CN117939632A - 基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铁路隧道内四电工程人员定位领域，具体涉及一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法。方法包括以下步骤：步骤一：通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离，再通过TOF算法得到定位标签的多个坐标；步骤二：将TOF算法得到的定位标签的多个坐标作为粒子群优化算法的初始值，通过粒子群优化算法对坐标进行优化，得到最优解作为定位标签的优化坐标；步骤三：将定位标签的优化坐标作为人员坐标，实现人员定位。本发明提高了定位精度和速度，可以广泛应用于隧道定位领域。

Description

基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法

技术领域

本发明属于铁路隧道内四电工程人员定位领域，具体涉及一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法。

背景技术

目前我国铁路交通事业高速发展，开通里程日益增加，在铁路交通规划与施工高速发展的同时，如何采用智能化手段对作业人员安全进行保障引发了更多关注。铁路隧道内工程作业人员密度大，施工情况复杂。在现场施工生产的高峰期，往往在很小的空间范围有着大量的施工人员同时作业。现场作业种类繁多，施工人员位置分散，人员相对混乱，且GPS等室外定位技术无法在隧道内使用，存在工人在隧道内施工，但无法确定人员位置的情况。安全管控措施主要依靠施工人员自身的安全意识，很难进行有效的管理，这使得施工生产过程存在极大安全隐患。

现有定位技术多为针对工厂、库房等较为固定空间设计应用，在铁路四电施工领域缺少适用性强的人员定位***。为了使指挥部可以对人员位置实时掌握，合理安排施工任务，需要提供一种铁路隧道人员定位技术，以实现现场作业人员的准确定位，从而可以对作业人员进行全面安全监控。而且，一旦发生突发事件，通过及时锁定每个人的位置信息，可以有效提升施工的安全性。

发明内容

针对铁路隧道内四电工程施工人员密集、安全管理难度大问题，本发明提供了一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法，通过对定位算法和定位***进行改进，对无法应用GPS等室外定位技术的隧道内的施工现场人员通过UWB（超宽带）通信进行精确定位，以提高施工现场安全管理水平。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，通过在施工人员身上携带基于UWB通信的定位标签实现，包括以下步骤：

步骤一：通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离，再通过TOF算法得到定位标签的多个坐标；

步骤二：将TOF算法得到的定位标签的多个坐标作为粒子群优化算法的初始值，通过粒子群优化算法对坐标进行优化，得到最优解作为定位标签的优化坐标；

步骤三：将定位标签的优化坐标作为人员坐标，实现人员定位。

所述步骤二中，粒子群优化算法的目标函数f为：

；

其中，代表定位标签与第i个基站间测量距离，（X_i，Y_i）表示基站坐标，（x，y）表示定位标签的坐标，n表示基站数量。

所述步骤一中，通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离的具体公式为：

d₁= t_d1×c；

d_m=t_err-m×c+d₁；

其中，d₁表示定位标签到主基站的距离，d_m表示定位标签到从基站m的距离，m=2,3，……n，n表示基站的数量，t_d1表示主基站与定位标签的时间差，t_err-m表示从基站m对应的TDOA到达时间差。

所述步骤一中，通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离的具体方法为：

（1）定位标签定时发射广播定位TDOA消息帧，并记录定位标签发射时间戳为；此时所有基站都处于接收模式，其发射模式在延迟时间后打开；所述广播定位TDOA消息帧中仅仅包含唯一身份ID；

（2）主基站和从基站接收到定位标签发送的广播定位消息后，主基站分别记录主基站和从基站收到消息的时间戳，/>，……/>；

（3）主基站接收到定位标签发的广播定位消息后，马上对定位标签发射测距RESP响应，同时主基站还对从基站发射时钟同步消息，实现主从基站时钟同步，记录发射时间戳；

（4）定位标签接收到RESP消息后记录接收时间，获取定位标签与主基站的信号频率偏差/>；

（5）从基站接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息后，记录接收时间戳，同时从基站分别记录与主基站的频率偏移；

