CN113099463A - 基于bim和进度计划的uwb基站布局分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于BIM和进度计划的UWB定位基站布局分析系统及方法，包括：在基于融合BIM模型和进度计划的基础上，由系统自动生成施工现场空间动态变化的4D仿真及可视化展示，通过三维可视化的现场空间变化，系统可以辅助寻找UWB定位基站的布设位置。将沿着轨迹线移动的UWB标签与固定基站天线中心之间不断生成连线，在上述连线被其他的设备或构件碰撞的状态下，分析系统自动提示移动的UWB标签与基站之间存在非视距干扰；在动态4D仿真中，以基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，分析系统自动提示存在多径干扰。本发明对优化实际工程施工现场的UWB基站布局有较好的指导作用，具有良好的推广前景。

Description

基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统及方法

技术领域

本发明涉及室外定位技术，具体地，涉及一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统及方法。

背景技术

室外定位技术经过多年发展已经比较成熟，并且全球定位系统(GPS)的精度已经达到“十米级”，甚至某些军事应用的精度已经控制在“米级”以内。因为建筑物对信号的遮挡，GPS等室外定位技术无法应用到室内。实时室内定位的主要途径包括机器视觉、红外、超声、惯性传感器以及多种基于电磁波的定位技术。基于机器视觉的定位技术虽然实施便利、成本较低，但在施工现场由于恶劣环境与遮挡、光照等应用范围收到很大限制。红外线定位系统的布设施工简单，定位精度相对较高，但是因为红外线穿透能力差，并且容易被室内的其他光源干扰。基于超声波的定位技术也易受环境遮挡影响，且超声波在空气中衰减较快；惯性导航的定位误差随着行走时间增加不断累积，一般用于没有其他信号时的辅助定位，如结合GNSS进行辅助导航；基于电磁波的室内定位技术包括射频识别、LTE、蓝牙、WIFI、Zigbee等，定位精度一般在2m甚至更多。因此，上述定位技术已经无法满足隧道、变电站等室内工程安装施工与巡检的需要。

超宽带(Ultra Wide band，UWB)是一种基于无载波通信的定位技术，具有GHz量级的带宽和纳秒级的时间分辨率。与需要载波的传统通信系统相比，UWB定位的精度不受信号强度的影响，距离测量精度可达到厘米级，抗电磁干扰能力也较好，因此，更加适用于环境恶劣、动态多变的施工现场。另外，UWB定位基站的部署也比较容易，安装成本低。

同时，建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术今年在建筑业得到大范围的推广应用，许多工程设计都有3D模型，在此基础上4D仿真技术融合三维的建筑模型的空间信息和进度计划的一维时间信息，可以利用4D仿真软件可视化地展现施工现场空间的动态占用情形。由此，可以通过BIM三维模型和进度计划生成4D的仿真，进而在虚拟的动态变化空间中分析基站布局以及多径与非视距干扰情况。

但是，目前施工现场UWB定位基站布设时，较少考虑上述空间动态变化因素，也很少有系统集成施工现场的动态空间变化的动态仿真，施工现场UWB基站布设的辅助分析仍旧存在诸多困难。针对上述问题，专门设计了能够更好地分析和优化定位基站布局的相关软件功能，包括自动生成随着时间动态变化的空间占用情况分析与可视化、根据构件和设备的存放位置及目标安装位置生成的初步三维移动轨迹，然后通过人机交互，分析者可以对初步三维运动轨迹进行修正，形成。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统及方法。

根据本发明提供的一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，包括：下位机系统和上位机系统；

所述下位机系统包括：移动标签和多个基站，所述移动标签通过UWE技术与所述基站进行定位得到距离数据，所述移动标签将距离数据通过所述基站传输至所述上位机系统；

所述上位机系统包括：定位计算模块和布局分析模块；

所述定位计算模块根据所述距离数据计算所述移动标签的三维坐标；

所述布局分析模块将BIM三维模型与时间进行关联，进行动态4D仿真；

其中，在所述动态4D仿真中，将所述移动标签与所述基站之间生成连线，在所述连线被其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断所述移动标签与所述基站之间存在非视距干扰；

