本發(fā)明涉及隧道施工安全領(lǐng)域，具體涉及一種基于CSS技術(shù)的隧道人員定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隧道施工是在進(jìn)行鐵路、公路等陸上交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中經(jīng)常遇到的，特別是西部大開發(fā)、中部崛起、東北振興等戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，將會(huì)修建更多的公路、鐵路。然而我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，許多地區(qū)崇山峻嶺，山區(qū)面積占國(guó)土面積的69％，這就意味著我國(guó)隧道的建設(shè)將進(jìn)入一個(gè)嶄新的高潮階段。隨著我國(guó)隧道工程逐漸增多，其工程特殊性導(dǎo)致施工過程中人身安全問題逐漸凸顯。目前，我國(guó)隧道人員定位系統(tǒng)應(yīng)用較廣的是ZigBee定位技術(shù)或RFID定位技術(shù)，兩者的缺點(diǎn)是穿透性和抗干擾能力比較差，測(cè)距范圍較短，在實(shí)施的過程中需要布置大量的參考節(jié)點(diǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。為了在隧道施工時(shí)，對(duì)人員進(jìn)行定位，保障施工安全，特便是發(fā)生事故時(shí)，確定遇險(xiǎn)人員數(shù)量、位置及分布信息，及時(shí)開展救援工作，進(jìn)而提高救援效率，同時(shí)減少現(xiàn)有定位系統(tǒng)參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量的布置，需要開發(fā)一種新型隧道人員定位系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于CSS技術(shù)的隧道人員定位系統(tǒng)及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)人員實(shí)時(shí)精確定位，保障施工安全，減少參考節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)量。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于CSS技術(shù)的隧道人員定位系統(tǒng)采用的技術(shù)方案為：

包括間隔布置在隧道兩側(cè)的參考節(jié)點(diǎn)，所述的參考節(jié)點(diǎn)包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、天線模塊以及用于給微處理器模塊和數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行供電的電源模塊；所述的微處理器模塊連接無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋?qū)y(cè)距數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)端；隧道人員攜帶能夠被參考節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的移動(dòng)標(biāo)簽，所有參考節(jié)點(diǎn)對(duì)其循環(huán)檢測(cè)。

所述的參考節(jié)點(diǎn)間隔60m部署在隧道兩側(cè)，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)離地高度2m。

所述的參考節(jié)點(diǎn)每四個(gè)分為一組，每組包括一個(gè)主參考節(jié)點(diǎn)以及三個(gè)次參考節(jié)點(diǎn)，主參考節(jié)點(diǎn)具有串口通信模塊，通過串口通信模塊實(shí)現(xiàn)微處理器模塊與無線網(wǎng)橋的連接。

所有的主參考節(jié)點(diǎn)布置在隧道的一側(cè)，無線網(wǎng)橋間隔120m部署在主參考節(jié)點(diǎn)上方。

所述的遠(yuǎn)程服務(wù)端包括遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、遠(yuǎn)程服務(wù)器和手機(jī)終端。

所述的無線網(wǎng)橋外接能夠?qū)y(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的顯示模塊。

所述的微處理器模塊選用Atmega128L芯片，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊選用nanoPAN5375模塊；所述的天線模塊包括BOJU2.4G天線和功率放大器；無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊，GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊據(jù)通過ODBC接口連接遠(yuǎn)程服務(wù)端。

本發(fā)明基于CSS技術(shù)的隧道人員定位方法，包括以下步驟：

步驟一、通過公式(1)計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽和參考節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離S：

其中，T₁、T₃為參考節(jié)點(diǎn)和電子標(biāo)簽測(cè)距的傳播延時(shí)時(shí)間；T₂、T₄為兩者處理測(cè)距的延時(shí)時(shí)間，V為信號(hào)在空氣介質(zhì)中的傳播速度。

步驟二、參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(1)計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置；

步驟三、參考節(jié)點(diǎn)的篩選；

步驟四、優(yōu)選四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)三邊測(cè)量法進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)簽粗略計(jì)算，四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x_i,y_i)，參考節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)標(biāo)簽的距離為d_i,i＝1,2,3,4；移動(dòng)標(biāo)簽坐標(biāo)為(m,n)；

根據(jù)已知條件列出公式(2)如下：

步驟五、對(duì)由公式(2)初步計(jì)算的移動(dòng)標(biāo)簽粗略位置用公式(3)進(jìn)行坐標(biāo)平均處理，作為移動(dòng)標(biāo)簽的位置，記為(x,y)，計(jì)算公式如下：