（6）计算出定位标签与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m；其中：

；

；

tt_m表示从基站m接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息的时间戳，t_m和t₁分别表示从基站m和主基站接收到定位标签发送的广播定位消息的时间戳，表示从基站m与主基站之间的飞行时间，/>表示主基站发射测距RESP响应的时间戳，/>表示从基站m与主基站的频率偏移，/>和/>分别表示定位标签发射广播定位TDOA消息帧和接收到RESP消息的时间戳。

所述步骤一中，TOF算法通过最小二乘法对矩阵求解得出定位标签坐标，所述矩阵为：

；

其中：

；

；

，/>，/>…，/>表示各个基站坐标，X表示定位标签坐标，。

此外，本发明还提供了一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，用于实施所述的定位方法，包括定位标签，主基站、多个从基站、服务器和上位机，所述主基站、定位标签和从基站均设置有主控芯片、UWB射频通信模块，所述主基站与从基站通过UWB通信进行数据交互构成定位区域，定位标签通过UWB通信不断发射定位信息，将自身标签数据发送至基站，各个基站将时间数据通过服务器发送至上位机，通过上位机计算得到各个定位标签的位置信息。

所述上位机内设置有定位软件，所述定位软件内设置有：

初始坐标设置模块：用于设置各个基站的初始坐标；

电子围栏报警模块：用于设置电子围栏区域，并根据人员定位信息判断是否进入电子围栏区域，若是，则向对应定位标签发送报警信息；

人员实时定位模块：用于根据各个定位标签的与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m，利用TOF算法得到定位标签的多个坐标，还用于通过粒子群优化算法对坐标进行优化得到人员坐标；

前端显示模块：用于显示各个定位标签的实际位置。

所述定位软件内还设置有：

历史轨迹储存模块：用于存储各个定位标签的历史轨迹；

报警日志记录模块：用于记录各个定位标签的报警记录。

所述定位标签的工作流程为：

S101：初始化；

S102：发射广播定位TDOA消息帧；

S103：接收RESP信息；

S104：接收完毕后，发射Final帧；

S105：休眠复位；

S106：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S102；

所述主基站的工作流程为：

S201：初始化；

S202：接收定位标签发送的广播定位TDOA消息帧；

S203：判断信号强度是否满足要求，若是，则发送响应RESP信息及时钟同步消息；

S204：接收Final帧；

S205：向服务器上传数据；

S206：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S202。

所述定位标签设置在施工人员的安全帽上；主控芯片采用STM32F103C8T6单片机，UWB射频通信模块型号为DWM1000模块；主控芯片采用SPI通讯对DWM1000模块进行读取；上位机通过串口通讯与基站连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***及方法，采用UWB通信对隧道内人员进行定位，相比于传统RFID、Zigbee等定位技术具有抗干扰性强、传输速率高、多径分辨力强、能耗低、安全稳定性强等优点。

2、本发明采用融合定位算法将TDOA与TOF算法的优点进行结合，定位标签只需要发射两次射频信息与接收一次基站混合信息即可实现定位。定位标签和其中一个基站完成信息交互后可以得到标签和基站的距离，根据标签到主基站的距离及信号到达主从基站的时间差，可得出标签到各个基站的距离，最后通过TOF定位解算即可求得标签坐标。本发明通过3次UWB通讯即可实现定位过程，定位时间性能较强。融合定位算法可以极大的平衡定位精度与定位时间性能间的关系，并且容纳标签数量较多，在结合多目标定位方案的基础上，可以更加有效为铁路隧道施工现场解决实际问题。此外，本发明利用粒子群算法通过距离误差值最小的目标函数对融合定位算法的解出坐标进行筛选，将求解定位标签坐标过程转化为了在定位区域内对标签坐标寻优，得到最优解过程，进一步提高了定位精度，最终为铁路隧道内人员定位提供了适合的算法支撑。

3、本发明的定位***结构简单，安装方便，可以为铁路铁道内人员定位提供良好的硬件支撑。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法的通讯流程图；

