城市地下综合管廊人员定位系统设计实践论述

文｜同方股份有限公司 佟庆彬

1 研究概述

2015年8月3日，国务院办公厅印发《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》（国办发〔2015〕61 号），作为解决城市马路拉链、城市内涝、乱拉乱架等城市顽疾的新型建筑载体，城市地下综合管廊得到了迅猛发展。“十四五”规划特别强调统筹地上地下空间利用，提升城市智慧化水平，推行城市楼宇、公共空间、地下管网等“一张图”数字化管理和城市运行一网统管。

城市综合管廊是建于城市地下，用于容纳城市工程管线的构筑物及附属设施，入廊管线一般包括水、电力、天然气、热力、通信等。城市地下综合管廊的施工建设，将城市给水、通信、电力等各种管线管网进行集约化建设，可有效解决城市交通拥堵、道路积水、路面反复开挖和管线破裂等问题，对城市管理和维护具有重要意义，被称为城市“生命线”工程。

城市地下综合管廊具有长度长，舱室多、结构复杂的特点。地下综合管廊的运维管理者，需要能直观地掌握地下管廊各构筑物的拓扑关系，及时了解人和物在地下管廊中的位置，需在地下管廊内进行导航与导览，快速标定人员及贵重资产位置，指挥救援，实时跟踪，优化巡检路线等日常工作。由于在地下综合管廊里无法接收到GPS 信号，在如此复杂的地下构筑物内，人员定位系统的设计方案及实现效果成为设计的重点难点。

2 需求设计分析

2.1 运维单位需求

（1）管廊内没有GPS 信号，需要其他定位技术在以BIM+GIS 技术的智慧管廊运维管理平台中实时显示人员位置、贵重资产位置。

（2）按照《GB 50838-2015 城市综合管廊工程技术规范》和《GB/T 51274-2017 城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》之规定，人员定位精度为不大于100m。但运维单位对此精度提出更细化的要求，要能够判断人员和资产所在的舱室和分区位置，系统支持廊下人员在遇到突发情况时可从最近的逃生井口逃生。

（3）可实现路径查询、路径分析，实现和上级应急办的数据交互。

（4）定位终端应满足IP65 防护等级和防爆要求。

2.2 设计分析

（1）定位技术分析。需要进行定位的对象包括日常运维人员、第三方人员、贵重资产、巡检机器人（预留）等。运维人员一般使用安卓系统的运维终端，可以使用Wifi 和蓝牙进行通信；人员入廊必须佩戴安全帽，可在安全帽上嵌入蓝牙模块，通过蓝牙进行通信；贵重资产一般采用RFID标签进行通信；巡检机器人一般采用Wifi进行通信。

综上所述，在地下综合管廊内，需要建立一套Wifi 网络，还需要支持蓝牙和RFID 的通信。通过市场调研，选用物联网AP 作为Wifi 网络的主设备，通过接插蓝牙和RFID 芯片的物联网模块，组成一套可同时接收Wifi、蓝牙、RFID 的物联网定位系统，达到造价最优的方案。

（2）定位精度分析。管廊舱室宽度一般在2-4.5m 范围，高度一般为2.5-3.5m 范围，进、排风井夹层一般为20-50 平米范围。每一个防火分区一般为200m。按照米级、10m 级、100m 级进行方案造价估算，影响造价的主要是物联网模块的数量，精度越高，模块数量越多，越密集，造价越高。最终运维单位确定了10m 级为本项目的定位精度。

（3）功能分析。本项目建立了一套基于BIM+GIS 技术的智慧管廊运维管理平台。由于定位系统不是一个独立的、平面的系统，需要加载到平台内进行定位功能的实现。每一个物联网AP 和模块均在GIS 大地坐标系下建立BIM 模型，要实现路径查询、路径分析，实现和上级应急办的数据交互。

