CN112890781A - 城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统 - Google Patents

城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于，包括：定位及环境监测模块、生理信号监测模块、定位基站及网络模块和监管端；所述定位及环境监测模块用于执行人员定位、温湿度、烟雾、可燃气体的环境监测；生理信号监测模块采集被监测人员的体征信息，体征信息包括：体温、脉搏、血氧和运动动作；定位基站及网络模块提供人员定位的基准信息，并提供网络连接功能，将定位及环境监测模块的信息发送到监管端，监管端用于接收信息并显示；本发明的优点是：有效降低意外事故造成的人员伤亡和财产损失，实现隧道或城市轨道地下施工的智能化、可视化、数字化，加快施工进度，保证施工质量。

Description

城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统
技术领域
本发明涉及轨道或地下施工人员安全技术领域，特别涉及一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统。
背景技术
由于城市轨道地下施工现场环境复杂，测距信号易受到噪声、遮挡等干扰因素影响，导致人员定位精度不高，当发生事故时无法准确判断被困人员的数量和具体位置。目前，国内外用于城市轨道地下施工现场的定位技术主要有红外线定位技术、超声波定位技术、射频识别技术和ZigBee技术等。红外定位技术可以实现高精度定位，但是红外线只能进行视距传播，且穿透能力差，极易受到灯光、烟雾等环境因数影响，当红外信号被遮挡时便无法正常工作，而且红外线的传播距离也有限。超声波定位技术也可以实现高精度定位，结构也相对简单，并且具有一定的穿透能力和很强的抗干扰能力，但是超声波在空气中传播时衰减很大，容易受到多径效应和非视距传播影响，因此只适合应用在近距离的小场合。射频识别技术通过接收基站监测标签发射的信号强度来获取相应的距离值，最后计算出标签的坐标位置，其通信距离在几十米以内，具有非接触和非视距传播的优点，但是其定位精度低，在室内环境中信号衰弱明显。ZigBee技术通过协调控制节点、协调器和路由之间的相互通信来实现定位，其优点是功耗低、通信效率高，但是其室内定位精度不高，而且容易受到环境影响。
此外，目前城市轨道地下封闭现场施工过程中的人员监管系统仅能对人员的位置和活动轨迹进行监管，但是对施工人员的工作状态和身体状况无法及时监管。工作人员在施工过程中发生中毒、窒息、虚脱、昏迷等紧急状况时无法实时获取人员生理状态信息，无法及时进行救援。
现有技术一
UWB定位方案
UWB(超宽带)技术是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行无线通信的方式。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
现有技术一的缺点
定位精度高，但没有融合人员生理信号监测、现场环境监测、人员管理等功能。
现有技术二
GPS定位+智能手环：
室外施工情况下，为了实时获得定位信息和人员的生理参数，可以采取GPS定位技术结合智能手环采集生理信息的方法。
GPS的定位原理是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS的位置。GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。空间部分是由24颗工作卫星组成，它们均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象；控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成，主要负责GPS卫星阵的管理控制；用户设备部分主要是GPS接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信息和观测量，经数据处理实现定位。
智能手环用于脉搏、体温、运动情况等生理参数采集，智能手环由传感器、存储器、电池、震动马达等部分组成，部分高端手环集成了GPS定位功能。
现有技术二的缺点
(1)可以同时进行定位并监测人员的生理状况及运动状况，但仅适用于室外环境，在室内或地下隧道内无法实现定位；
(2)在没有基站信号或wifi信号环境下无法及时将数据上传。
(3)定位精度为米级。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，包括：定位及环境监测模块、生理信号监测模块、定位基站及网络模块和监管端；