图2为本发明实施例一中采用的粒子群优化算法的优化流程图；

图3为本发明实施例二提供的基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***的组成框图；

图4为本发明实施例二中定位***在隧道布置图；

图5为本发明实施例二中主（从）基站的硬件部分结构框图；

图6为本发明实施例二中主控芯片电路原理图；

图7为本发明实施例二中UWB射频通信模块的电路原理图；

图8为本发明实施例二中电源转换电路的原理图；

图9为本发明实施例二中智能安全帽设计正视图；

图10为本发明实施例二中智能安全帽设计剖面图；

图11为本发明实施例二中定位标签软件流程图；

图12为本发明实施例二中定位基站软件流程图；

图13为本发明的算法抗干扰性能对比图；

图中：1为照明灯，2为外壳，3为报警模块，4为内壳，5为螺纹孔，6为定位标签。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供了一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，通过在施工人员身上携带基于UWB通信的定位标签实现，包括以下步骤：

步骤一：通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离，再通过TOF算法得到定位标签的多个坐标。

如图1所示，所述步骤一中，通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离的具体方法为：

（1）定位标签定时发射广播定位TDOA消息帧，并记录定位标签发射时间戳为；此时所有基站都处于接收模式，其发射模式在延迟时间后打开；所述广播定位TDOA消息帧中仅仅包含唯一身份ID。

（2）主基站和从基站接收到定位标签发送的广播定位消息后，主基站分别记录主基站和从基站收到消息的时间戳，/>，……/>。

（3）主基站接收到定位标签发的广播定位消息后，马上对定位标签发射测距RESP响应，同时主基站还对从基站发射时钟同步消息，实现主从基站时钟同步，记录发射时间戳。

（4）定位标签接收到RESP消息后记录接收时间，获取定位标签与主基站的信号频率偏差/>。

（5）从基站接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息后，记录接收时间戳，同时从基站分别记录与主基站的频率偏移。

（6）计算出定位标签与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m。其中，计算公式为：

d₁= t_d1×c； （1）

d_m=t_err-m×c+d₁； （2）

其中，d₁表示定位标签到主基站的距离，d_m表示定位标签到从基站m的距离，m=2,3，……n，n表示基站的数量，t_d1表示主基站与定位标签的时间差，t_err-m表示从基站m对应的TDOA到达时间差。

具体地，有：

；（3）

；（4）

tt_m表示从基站m接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息的时间戳，t_m和t₁分别表示从基站m和主基站接收到定位标签发送的广播定位消息的时间戳，表示从基站m与主基站之间的飞行时间，/>表示主基站发射测距RESP响应的时间戳，/>表示从基站m与主基站的频率偏移，/>和/>分别表示定位标签发射广播定位TDOA消息帧和接收到RESP消息的时间戳。

TOF对距离数据的解算，根据TDOA过程可获得标签与基站之间距离，在TOF解算过程中采用最小二乘法对若干个圆坐标方程求解得出标签坐标，为最后粒子群算法的优化提供数据。当已知n个基站坐标分别为，/>，/>…，/>，标签到基站间距离为/>，可列方程组如下：

； （5）

用方程组的前(n-1)个方程组减去第n个方程组，得到如下线性方程：

； （6）

该方程组可以表示为：

； （7）

其中：

； （8）

； （9）

最终解得：

； （10）

在TOF解算过程中，根据最小二乘法原理，个基站(大于三个基站)建立圆方程组进行求解，得到/>组最小二乘解，这些解作为粒子群算法的输入值进行筛选。

以一个主基站，三个从基站为例，本实施例的TDOA过程包括以下步骤：

（1）定位标签定时发射广播定位TDOA消息帧，此时所有基站都处于接收模式，发射模式在延迟时间后打开。对于定位标签而言，其作用为发射信息广播位置，并且等待基站的响应，TDOA广播消息中仅仅包含唯一身份ID。

（2）主基站和从基站接收到定位标签发的广播定位消息后，主基站分别记录，/>，/>，/>为了让TDOA消息有效接收，基站在接收时会进行信号质量判断，信号强度弱于阈值A则会丢弃此次消息，A值一般大于/>。