在所述动态4D仿真中，以所述基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在所述三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断存在多径干扰。

优选地，所述上位机系统还包括卡尔曼滤波子模块，所述卡尔曼滤波子模块对所述距离数据进行卡尔曼滤波；

所述定位计算模块根据经过卡尔曼滤波后的距离数据计算所述移动标签的三维坐标。

优选地，所述基站包括一个主基站以及一个或多个从基站，所述主基站与所述上位机系统通信连接；

所述移动标签将距离数据通过所述主基站传输至所述上位机系统。

优选地，所述移动标签采用定时器中断来间歇启动。

优选地，所述移动标签和基站之间采用双边双向测距法进行测距。

根据本发明提供的一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，采用上述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，所述方法包括：

在所述动态4D仿真中，将所述移动标签与所述基站之间生成连线，在所述连线被其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断所述移动标签与所述基站之间存在非视距干扰；

在所述动态4D仿真中，以所述基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在所述三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断存在多径干扰。

优选地，所述上位机系统还包括卡尔曼滤波子模块，所述卡尔曼滤波子模块对所述距离数据进行卡尔曼滤波；

所述定位计算模块根据经过卡尔曼滤波后的距离数据计算所述移动标签的三维坐标。

优选地，所述基站包括一个主基站以及一个或多个从基站，所述主基站与所述上位机系统通信连接；

所述移动标签将距离数据通过所述主基站传输至所述上位机系统。

优选地，所述移动标签采用定时器中断来间歇启动。

优选地，所述移动标签和基站之间采用双边双向测距法进行测距。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

通过在模拟的施工空间中改变基站和移动标签的位置，更好地避免非视距和多径干扰。不仅进一步拓展实验教学平台的功能，而且在某变电站工程中的所做的案例分析表明，本发明对优化实际工程施工现场的UWB基站布局有较好的指导作用，具有良好的推广前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统架构示意图；

图2为本发明的软件界面图；

图3为UWB节点的结构示意图；

图4为SS-TWR和DS-TWR测距法的示意图；

图5为标签到各基站的距离示意图；

图6为卡尔曼滤波前后的对比示意图；

图7为非视距干扰对测距的影响示意图；

图8为多径效应对测距的影响示意图；

图9a、9b、9c、9d基于BIM模型和施工进度计划的4D仿真可视化示意图；

图10a、10b基于4D仿真的UWB定位非视距干扰分析示意图；

图11变压器室内UWB基站天线的多径干扰分析。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种基于BIM和施工进度计划的UWB基站布局分析系统及方法，包括：下位机系统和上位机系统。图1中的UWB下位机系统包括1个主基站、3个从基站和1个移动标签，上述5个基站和移动标签的硬件和固件完全相同，通过PCB板上的按键将分别将其设置为主基站、从基站、移动标签，定位系统只有一个主基站与上位机连接，但可以配置更多从基站和多个移动标签。UWB移动标签上的固件计算移动标签与基站之间的距离，将距离值发送给主基站，进而以串口通讯的方式传输给上位微机。上位机系统的定位功能包括串口通讯、滤波、位置计算，主基站将每个移动标签与周围基站的距离数据通过串口传输给上位机，然后进行卡尔曼滤波，通过多边定位算法计算标签的三维坐标。另一方面，布局分析功能主要包括现场空间4D仿真、基站布局分析以及标签典型轨迹分析。由此，可以帮助设计和施工管理人员预先优化基站的布局，更加有效地避免多径和非视距干扰造成的定位误差，更好地支持现场的施工监测。