所述步驟三參考節(jié)點(diǎn)在篩選時(shí)舍去和移動(dòng)標(biāo)簽之間距離小于3m的參考節(jié)點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明隧道人員定位系統(tǒng)具有如下的有益效果：當(dāng)移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)隧道內(nèi)人數(shù)，選擇每次需要測(cè)距的人數(shù)，然后逐批循環(huán)測(cè)距。參考節(jié)點(diǎn)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)一路傳到項(xiàng)目部處理后進(jìn)行顯示，另一路經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳遞到遠(yuǎn)程服務(wù)端用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確無誤的自動(dòng)考勤，解決了以往手工考勤出現(xiàn)的疏漏，系統(tǒng)記錄的是人員的實(shí)時(shí)考勤信息，大幅提高了準(zhǔn)確度和可靠度，使人為因素的影響減到最小，同時(shí)能夠確定出施工人員的數(shù)量、位置及分布信息，一旦發(fā)生事故，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)確定施工人員的位置，及時(shí)開展救援工作，提高了救援效率。本發(fā)明的工作可靠性高，CSS相比較目前廣泛應(yīng)用于隧道人員定位系統(tǒng)的ZigBee和RFID穿透性、抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)很少由于障礙而中斷位。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)成本較低，使用壽命長(zhǎng)，安裝、操作方便。本發(fā)明的實(shí)用性強(qiáng)，能夠和隧道視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并制止、糾正施工人員的違規(guī)操作及危險(xiǎn)動(dòng)作，將人員損失、經(jīng)濟(jì)損失減少到最小。該系統(tǒng)能夠節(jié)約大量的人力、物力，提高科學(xué)管理水平，為隧道施工帶來便利。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于隧道人員定位系統(tǒng)的定位方法具有如下的有益效果：采用對(duì)稱雙向雙邊測(cè)距法(SDS-TWR)，測(cè)出參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽之間的雙向信號(hào)傳播時(shí)間，然后根據(jù)速度、時(shí)間、距離公式得出參考節(jié)點(diǎn)相對(duì)于移動(dòng)標(biāo)簽的距離，最后利用定位算法進(jìn)行計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置。這種測(cè)距方法既不用參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽之間的時(shí)鐘同步，也不用參考節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步，實(shí)施起來比較容易，能夠確定出施工人員的數(shù)量、位置及分布信息。

附圖說明

圖1本發(fā)明施工現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖；

圖2本發(fā)明系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖；

附圖中：1-微處理器模塊；2-數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；3-天線模塊；4-電源模塊；5-無線網(wǎng)橋；6-無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊；7-遠(yuǎn)程服務(wù)端；8-顯示模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

參見圖1，在隧道兩側(cè)每隔60m部署一個(gè)CSS參考節(jié)點(diǎn)，離地高度兩米左右，每四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)分為一組，每組中定義一個(gè)主參考節(jié)點(diǎn)，其余為次參考節(jié)點(diǎn)，區(qū)別在于主參考節(jié)點(diǎn)有串口通信模塊，可以向無線網(wǎng)橋5傳輸測(cè)距數(shù)據(jù)。所有主參考節(jié)點(diǎn)分布在隧道的一側(cè)，在這一側(cè)每隔120m架設(shè)一對(duì)無線網(wǎng)橋5，布置在相應(yīng)主參考節(jié)點(diǎn)的上方，具體位置可以適當(dāng)調(diào)整，用于整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。從隧道傳出的數(shù)據(jù)一路接到了項(xiàng)目部，用于本地管理；另一路經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊6傳到遠(yuǎn)程服務(wù)端7方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于nanoPAN5375模塊支持外接天線和外圍功率放大器，因此在具體實(shí)施過程中可以根據(jù)具體情況適當(dāng)進(jìn)行功率放大并安裝外部天線，從而進(jìn)一步減少參考節(jié)點(diǎn)的布置，降低成本。

參見圖2，本發(fā)明定位系統(tǒng)總體包括了電源模塊4、天線模塊3、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2、微處理器模塊1、無線網(wǎng)橋5、顯示模塊8、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊6、遠(yuǎn)程服務(wù)端7，其中遠(yuǎn)程服務(wù)端7包括遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、遠(yuǎn)程服務(wù)器、手機(jī)終端。參考節(jié)點(diǎn)是由電源模塊4、天線模塊3、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊2、微處理器模塊1等構(gòu)成的，移動(dòng)標(biāo)簽和參考節(jié)點(diǎn)用同樣的設(shè)計(jì)，區(qū)別在于天線選擇可以不同，參考節(jié)點(diǎn)主要考慮的是通信問題，可以選擇稍大體積的天線模塊，而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要考慮是便攜性和低功率性，所以必須選擇體積小的天線模塊。