（3）主基站接收到消息后会马上对定位标签发射测距RESP响应，进行信息交互，实现定位标签到基站之间的测距，同时主基站还会对从基站发射时钟同步消息，实现主从基站时钟同步，这两个消息为同一个消息帧，主基站只需要空中响应一次，发射时间戳记录为。

（4）定位标签记录到主基站的RESP消息后，需要获取定位标签与主基站的信号频率偏差，定位标签接收到RESP消息后记录接收时间/>，然后通过公式计算出定位标签与主基站距离/>。

； （11）

； （12）

从基站接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息后，记录接收时间戳，/>，，同时从基站分别记录与主基站的频率偏移/>，/>，/>。将主从基站之间的固定距离采用飞行时间表示即/>,/>,/>。

根据各个时间戳的情况，TDOA到达时间差为：

； （13）

距离差为：

； （14）

通过TDOA算法结算可知定位标签到各个从基站的距离：

； （15）

（5）相关数据发送至定位标签，定位标签通过式（11）~（12）可以得出其到主基站的距离。

步骤二：将TOF算法得到的定位标签的多个坐标作为粒子群优化算法的初始值，通过粒子群优化算法对坐标进行优化，得到最优解作为定位标签的优化坐标。

所述步骤二中，粒子群优化算法的目标函数f为：

；（16）

其中，代表定位标签与第i个基站间测量距离，（X_i，Y_i）表示第i个基站坐标，（x，y）表示定位标签的坐标，n表示基站数量。

如图2所示，为本发明实施例采用的粒子群算法优化流程图，粒子群算法优化对TDOA+TOF融合定位算法得到的组最小二乘解进行最优筛选，在筛选过程中根据目标函数的限定，逐步向最优解进行逼近。结合UWB定位***原理，本实施例中，将定位标签与基站间测距值误差最小作为位置评价标准，将定位标签到各基站的距离误差绝对值之和作为粒子群算法目标函数，通过粒子群算法的优化，将求解标签坐标过程转化为了在定位区域内对标签坐标寻优，得到最优解过程，依据粒子群目标函数对已知解进行筛选，当标签位置坐标测距值误差最小时将作为最优解输出，进一步提高定位精度。

步骤三：将定位标签的优化坐标作为人员坐标，实现人员定位。

本实施例的定位方法通过结合TDOA与TOF两种算法的优点，再利用粒子群优化算法对定位位置进行进一步优化，在保证定位精度的情况下，极大的提升定位速度。

在实现方式上TDOA算法部分主要在于硬件***的测量距离，而TOF算法则根据距离数据建立方程进行坐标解算。TDOA原理是采用信号到达不同基站的时间差进行定位，标签只需发射一次信号记录，且不需打开接收和等待的时间，因此有着良好的时间性能。因为所需通信次数较少，TDOA定位可以容纳大量的定位标签，可满足多目标定位需求。TOF定位是标签采用单边或者双边测距方式，通过与基站进行通讯测距获得标签到基站间距离，然后通过圆周算法进行解算得出标签坐标。根据测距方式不同，所需的通讯次数也不同，单边测距需要9次UWB通讯可实现定位，双边测距需要12次UWB通讯才可完成定位。TOF定位精度较高，但由于所需通讯次数较多，导致定位时间性能较差，且标签容量较低。

本实施例采用的融合定位算法将TDOA与TOF算法的优点进行结合，定位标签只需要发射两次射频信息与接收一次基站混合信息即可实现定位。定位标签和其中一个基站完成信息交互后可以得到标签和基站的距离，根据标签到主基站的距离及信号到达主从基站的时间差，可得出标签到各个基站的距离，最后通过TOF定位解算即可求得标签坐标。本发明通过3次UWB通讯即可实现定位过程，定位时间性能较强。融合定位算法可以极大的平衡定位精度与定位时间性能间的关系，并且容纳标签数量较多，在结合多目标定位方案的基础上，可以更加有效为铁路隧道施工现场解决实际问题。此外，本发明利用粒子群算法通过距离误差值最小的目标函数对融合定位算法的解出坐标进行筛选，将求解定位标签坐标过程转化为了在定位区域内对标签坐标寻优，得到最优解过程，进一步提高了定位精度，最终为铁路隧道内人员定位提供了适合的算法支撑。