基于BIM的UWB定位软件界面如图2所示。软件中在三维模型中布设虚拟基站，其位置与施工现场的实际布设位置相对应，通过Rhino CAD软件可以直接获取基站的三维坐标。比如，图2中主基站A在BIM模型世界坐标系中的坐标是(4510,1660.770)。通过四个基站的坐标就可以推算佩戴标签的人员或设备的坐标，为施工管理提供定位信息。

下位机系统中，UWB节点的硬件系统组成如图3所示。主控制器采用ST公司的高性能Cortex-M3 ARM处理器STM32F103，其主频为72MHz，运算能力满足系统的需求。UWB芯片采用Decawave公司的兼容IEEE802.15.4-2011标准的DW1000芯片，支持的数据速率高达6.8Mbps，可通过编程控制发射功率，该芯片内部已经集成了RF收发器，仅需外置巴伦与天线连接，从而实现射频信号的发射与接收。STM32F103与DW1000之间通过SPI和GPIO进行通讯，供电使用5V直流电。另外，按键用于切换当前UWB节点的工作模式，而OLED显示器用于显示UWB节点的工作模式(主基站、从基站、标签)和预设ID。

因为UWB移动标签携带的电池体积有限，为了降低其功耗以延长续航时间，为此采用了定时器中断来间歇启动任务。每次启动定时器的中断后，STM32向DW1000芯片发送指令执行一次测距和发送数据的操作，然后将DW1000芯片设置为深度休眠模式，此时DW1000的工作电流降低到100nA以下，最后STM32自身也进入休眠模式，等待下一个周期的定时器中断信号来唤醒。为了保证定位的实时性，本实验平台将定时器中断的产生频率设置为1Hz。

在采用飞行时间(Time of Flight，TOF)法测距时，UWB芯片的时钟漂移是产生测距误差的一个主要来源。本实验平台采用了IEEE 802.15.4-2011标准中给出的双边双向测距(Double-Sided Two-Way Ranging，DS-TWR)方法，与单向测距(Single-Sided Two WayRanging，SS-TWR)方法相比，前者可以更好地减少时钟漂移对测距精度的影响。

DS-TWR法的原理如图4所示。图的上半部分(灰底色区域)恰好是SS-TWR的示意图。在时刻t₁由节点A向节点B发送一个信号，经过T_TOF时长的飞行后到达节点B，然后节点B等待预设的T_{reply_B}时长后向节点A发送一个信号，节点A在时刻t₂收到信号。

飞行时间T_tof可以由发送基站的时间差T_{round_A}和接受基站的时间差T_{reply_B}求出。

考虑两个节点的时钟漂移后，飞行时间的测量值可以表示为

其中，e_A，e_B分别表示发送基站和接受基站的时钟漂移。

由公式(1)和(2)可以推算出飞行时间误差

由于T_reply＞＞Tt_tof，公式(3)中的后一项可忽略，简化为

公式(4)表示采用SS-TWR时，飞行时间的误差E会随着T_reply和时钟偏移的差值e_A-e_B的增加而增加。

UWB测距对时钟精度的要求非常高，飞行时间的误差即使只有1ns,距离的偏差就达0.3m,这对高精定位系统来说是难以接受的。为了进一步减少误差，可以采用DS-TWR测距法，具体的原理见图3。在A节点t₂时刻接受到来自节点B的信号后，并不马上进行测距计算，而是等待预设的T_{reply_A}时长后向节点B再次发送一个信号，节点B在t₃时刻收到信号后，再用公式(5)计算飞行时间。

考虑到两各节点的时钟偏移e_A和e_B，飞行时间的值计算公式如下：

飞行时间的误差可以进一步表示为

由于T_{reply_A}-T_{reply_B}＞＞T_tof，故式(7)可忽略前面的T_tof项，简化为

对比上述的公式(8)和(4)可已看出，式(8)中的T_{reply_A}-T_{reply_B}项显著下于公式(4)中T_{reply_B}项，因而与SS-TWR相比，DS-TWR测距法可以明显改善时钟漂移带来的误差。假设时钟晶振存在10％的误差，取(e_A-e_B)＝10ppm，T_{reply_A}＝T_{reply_B}＝1ms，在30米的距离内(此时T_tof＝100ns)，DS-TWR测距误差可以控制在10^-2m数量级，而采用SS-TWR的测距误差为10^-1m数量级。

