括热成像图片、最高温度值；所述SIM卡为设备实现入网，所述按键实现对安全帽的操作，包括对讲键、电源键、SOS、录像键、切换键等，所述电池为设备储存并提供电能，所述无线连接包括Wi-Fi网络、3G/4G网络、北斗定位和蓝牙，实现人员的定位以及位置、温度等信息的传输。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于UWB的电缆隧道人员定位***，其特征在于，所述网络模块包括3G/4G网络单元、Wi-Fi网络单元或光纤单元，实现电缆隧道现场设备和控制中心设备的实时通信。

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