实施例二

本发明实施例二提供了一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，用于实施实施例一所述的定位方法，如图3所示，其包括定位标签，主基站、多个从基站、服务器和上位机。

主基站与从基站进行数据交互构成定位区域，定位标签通过不断发射定位信息，将自身标签数据发送至基站部分，进行时间差测算得出各基站与标签间距离。智能安全帽部分作为定位标签载体，通过细节设计在能保护人员安全的同时，满足标签的良好携带与散热丰富安全帽的使用功能。上位机部分作为人员定位***功能实现的终端部分，通过对主基站的数据处理解算，最终将人员位置信息显示在上位机端，并且通过电子围栏、历史轨迹储存的功能设计，可以对现场进行危险区域划定，进而实现对施工现场人员进行全面监控。

如图4所示为定位***在隧道布置图，基站部分在隧道施工现场安装于管片壁上。

如图5所示，所述主基站和从基站均设置有主控芯片、UWB射频通信模块和电源转换电路，所述主基站与从基站通过UWB通信进行数据交互构成定位区域，定位标签通过UWB通信不断发射定位信息，将自身标签数据发送至基站，各个基站将时间数据通过服务器发送至上位机，通过上位机计算得到各个定位标签的位置信息。

本实施例中，UWB射频通信模块作为整个定位***的通信传输模块，实现各个基站间信息交互与标签间数据传输，将整体数据接收后通过SPI通信协议发送至主控芯片进行处理，得出的距离信息会通过接口模块传输至上位机进行解析。

本实施例中，定位标签作为施工人员携带的终端载体，主要包含UWB射频通信模块和主控芯片，与主机不同的是定位标签的电路部分没有增加外设的接口模块，在体积上也更加小巧。在工作中，定位标签通过主控芯片模块生成自身定位数据，通过UWB射频通信模块保持一定频率不断向四周发射信息，使得定位基站可以通过数据包获取标签信息。

具体地，如图6~7所示，基站与定位标签中，主控芯片采用STM32F103C8T6单片机，UWB射频通信模块型号为DWM1000模块；主控芯片采用SPI通讯对DWM1000模块进行读取；上位机通过串口通讯与基站连接。

STM32F103C8T6单片机广泛的被使用在各类日常和工业电器用品中，作为一个控制器件，能够很好地完成任务，该产品在经过不断被优化以后，已经十分适合在设计中被使用。该单片机性能满足设计要求，且性价比高。使用这种单片机可以使得定位***更加方便实操性更强。由于通信定位对时钟同步的要求较高，STM32F103C8T6单片机需要外加晶振电路，晶体振荡器简称晶振，是一种所有单片机都要使用到的基础电子元件，不同的晶振有不同的频率，因此，选择更高频率的晶振可以使单片机运行速度加快，但是晶振频率一旦改变，需要特定时间延时或需要波特率进行通信的程序就必须根据晶振频率进行重新编写，同时，单片机也有自己的最高晶振频率，即最快运行速度，超过该频率的晶振会使单片机无法使用。由于在整个***中，只有时钟信号一致，才能使各个模块正常工作，因此，晶振也为整个***统一了时钟信息，使***可以稳定运行。在本***中，主控芯片的外部晶振电路使用的晶振频率为8兆赫兹。在本实施例中，选择上电复位作为复位方式，减少了焊接的麻烦，同时也减少了电路板使用面积，可以使电路板布局更加游刃有余，也减少了手动复位的麻烦，更加便捷。