（4）设备要求。地下综合管廊内在夏季湿度较高，凝露现象严重，要求设备必须满足IP65 以上防护等级，在燃气舱安装时，还要满足防爆等级。物联网AP 可满足上述要求，而蓝牙信标和RFID 感应器必须进行定制化外观设计，并通过国家相关检测机构的检测（图2）。

图1 地下综合管廊结构示意图

图2 物联网模块及蓝牙、RFID 芯片

3 方案设计

本次方案设计为北京大兴新机场临空经济区地下综合管廊，是为大兴新机场提供水电气热通信等主干管线的配套建筑设施，全长11.4 公里，全线五个舱室（水舱、水信舱、电力一舱、电力二舱、燃气舱），共68 个进排风井夹层。

图3 人员定位系统架构图

3.1 前端点位设计

普通物联网AP 的布放方式不适用管廊这种狭长空间内使用，需要使用定向物联网AP 进行传输。每一个定向物联网AP 间距为100m，物联网模块间距20m 与物联网AP 连接。在进、排风井夹层等开放区域，采用全向物联网AP。物联网AP 通过支架吊装，支架高度以AP 与AP 间无遮挡为准。物联网模块吸附在顶板上安装（图4、5）。

图4 人员定位系统前端点位图

图5 定向物联网AP、全向物联网AP 和物联网模块安装图

3.2 传输网络设计

物联网模块通过六类非屏蔽网线“手拉手”串接到物联网AP 上。物联网AP 通过六类非屏蔽网线连接到该分区夹层的接入交换机上，通过管廊的计算机网络系统进行传输，在核心层设置有无线网络AC 控制器和核心交换。

3.3 应用层设计

在数据机房内设置有人员定位系统服务器和人员定位软件，负责人员定位系统的管理与数据存储。人员定位软件将定位结果采用HTTP 协议对外开放接口，为智慧管廊运维管理平台实时提供二维数据，位置表示为A（x，y）。智慧管廊运维管理平台通过坐标系转换算法转化为大地坐标系，位置表示为A（L,B,H），实现运维单位要求的相关功能。

4 定位算法及测试

4.1 基于RSSI 测距原理的加权质心定位算法

基于RSSI 测距原理的加权质心定位算法是目前定位产品市场上应用最为普遍的算法，已经比较成熟。

（1）测距原理

Received Signal Strength Indicator（RSSI）是衡量接收信号强度的一个相对值，它随距离的增大而衰减，通常为负值，该值越接近零说明信号强度越高。

无线信号的发射功率和接收功率之间的关系如下[1]：

PR是无线信号的接收功率，PT是无线信号的发射功率，r 是收发单元之间的距离，n 是传播因子，取决于无线信号传播环境。

将物联网模块的发射功率带入式中可得：

A 可作为信号传输1 米时接收信号的功率，是接收信号功率转换为dBm 的表达式，换算得到：

（2）算法

以三边定位算法为依据，以三边距离值的倒数为权值作为不同物联网模块的影响因子，这就是加权质心定位算法。假设已知室内各物联网模块的坐标位置O1（x1，y1），O2（x2，y2）, O3（x3，y3），移动终端的坐标位置为（x,y），由RSSI 测距原理测得每个物联网模块到终端的距离分别为d1，d2，d3。以这三个物联网模块为圆心，d1，d2，d3为半径做圆，相交的区域焦点为A、B、C（图6）[2]。