所述定位及环境监测模块用于执行人员定位、温湿度、烟雾、可燃气体的环境监测，并通过无线网络将信息传输给定位基站及网络模块。生理信号监测模块采集被监测人员的体征信息，体征信息包括：体温、脉搏、血氧和运动动作，通过蓝牙方式与定位及环境监测模块进行通信。定位基站及网络模块提供人员定位的基准信息，并提供网络连接功能，将定位及环境监测模块的信息发送到监管端，监管端用于接收定位及环境监测模块和生理信号监测模块的信息，并显示。
所述定位及环境监测模块安装于安全帽上，由通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组、电池、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和可燃气体传感器组成；
通信装置用于接收生理信号监测模块信号，并将定位及环境监测模块和生理信号监测模块收集的信息发送至定位基站及网络模块。
核心处理器负责采集传感器数据、收集分析定位模组数据、控制报警装置和通信装置。
报警装置在系统检测到环境异常或人员生理信号异常(通过蓝牙获取生理信号监测模块信息)时自动发送报警信号。
定位模组采用UWB技术发送纳秒级窄脉冲信号，将位置信息传送给定位基站及网络模块。
电池用于为通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组和传感器供电。
所述生理信号监测模块佩戴在手腕上，由蓝牙通信装置、核心处理器、存储器、震动马达、温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器组成；
蓝牙通信装置负责与定位及环境监测模块进行无线通信；核心处理器负责采集传感器数据、控制存储器存取数据、控制震动马达和通信装置，震动马达用于提示危险环境或生理参数异常，运动传感器用于收集佩戴者动作，存储器负责存储和提取温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器收集的数据。
定位基站及网络模块是由路由器和多个基站节点组成的一个无线局域网络，网络由路由器通过基站节点进行无线链接组成IPV6 Mesh网络，基站节点安装在封闭施工现场上方。定位模块定时与基站节点进行无线通信，实现实时定位。
进一步地，基站节点之间的间隔为300至600米。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
有效降低意外事故造成的人员伤亡和财产损失，实现隧道或城市轨道地下施工的智能化、可视化、数字化，加快施工进度，保证施工质量。
附图说明
图1是本发明实施例监管系统结构示意图；
图2是本发明实施例定位及环境监测模块结构示意图；
图3是本发明实施例生理信号监测模块结构示意图；
图4是本发明实施例定位基站及网络模块结构示意图。
图中：1.定位基站，2.定位及环境监测模块，3.生理信号监测模块，4.桥节点，5.交换机，6.路由器，7.服务器，8.网络。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
本发明包含3个部分：定位基站1及网络、定位及环境监测模块2、生理信号监测模块3，系统的基本结构如图1所示。其中定位及环境监测模块2执行定位、温湿度、可燃气体等环境监测，并通过无线网络将信息传输给定位基站1。生理信号监测模块3采集被监测人员的体温、脉搏、运动动作等信息，通过蓝牙方式与定位及环境监测模块2进行通信。定位基站1提供人员定位的基准信息，并提供网络连接功能。
(1)定位及环境监测模块
定位及环境监测模块2由通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组和多种传感器构成，如图2所示。通信装置负责与其他子系统进行无线通信；核心处理器负责采集传感器数据、收集分析定位数据、控制报警装置和通信装置的功能。报警装置在系统检测到环境异常或人员生理信号异常(通过蓝牙获取生理信号监测模块信息)时自动发送报警信号。定位模组采用UWB技术发送纳秒级窄脉冲信号，保证其多径信号在时间上得到分离，传播过程中受到反射波和折射波的影响也不会在时间上重叠，能够有效抑制信号衰落，进而获得极高的多径分辨力。
(2)生理信号监测模块
生理信号监测模块3由蓝牙通信装置、核心处理器、存储器、震动马达和多种传感器构成，如图3所示。蓝牙通信装置负责与定位及环境监测模块进行无线通信；核心处理器负责采集传感器数据、控制存储器存取数据、控制震动马达和通信装置的功能。模块监测到人员生理信号异常或行动异常时自动控制震动马达提醒佩戴人员注意自身安全，并通过蓝牙通信装置，发送信息给定位及环境监测模块，并最终上传给网络监管主机。