DWM1000模块是在DecaWave公司DW1000芯片基础上研发出来的集成低功耗射频收发模块。DW1000芯片是一款基于CMOS的低功耗无线收发集成电路，兼容IEEE802.15.4-2011标准协议，由一个数字收发前端与主机连接的数字后端组成，模拟的收发机共用一个天线，可以通过开关来调整收发模式的切换。DW1000模块通过SPI通信与主控芯片进行数据传输，主控芯片通过SPI接口写入寄存器来控制DW1000模块。DWM1000模块应用在UWB定位测距过程中，精度可达±10 cm。定位频段使用从3.5GHz-6.5GHz共6个频段，最高数据传输速率可达6.8Mb/s，最远通信距离可达290米，具有良好的抗多径能力，可以在施工现场复杂的定位环境进行良好应用。

此外，本实施例中，主基站和从基站还包括电源转换电路，如图8所示，为电源转换电路的电路原理图，其将外接电源转化为***需要直流电压3.3V，其采用SGM2028作为稳压芯片，其输入电压范围为2.5~5.5V，输出电压为3.3V，可以良好满足主控芯片及DWM1000模块的供电需求。

如图9~10所示，本实施例中，所述定位标签设置在施工人员的智能安全帽上。考虑定位标签安装与智能安全帽的适配性，对智能安全帽整体进行设计。在智能安全帽的侧面进行定位标签6安装，考虑智能安全帽的舒适性，在智能安全帽内壳4设有若干螺纹孔5，并且在智能安全帽侧面设计通风模块，使得佩戴者头部与内壳4之间的湿热空气可以与外界进行交换，既解决了智能安全帽功能单一问题，也令智能安全帽具有较强的通风散热功能。智能安全帽上设置有定位标签6的安装接口，通过在螺纹孔5内安装螺丝将标签与智能安全帽进行组装，安装牢固的同时也方便拆卸检修。此外，智能安全帽上还设置报警模块3，可以在人员进入电子围栏区域时发出报警提示。此外，智能安全帽的外壳2上设置有照明灯1。

本实施例中，基站与标签均包含DWM1000模块，在两部分中起到了不同的作用，标签工作中DWM1000模块主要为信息发送载体，将定位标签数据信息不断发送至基站，使得基站可以通过接收到数据判断标签的位置及所代表的人员信息。在基站中国DWM1000模块作为通信模块，既保证了基站与标签的通信也保证了基站之间的互相通信，通过对标签信息的反馈不断更新定位数据，与基站间的数据交互也保证这整个定位区域的稳定覆盖。

具体地，本实施例中，所述上位机内设置有定位软件，所述定位软件内设置有：

初始坐标设置模块：用于设置各个基站的初始坐标；

电子围栏报警模块：用于设置电子围栏区域，并根据人员定位信息判断是否进入电子围栏区域，若是，则向对应定位标签发送报警信息；

人员实时定位模块：用于根据各个定位标签的与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m，利用TOF算法得到定位标签的多个坐标，还用于通过粒子群优化算法对坐标进行优化得到人员坐标；

前端显示模块：用于显示各个定位标签的实际位置。

进一步地，所述定位软件内还设置有：

历史轨迹储存模块：用于存储各个定位标签的历史轨迹；

报警日志记录模块：用于记录各个定位标签的报警记录。

如图11~12所示，本实施例中，所述定位标签的工作流程为：

S101：初始化；

S102：发射广播定位TDOA消息帧；

S103：接收RESP信息；

S104：接收完毕后，发射Final帧；

S105：休眠复位；

S106：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S102；

所述主基站的工作流程为：

S201：初始化；

S202：接收定位标签发送的广播定位TDOA消息帧；

S203：判断信号强度是否满足要求，若是，则发送响应RESP信息及时钟同步消息；

S204：接收Final帧；

S205：向服务器上传数据；

S206：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S202。

具体地，本实施例中，定位标签和主基站一旦上电启动后，则一直处于循环定位的过程中，可以通过向上位机的定位软件输入停止命令，当上位机的定位软件收到停止命令后，向各个基站和定位标签发送定位完成命令，则基站和定位标签停止工作。