图6 三边定位算法示意

根据加权质心定位算法可以得出移动终端的坐标位置为：

但是，在管廊内，因为物联网模块的安装位置在一条直线上，无法由三边定位算法进行计算，只能由二边进行计算。则公式简化为：

（3）测试与分析

通过专业测试工具在现场进行测试，发现RSSI 波动非常剧烈，信号强度差在10-20db，多次出现人员定位信号丢失或剧烈跳动的情况。如图7、8 所示。

图7 RSSI 波动曲线

图8 信号强度波动曲线

经分析，主要原因有以下几方面：

（1）RSSI 测距原理受环境因子n 的影响较大，管廊内空间狭长，安装的设备和支架密集，漫反射严重；同时廊内潮湿，环境恶劣，造成n 值偏差较大；

（2）另一个原因是三边定位法改成了二边定位法，算法精准度大受影响。

由此得出结论，基于RSSI 测距原理的加权质心定位算法不适用地下综合管廊的人员定位系统。

4.2 基于RTT 原理的双曲线定位算法

（1）测距原理

RTT（Round Trip Time）是信号发送到接收一次的时间。如图9 所示。

图9 RTT 测距原理图

其中c 为光速。

（2）算法

根据信号到达两个物联网模块的时间差，则可以确定定位终端位于以这两个物联网模块为焦点的双曲线上。如果有三个以上的基站,则可以建立起多个双曲线方程，这些双曲线方程的交点就是定位标签的二维坐标位置（图10）。

图10 双曲线定位算法示意图

解公式4-8 的方程，即可得到定位终端的坐标。

（3）测试与分析

经现场实测，基于RTT 原理的双曲线定位算法定位精度约为10～15m，抖动范围在1～2m，定位效果偶尔发生位置跳动的情况（图11）。

图11 基于RTT 原理的双曲线定位算法抖动测情况

经分析，位置跳动与廊内干扰有关，导致到达2 个物联网模块的时间不准，出现了不稳定的情况。定位效果基本达到设计需求。

4.3 坐标系转换

由以上算法计算出的坐标都是二维坐标（x，y），按设计需求，要将二维坐标系转换为大地坐标系。

按照物联网AP 和物联网模块的安装位置建立的管廊BIM 模型，参照国家2000 大地坐标系加载，则每个设备均可得到在大地坐标系中的位置，用经度L、纬度B、高程H 来表示。但我们一般习惯用空间直角坐标系进行长度、距离、面积等计算。空间直角坐标系的坐标原点位于参考椭球的中心，Z 轴与椭球的旋转轴一致，指向参考椭球的北极; X 轴指向起始子午面与赤道的交点，Y 轴位于赤道面上，按右手系与X 轴正交成90°夹角。大地坐标系不太便于日常计算，这就需要将大地坐标系和空间直角坐标系进行转换，即位置P（L,B,H）和位置P（X,Y,Z）之间进行转换。见两种坐标系示意图12[3]。

图12 大地坐标系和空间直角坐标系示意模型

已知位置P（L,B,H），则P（X,Y,Z）按下面公式计算：

a 为地球椭球的长半轴，b 为地球椭球的短半轴。

这样，我们就可以在空间直角坐标系内进行人员定位的各种计算了。

经过计算后的空间直角坐标系位置，还需要转换为大地坐标系位置。

已知位置P（X,Y,Z），则P（L,B,H）按下面公式计算：

通过两次算法的转换，可以实现地下管廊在大地坐标系下进行导航与导览，快速标定人员及贵重资产位置，指挥救援，实时跟踪，优化巡检路线等日常工作，实现了和城市管理平台的坐标系统一（图13、14）。

图13 人员定位系统在GIS 地图上的定位效果

图14 人员定位系统BIM 模型上的定位效果

5 结论

城市地下综合管廊作为新型建筑的具体表现形式，已经得到政府的高度重视，在“十四五”规划中被纳入集约型城市化建设的基础设施。在新基建的浪潮下，管廊的人员定位系统承载着从智能化向智慧化运维的重要作用，是以人为本的管理重要展现形式。

本文从管廊运维单位对人员定位系统的需求出发，经过方案设计、算法设计及现场测试，最终确定了最适合管廊的配套方案。

随着5G 技术发展，人员定位系统的方案也会迎来技术迭代和升级。通过本项目的设计与分析方法，理论结合实际测试，不断进行修正，持续不断的更新技术方案，最终实现为运维单位实现降低运维成本以及提高运维效率的长远目标。