(3)定位基站及网络
定位基站及网络模块由定位基站1、桥节点4、交换机5、路由器6、服务器7、网络8组成一个网络，如图4所示。网络符合IEEE 802.15.4a标准，网络由路由器6通过桥节点4和各个定位基站1进行无线链接组成IPV6 Mesh网络，定位模块定时与定位基站1进行无线通信，实现实时定位。
定位及环境监测模块2采用基于到达时间差方法(TDOA)进行实时定位，需要定位基站2之间保持时间同步，并保持定位基站2连接到同一网络中，使得系统实现精准定位，定位精度达到厘米级。其原理是选取一个定位基站2作为时间参考定位基站，目标节点向所有定位基站2发射定位信标，根据其他定位基站2接收到信标的时间戳减去参考定位基站2接收到信标的时间戳就可以得到信标到达不同定位基站2的时间差，从而计算出定位基站2与目标节点的距离差。根据目标节点到两个定位基站2之间的距离差就可以确定一条唯一的双曲线，在二维坐标系中至少需要三个定位基站2来确定两条双曲线，双曲线的交点就是目标节点的坐标。在定位系统中首先获得待测目标位置的测量信息，再建立相应的定位数学模型，然后根据这些信息和建立的数学模型利用TDOA定位算法来计算目标的位置坐标。
服务器7配置定位人员实施监督管理软件，系统的软件设计采用分层结构，各层之间从应用层开始依次调用下一层来完成测距定位功能。此外可以对施工人员进行分组管理，设置不同的权限，结合电子围栏功能限定施工人员的工作区域。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于，包括：定位及环境监测模块、生理信号监测模块、定位基站及网络模块和监管端；
所述定位及环境监测模块用于执行人员定位、温湿度、烟雾、可燃气体的环境监测，并通过无线网络将信息传输给定位基站及网络模块；生理信号监测模块采集被监测人员的体征信息，体征信息包括：体温、脉搏、血氧和运动动作，通过蓝牙方式与定位及环境监测模块进行通信；定位基站及网络模块提供人员定位的基准信息，并提供网络连接功能，将定位及环境监测模块的信息发送到监管端，监管端用于接收定位及环境监测模块和生理信号监测模块的信息，并显示。
2.根据权利要求1所述的一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于：所述定位及环境监测模块安装于安全帽上，由通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组、电池、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和可燃气体传感器组成；
通信装置用于接收生理信号监测模块信号，并将定位及环境监测模块和生理信号监测模块收集的信息发送至定位基站及网络模块；
核心处理器负责采集传感器数据、收集分析定位模组数据、控制报警装置和通信装置；
报警装置在系统通过蓝牙获取生理信号监测模块信息时检测到环境异常或人员生理信号异常，会自动发送报警信号；
定位模组采用UWB技术发送纳秒级窄脉冲信号，将位置信息传送给定位基站及网络模块；
电池用于为通信装置、核心处理器、报警装置、定位模组和传感器供电。
3.根据权利要求2所述的一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于：所述生理信号监测模块佩戴在手腕上，由蓝牙通信装置、核心处理器、存储器、震动马达、温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器组成；
蓝牙通信装置负责与定位及环境监测模块进行无线通信；核心处理器负责采集传感器数据、控制存储器存取数据、控制震动马达和通信装置，震动马达用于提示危险环境或生理参数异常，运动传感器用于收集佩戴者动作，存储器负责存储和提取温度传感器、脉搏传感器、血氧传感器、运动传感器收集的数据。
4.根据权利要求3所述的一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于：定位基站及网络模块是由路由器和多个基站节点组成的一个无线局域网络，网络由路由器通过基站节点进行无线链接组成IPV6 Mesh网络，基站节点安装在封闭施工现场上方；定位模块定时与基站节点进行无线通信，实现实时定位。
5.根据权利要求4所述的一种城市轨道地下封闭施工现场人员动态定位实时监管系统，其特征在于：基站节点之间的间隔为300至600米。
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