本实施例的定位***中，各部分相互配合，基于粒子群优化的TDOA+TOF融合定位算法，在TDOA与TOF算法的基础上通过粒子群优化算法对定位标签进行精确定位，提高了定位精度和定位速度。本发明引入粒子群算法根据目标函数对TOF解算的坐标进行最优筛选，仅需三次UWB通信即可实现定位，并且使得定位精度进一步提高，平衡了定位精度与时间性能的关系。

如图13为定位算法抗干扰测试图。采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片采用SPI通讯对DWM1000模块进行读取，实现各基站与标签之间测距。编写上位机软件与基站进行串口通讯，对获取的距离数据进行解算得出标签坐标，并实时显示在前端界面。根据现场实际情况设计智能安全帽，作为人员携带定位标签的载体，既改变了安全帽功能单一问题，也为标签的简便携带提供了良好方式。***通过基站初始坐标设置、人员实时定位、电子围栏报警、报警日志记录等功能，对现场施工人员进行全方位监测，为现代化铁路隧道四电工程施工提供良好的人员定位方法，可以有效提升现场安全管理水平及保护施工人员安全。

本发明的工作原理如下：定位基站在隧道区间中以50米的间距左右交替进行布置，安装高度设为1.8米，方便人员操作同时避免意外损坏。定位标签佩戴于施工人员的智能安全帽侧面，在人员施工作业工程中不断将定位信息发送至基站。定位过程通过基站与定位标签的信息交互获取基站与标签间距离，主基站通过有线方式将数据传输至上位机端，最终通过基于粒子群优化的TDOA+TOF融合定位算法解算出坐标数据，定位***根据人员的位置信息对现场施工进行安全管理。

本实施例的定位***可实现人员能够实时的对施工人员进行位置监测，发生任何突发情况可以及时锁定人员位置，定位精度应控制在20 cm以内，实现精准人员定位。监测平台界面通过用户名与密码进行登录，具体操作分为管理员登录与用户登录两种情况，管理员登录后可对基站、标签等相关参数进行设置，修改定位区域等。用户登录可以查询标签位置信息，对人员历史运动轨迹进行查询等。根据施工现场情况可划定电子围栏，对禁止人员进入的危险地带进行限制，杜绝人员危险活动等情况。***数据查询功能对人员位置数据的管理应具备周期性的保存功能，在上位机界面可对人员历史位置数据进行调阅，方便对施工安全管理进行总结提升，当发生安全事故时有助于情况调查。设备外壳针对施工现场恶劣环境，采用IP65防水防尘外壳进行安装，对外壳设计专门的安装卡口及散热口，在保证基站与标签工作性能的同时延长使用寿命，为铁路铁道内人员定位提供良好的硬件支撑。

基站通过在隧道内以50米的间距进行布置，对隧道区间形成区域覆盖，根据四电施工的特点，在车站两端隧道区间进行定位，跟随着施工作业面的推进可及时更新定位区域，能够良好满足四电工程施工的施工节奏，也避免了全隧道定位设备布置带来的巨大成本，非常符合四电工程施工的现场实际需要与成本卡控，提升了安全管理水平。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，其特征在于，通过在施工人员身上携带基于UWB通信的定位标签实现，包括以下步骤：

步骤一：通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离，再通过TOF算法得到定位标签的多个坐标；

步骤二：将TOF算法得到的定位标签的多个坐标作为粒子群优化算法的初始值，通过粒子群优化算法对坐标进行优化，得到最优解作为定位标签的优化坐标；

步骤三：将定位标签的优化坐标作为人员坐标，实现人员定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，其特征在于，所述步骤二中，粒子群优化算法的目标函数f为：

；

其中，代表定位标签与第i个基站间测量距离，/>表示基站坐标，（x，y）表示定位标签的坐标，n表示基站数量。

3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，其特征在于，所述步骤一中，通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离的具体公式为：

其中，表示定位标签到主基站的距离，/>表示定位标签到从基站m的距离，m=2,3，……n，n表示基站的数量，/>表示主基站与定位标签的时间差，/>表示从基站m对应的TDOA到达时间差。