參見圖3，本發(fā)明定位系統(tǒng)具體包括電源模塊4、BOJU2.4G天線、nanoPAN5375無線射頻模塊、Atmega128L芯片模塊、無線網(wǎng)橋5、LED顯示模塊、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、遠(yuǎn)程服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦、手機(jī)終端。其中，BOJU2.4G天線通過nanoPAN5375無線射頻模塊的外接天線接口與其相連，增大通信距離。nanoPAN5375模塊通過SPI通訊接口與Atmega128L芯片模塊連接，源模塊為其供電。由BOJU2.4G天線、nanoPAN5375無線射頻、Atmega128L芯片以及電源模塊構(gòu)成節(jié)點(diǎn)。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)完移動(dòng)標(biāo)簽的位置信息后由主參考節(jié)點(diǎn)通過RS232或USB轉(zhuǎn)網(wǎng)線口連接線與無線網(wǎng)橋連接，無線網(wǎng)橋?qū)y(cè)距信息傳出隧道外，一路傳到項(xiàng)目部，經(jīng)算法處理后顯示在LED顯示模塊上，用于本地管理；另一路經(jīng)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊傳到遠(yuǎn)程服務(wù)端。

遠(yuǎn)程服務(wù)端的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊接入遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器上連接遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦和手機(jī)終端，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)。遠(yuǎn)程服務(wù)器與GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接，將從GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收到的數(shù)據(jù)通過ODBC接口存入遠(yuǎn)程服務(wù)器中的SQL數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦的服務(wù)平臺(tái)通過ODBC接口與遠(yuǎn)程服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫通信，實(shí)現(xiàn)隧道人員的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位、保障施工安全。同時(shí)用戶可在任何地方通過連接Internet的計(jì)算機(jī)或手機(jī)終端使用授權(quán)的用戶密碼登陸服務(wù)器網(wǎng)站，查詢隧道人員實(shí)時(shí)定位，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

本發(fā)明的工作原理及過程是：

當(dāng)移動(dòng)標(biāo)簽進(jìn)入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線網(wǎng)定位系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)隧道內(nèi)人數(shù)，選擇每次需要測(cè)距的人數(shù)，然后一批一批循環(huán)測(cè)距。首先主參考節(jié)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)標(biāo)簽測(cè)距并通知次參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，次參考節(jié)點(diǎn)完成測(cè)距后，將數(shù)據(jù)回傳給主參考節(jié)點(diǎn)。然后主參考節(jié)點(diǎn)通過RS232或USB轉(zhuǎn)接網(wǎng)線口連接線將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到無線網(wǎng)橋5，無線網(wǎng)橋5將數(shù)據(jù)一路傳到項(xiàng)目部處理后在LED屏上顯示，一路經(jīng)過GPRS無線通信模塊傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本發(fā)明基于CSS技術(shù)的隧道人員定位方法，包括以下步驟：

步驟一，采用基于對(duì)稱雙向雙邊測(cè)距法(SDS-TWR)進(jìn)行測(cè)距，移動(dòng)標(biāo)簽和參考節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離S可以由公式1得出，

其中，T₁、T₃為參考節(jié)點(diǎn)和電子標(biāo)簽測(cè)距的傳播延時(shí)時(shí)間；T₂、T₄為兩者處理測(cè)距的的延時(shí)時(shí)間，V為信號(hào)在空氣介質(zhì)中的傳播速度。

步驟二，主參考節(jié)點(diǎn)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳給處理服務(wù)器，處理服務(wù)器根據(jù)公式(1)計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置；

步驟三，參考節(jié)點(diǎn)的篩選，由于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)屬于中遠(yuǎn)程的無線測(cè)距技術(shù)，近距離測(cè)距誤差比較大，1～3m，測(cè)量相對(duì)誤差29.0％～42.1％，大于3m后誤差急劇較小，因此采用定位算法計(jì)算之前，舍去和移動(dòng)標(biāo)簽之間距離小于3m的參考節(jié)點(diǎn)；

步驟四，優(yōu)選四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)三邊測(cè)量法進(jìn)行移動(dòng)標(biāo)簽粗略未知的計(jì)算，假設(shè)四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(x_i,y_i)，參考節(jié)點(diǎn)到移動(dòng)標(biāo)簽的距離為d_i,i＝1,2,3,4；移動(dòng)標(biāo)簽坐標(biāo)為(m,n)，則根據(jù)已知條件列出公式(2)；

由于有四個(gè)參考坐標(biāo)，并且三邊測(cè)量法需要三個(gè)不同的坐標(biāo)，因此公式(2)能夠計(jì)算出四個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽的粗略位置。

步驟五，對(duì)由公式(2)初步計(jì)算的移動(dòng)標(biāo)簽粗略位置用公式(3)進(jìn)行坐標(biāo)平均處理，作為移動(dòng)標(biāo)簽的位置，記為(x,y)；

本發(fā)明專利采用對(duì)稱雙向雙邊測(cè)距法(SDS-TWR)，測(cè)的是參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽之間的雙向信號(hào)傳播時(shí)間，然后根據(jù)速度、時(shí)間、距離公式得出參考節(jié)點(diǎn)相對(duì)于移動(dòng)標(biāo)簽的距離，最后利用定位算法進(jìn)行計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽的位置。這種測(cè)距方法既不用參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)標(biāo)簽之間的時(shí)鐘同步，也不用參考節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步，實(shí)施起來比較容易。