上位机获取移动标签与各个基站之间的距离后，再用卡尔曼滤波消减测距数值的抖动。UWB基站在BIM模型的世界坐标系中的坐标已知，随后可以利用多边定位算法推算UWB移动标签的位置坐标，进而可以获得标签的移动轨迹。

定位精度影响因素实验

卡尔曼滤波

一个静态标签到各基站的距离如图5所示，图中DisA,DisB,DisC,DisD分别表示标签与A,B,C,D四个基站之间的距离。

表1卡尔曼滤波前后数据分析

测距数据滤波前后的对比如图6所示。表1为卡尔曼滤波前后的测距波动性对比。表1中数据显示，进行了卡尔曼滤波后测距值时间序列的变差系数明显减少，而且静态标签测距的最大值与最小值之间的间隔在进行卡尔曼滤波后明显缩窄，说明采用卡尔曼滤波可以有效消除数据的抖动。

非视距干扰对测距精度的影响

为了分析非视距(NLOS)干扰对测距精度的影响，首先在无干扰的空间中进行静态标签与单个基站之间的测距，接着维持基站和标签的位置不变，在两者之间放置障碍物做对比实验，实验结果如图7所示。

图7中的数据反映，在存在非视距干扰(NLOS)的情况下，测距结果的波动幅度变化不大，但产生了较大的距离偏移。图中，标签与基站之间用激光测距仪测量的距离是3.50米，无NLOS测距平均值是3.55cm，与激光测距结果相差不大；而在存在NLOS干扰时测距平均值是3.98cm，产生了较大的误差。

在基站天线旁30厘米处放置障碍物，分析多径干扰源对测距精度的影响。由图8可知，在存在多径干扰的情况下，测距结果的平均偏移不大，但波动幅度大幅增加，因为标签到个基站的波动幅度显著增加，采用多边定位算法计算坐标时，经常不能推算主坐标值。

BIM模型以开源的IFC格式提供了建筑物的三维空间占用情况，将BIM三维模型与施工进度计划关联，可以进行4D仿真。为施工过程中的测距误差分析提供空间动态占用情况，可以用来分析不同位置的定位干扰情况。

不同于建成后建筑物内的定位，动态多变施工现场中非视距干扰是影响定位精度的一个主要因素。如图10a和图10b所示，通过固定在工人安全帽上的动标签与其周围4个基站之间的非视距干扰分析情形。借助3D CAD平台上开发的干扰源空间分析功能，自动在移动标签与基站之间生成连线，如图11所示，如果连线被其他建筑构件或设备碰撞，则表明标签与相应的基站之间有非视距干扰，可以据此改变UWB基站的布设位置。

借助在CAD平台上开发的基站天线多径干扰分析功能，系统可以自动以基站天线为轴心自动生成天线的三维波形图缓冲区。如果天线多径干扰缓冲区与周围的建筑构件(设备)空间有冲突，则预示将来会发生比较严重的多径干扰，需要调整基站布设位置调整。4D仿真可视化界面也有助于探寻更加合适的潜在布设位置。

