城市地下综合管廊人员定位系统应用研究

林章 吴迪

（1.浙江建设职业技术学院，浙江杭州 311231；2.杭州中美华东制药有限公司，浙江杭州 310011）

城市地下综合管廊是将市政、电力、通信、燃气、供水排水、热力等各种管线集于一体的城镇综合管线工程[1]。由于管廊施工周期长、空间狭窄、施工人员众多，施工过程中容易出现各种问题。综合管廊施工完成后，还需要专人定期和不定期地对管廊进行巡检和维护等工作。地下管廊内部情况复杂，人员进入管廊后存在风险，在管廊施工阶段和后期运行维护阶段，都需要对管廊中的人员位置进行精准定位、安全监管，保证人员人身安全。本文设计一套完善可靠的城市地下综合管廊人员定位系统，通过对管廊建设中的施工人员、运维检修中的巡检人员进行实时精准定位，实现对管廊中巡检及维修人员实时定位追踪、历史移动线路查询、智能巡检、一键紧急求助、考勤等功能，大幅度提升施工期间安全性、提高施工效率，全面保证管廊内施工人员及巡检人员安全，降低管廊运行维护管理难度。

1 方案比较

一般定位系统可以利用现有的卫星定位系统进行精准定位，其技术较为成熟、使用成本低。综合管廊处在地下，传统的卫星定位系统信号无法传到地下或信号较弱无法达到精准定位的要求，所以城市地下综合管廊、大型室内商场和地下停车场等场所，都利用室内定位系统进行定位。室内定位是传统室外卫星定位系统的一个重要补充，可以应用于卫星定位系统信号无法到达的室内环境。

目前，世界上已有许多研究者研究出了先进的室内人员定位系统[2]。室内定位系统分为定位硬件和定位算法。室内定位硬件一般采用WiFi网络、红外线、RFID识别与超声波等传感器技术，需要根据具体实际系统进行选择。目前较为流行的室内定位算法有两类，即基于测距（range-based）的距离相关算法、不基于测距（range-free）的距离无关算法。距离相关算法包括基于RSSI值测距、到达时间（TOA）、达到时间差（TDOA）和到达角度（AOA）等方法，精度较高[3-4]。距离无关定位算法包括质心算法、DV-Hop算法等，精度低于距离相关算法。

2 总体设计

结合城市地下综合管廊处于地下、长度长、阻挡物多、环境复杂等特点。本文针对管廊特点设计人员定位系统，硬件部分包括超声波收发模块、485通信模块和后台控制处理中心，算法采用三边测量定位法。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构

超声波收发节点数根据管廊的实际长度确定，所有节点通过485总线连接到RS485转USB模块上，最终与后台控制处理中心相连。后台控制处理中心发出对应超声波收发节点开启距离信息采集指令或关闭指令，超声波收发节点将采集到的距离信息发回至处理中心，所有的控制信号和距离信息均在485总线上进行传输。

人员定位系统在城市地下综合管廊中的具体布置如图2所示。

图2 人员定位系统在城市地下综合管廊中的布置

超声波收发节点每隔一定的距离，一边各一行，人员在管廊中行走时，按序固定在地下综合管廊内壁上。后台控制处理中心开启人员附近的3个超声波收发节点，测量人员距离节点的实际距离，利用三边测量定位法，获得人员在管廊中的实际位置，并在处理后台控制处理中心实时显示。

3 模块设计

本文设计的人员定位系统主要涉及的模块为3个部分，即超声波收发节点、485通信模块以及后台控制处理中心。超时波收发节点由单片机最小系统、电源、超声波发射电路、超声波接收电路和RS485通信电路组成。节点的主要功能是通过超声波发射电路和接收电路测得距离人员的距离，利用RS485通信电路将数据通过总线传到后台控制处理中心，采用一对多的方式进行通信。为保证数据传输稳定可靠，定位系统采用Modbus作为总线的通信协议。

数据格式如表1所示[5]。

表1 超声波收发节点与控制处理中心通信格式

后台控制处理中心通过总线控制超声波节点的开启和关闭，同时也通过总线接收节点测得的距离数据，将距离数据代入方程组，解得某一时刻人员在管廊中的具体位置。经过一定时间的测量和计算，可以绘制出人员在管廊中的运动路径。根据人员在管廊中的运动轨迹，可以实现对管廊中人员的数字化考勤、工作监管、人员调度等功能，提升综合管廊的管理智能化程度。

4 算法实现

本文设计的人员定位系统算法采用三边测量定位法[6]，原理是根据已知坐标的三个点，利用超声波收发模块测出节点到人员的距离，根据距离方程求出人员的二维坐标。将t时刻管廊中人员和三个超声波收发模块的位置简化后，得到位置关系。

人员与超声波收发模块的位置关系如图3所示。

图3 人员与超声波收发模块的位置关系

假设已知三个超声波收发模块所在位置分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，超声波收发模块距离人员的距离分别为R1、R2、R3，所求人员的位置坐标为(xM,yM)，列出方程式：

上述方程式组解得的(xM,yM)为t时刻人员所在管廊中的二维坐标。实际情况下，可以设置t的时间间隔为1s，即采样周期为1s，则可获得每1s人员所在管廊的位置。连续采样后，可以获得某一时间内人员所在管廊中的运动轨迹，该移动轨迹可以实时在后台控制处理中心显示。

5 结语

本文针对城市地下综合管廊特点，设计了一个人员定位系统，该系统主要利用多组超声波收发节点，通过三边测量定位法，获得管廊中人员的位置，获得在某一时间段内容人员在管廊里的运动轨迹。该系统能实现对管廊中人员的数字化考勤、工作监管、人员调度等功能，也能与管廊中的消防、安防等智能化系统进行联动，进一步提升管廊的智能化水平。