4.根据权利要求3所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，其特征在于，所述步骤一中，通过TDOA算法获得定位标签与基站之间距离的具体方法为：

（1）定位标签定时发射广播定位TDOA消息帧，并记录定位标签发射时间戳为；此时所有基站都处于接收模式，其发射模式在延迟时间后打开；所述广播定位TDOA消息帧中仅包含唯一身份ID；

（2）主基站和从基站接收到定位标签发送的广播定位消息后，主基站分别记录主基站和从基站收到消息的时间戳，/>，……/>；

（3）主基站接收到定位标签发的广播定位消息后，马上对定位标签发射测距RESP响应，同时主基站还对从基站发射时钟同步消息，实现主从基站时钟同步，记录发射时间戳；

（4）定位标签接收到RESP消息后记录接收时间，获取定位标签与主基站的信号频率偏差/>；

（5）从基站接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息后，记录接收时间戳，同时从基站分别记录与主基站的频率偏移；

（6）计算出定位标签与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m；其中：

；

；

tt_m表示从基站m接收到主基站的UWB无线时钟同步信号消息的时间戳，t_m和t₁分别表示从基站m和主基站接收到定位标签发送的广播定位消息的时间戳，表示从基站m与主基站之间的飞行时间，/>表示主基站发射测距RESP响应的时间戳，/>表示从基站m与主基站的频率偏移，/>和/>分别表示定位标签发射广播定位TDOA消息帧和接收到RESP消息的时间戳。

5.根据权利要求3所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位方法，其特征在于，所述步骤一中，TOF算法通过最小二乘法对矩阵求解得出定位标签坐标，所述矩阵为：

；

其中：

；

；

，/>，/>…，/>表示各个基站坐标，X表示定位标签坐标，/>。

6.一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，其特征在于，用于实施权利要求1~5任意一项所述的定位方法，包括定位标签，主基站、多个从基站、服务器和上位机，所述主基站、定位标签和从基站均设置有主控芯片、UWB射频通信模块，所述主基站与从基站通过UWB通信进行数据交互构成定位区域，定位标签通过UWB通信不断发射定位信息，将自身标签数据发送至基站，各个基站将时间数据通过服务器发送至上位机，通过上位机计算得到各个定位标签的位置信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，其特征在于，所述上位机内设置有定位软件，所述定位软件内设置有：

初始坐标设置模块：用于设置各个基站的初始坐标；

电子围栏报警模块：用于设置电子围栏区域，并根据人员定位信息判断是否进入电子围栏区域，若是，则向对应定位标签发送报警信息；

人员实时定位模块：用于根据各个定位标签的与主基站距离d₁和各个从基站的距离d_m，利用TOF算法得到定位标签的多个坐标，还用于通过粒子群优化算法对坐标进行优化得到人员坐标；

前端显示模块：用于显示各个定位标签的实际位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，其特征在于，所述定位软件内还设置有：

历史轨迹储存模块：用于存储各个定位标签的历史轨迹；

报警日志记录模块：用于记录各个定位标签的报警记录。

9.根据权利要求6所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，其特征在于，所述定位标签的工作流程为：

S101：初始化；

S102：发射广播定位TDOA消息帧；

S103：接收RESP信息；

S104：接收完毕后，发射Final帧；

S105：休眠复位；

S106：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S102；

所述主基站的工作流程为：

S201：初始化；

S202：接收定位标签发送的广播定位TDOA消息帧；

S203：判断信号强度是否满足要求，若是，则发送响应RESP信息及时钟同步消息；

S204：接收Final帧；

S205：向服务器上传数据；

S206：判断是否完成定位，若是，则结束，若否，则返回S202。

10.根据权利要求6所述的一种基于超宽带的铁路隧道内四电工程人员定位***，其特征在于，所述定位标签设置在施工人员的安全帽上；主控芯片采用STM32F103C8T6单片机，UWB射频通信模块型号为DWM1000模块；主控芯片采用SPI通讯对DWM1000模块进行读取；上位机通过串口通讯与基站连接。