本发明在基于融合BIM模型和施工进度计划的基础上，由系统自动生成施工现场空间动态变化的4D仿真及可视化展示，通过三维可视化的现场空间变化，系统可以辅助寻找UWB定位基站的布设位置，如图9a、9b、9c和9d所示。同时，在4D仿真过程中，根据待施工构件、待安装设备、关键的周转材料的存放位置以及施工组织计划中关联的目标施工安装空间、施工操作面，根据4D仿真展示的施工进程动态的自动形成移动的人员、构件、设备的三维运动初步轨迹，施工管理人员可以对其进行修正，然后得到拟分析的人员、构件、设备的待分析三维运动轨迹。因为构件、设备、人员上选取的用来生成轨迹的点与UWB移动标签在物体或人体上的附着点不同，需要通过以线性齐次变换矩阵表示的空间坐标系的平移和旋转，进一步将上述拟分析的三维运动轨迹转换为绑定在人员、构件、设备上得UWB标签的三维运动轨迹，然后将沿着轨迹线移动的UWB标签与固定基站天线中心之间不断生成连线，在上述连线被其他的设备或构件碰撞的状态下，分析系统自动提示移动的UWB标签与基站之间存在非视距干扰；在动态4D仿真中，以基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，分析系统自动提示存在多径干扰。

本发明还提供一种基于UWB的室内定位方法，采用上述的基于UWB的室内定位系统，所述方法包括：

移动标签上的固件计算移动标签与基站之间的距离，将计算能得到的距离值发送给基站，所述基站将所述距离值传输给上位机系统。

所述上位机系统根据所述距离值计算所述移动标签的三维坐标，并进行现场空间4D仿真、基站布局分析以及标签轨迹分析。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，其特征在于，包括：下位机系统和上位机系统；

所述下位机系统包括：移动标签和多个基站，所述移动标签通过UWE技术与所述基站进行定位得到距离数据，所述移动标签将距离数据通过所述基站传输至所述上位机系统；

所述上位机系统包括：定位计算模块和布局分析模块；

所述定位计算模块根据所述距离数据计算所述移动标签的三维坐标；

所述布局分析模块将BIM三维模型与进度计划进行关联，进行动态4D仿真；

其中，在所述动态4D仿真中，将所述移动标签与所述基站之间生成连线，在所述连线被其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断所述移动标签与所述基站之间存在非视距干扰；

在所述动态4D仿真中，以所述基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在所述三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断存在多径干扰。

2.根据权利要求1所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，其特征在于，所述上位机系统还包括卡尔曼滤波子模块，所述卡尔曼滤波子模块对所述距离数据进行卡尔曼滤波；

所述定位计算模块根据经过卡尔曼滤波后的距离数据计算所述移动标签的三维坐标。

3.根据权利要求1所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，其特征在于，所述基站包括一个主基站以及一个或多个从基站，所述主基站与所述上位机系统通信连接；

所述移动标签将距离数据通过所述主基站传输至所述上位机系统。

4.根据权利要求1所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，其特征在于，所述移动标签采用定时器中断来间歇启动。

5.根据权利要求1所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，其特征在于，所述移动标签和基站之间采用双边双向测距法进行测距。

6.一种基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析系统，所述方法包括：

在所述动态4D仿真中，将所述移动标签与所述基站之间生成连线，在所述连线被其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断所述移动标签与所述基站之间存在非视距干扰；

在所述动态4D仿真中，以所述基站的天线为轴心生成三维波形图缓冲区，在所述三维波形图缓冲区与其他设备或建筑构件碰撞的状态下，判断存在多径干扰。

7.根据权利要求6所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，其特征在于，所述上位机系统还包括卡尔曼滤波子模块，所述卡尔曼滤波子模块对所述距离数据进行卡尔曼滤波；

所述定位计算模块根据经过卡尔曼滤波后的距离数据计算所述移动标签的三维坐标。

8.根据权利要求6所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，其特征在于，所述基站包括一个主基站以及一个或多个从基站，所述主基站与所述上位机系统通信连接；

所述移动标签将距离数据通过所述主基站传输至所述上位机系统。

9.根据权利要求6所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，其特征在于，所述移动标签采用定时器中断来间歇启动。

10.根据权利要求6所述的基于BIM和进度计划的UWB基站布局分析方法，其特征在于，所述移动标签和基站之间采用双边双向测距法进行测距。

Images