CN115278542A - 基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法 - Google Patents

基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法，基站服务器机构分别与定位设备组、应用子系统进行数据传输；由智能门禁子系统根据后台数据库内实名制信息，管控人员进出施工场地，并由电子围栏子系统根据后台数据库内实名制信息管控人员进出施工场地内每一个区域，视频监控子系统辅助智能门禁子系统和电子围栏子系统对人员的进出进行综合管控，人员定位子系统获取施工场地内人员的位置、行为以及生命体征信息，并将所述信息发送至基站服务器机构进行处理，处理后的数据存储于后台数据库中，并在可视化子系统中根据用户操作模式展示。能够提高在复杂多变的施工环境下施工人员实时定位的精度以及稳定性。

Description

基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法
技术领域
本发明属于智慧工地领域，尤其涉及一种融合UWB室内定位技术、5G技术、北斗导航系统、图像识别技术、电子围栏技术以及数字孪生技术的施工场地人员定位管理系统及方法。
背景技术
随着互联网时代的到来，伴随着定位技术的迅猛发展，基于人员位置信息的相关技术的应用和发展，位置服务(LBS)成为人们日常工作、生活所必需的一项基本服务需求。尤其是在工业中的大型施工场地中，如隧道、矿井、海底、多层建筑等一切能够进行建设的地域，施工人员的生命安全是施工过程中愈发重视的因素，而常规的施工场地管理方式难以有效、实时地监测并发现施工人员的生命安全隐患。施工管理人员对施工人员以及设备有迫切的定位需求，以保障施工人员人身安全、设备安全和施工进度。
智慧工地领域，通过将无线传感、人工智能以及数字孪生等技术与传统结构物、人员穿戴设备以及工地门禁等物体高度融合，形成物联网，并通过互联网技术对施工场地和施工人员以更智慧的方式进行整合，有效提高施工人员作业的效率、灵活性和明确性。智慧工地的实际效果很大程度上依托于人员定位的精确度，通过各类软硬件的结合以及选用合适的室内技术进行人机实时定位，确保施工人员人身以及设备安全和施工进度。施工场地中的人员定位不同于普通民用场所，其对室内定位技术的穿透性、抗干扰性以及定位精度有更加严格的要求。在钢筋密布、设备密集的施工环境下，需要保证室内定位技术的信号强度满足通信要求，并且可以穿透一定厚度的障碍物。同时还要保证在各种频段信号密布的复杂环境干扰下仍能保持良好的精确度。如此，才能随着工期的推进，在时刻变化的施工环境中有效保障施工人员安全和施工效率。
现有智慧工地系统中对人员位置定位精度不高、对人员管理力度不大、对施工进程管控力不强、未能满足多种定位技术智能转换以适应不同应用场景的要求，以及未能贴合对施工人员生命安全愈发重视的趋势。
发明内容
为了解决现有智慧工地系统中对人员位置定位精度不高、对人员管理力度不大、对施工进程管控力不强、未能满足多种定位技术智能转换以适应不同应用场景的要求的问题，本发明提供一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法，能够提高在复杂多变的施工环境下施工人员实时定位的精度以及稳定性，解决钢筋密布、设备密集的施工环境对信号传输的阻挡和干扰，同时保证各种频段信号干扰下的精确度。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统，包括基站服务器机构、定位设备组、应用子系统，所述基站服务器机构分别与定位设备组、应用子系统进行数据传输；所述应用子系统包括可视化子系统、智能门禁子系统、人员定位子系统、电子围栏子系统、视频监控子系统和后台数据库；由智能门禁子系统根据后台数据库内实名制信息，管控人员进出施工场地，并由电子围栏子系统根据后台数据库内实名制信息管控人员进出施工场地内每一个区域，视频监控子系统辅助智能门禁子系统和电子围栏子系统对人员的进出进行综合管控，人员定位子系统获取施工场地内人员的位置、行为以及生命体征信息，并将所述信息发送至基站服务器机构进行处理，处理后的数据存储于后台数据库中，并在可视化子系统中根据用户操作模式展示。
作为本发明的进一步实施方案，
所述基站服务器机构包括至少一个本地服务器和本地基站；定位设备组包括待测标签组和外部设备组，
所述待测标签组包括待测标签本体、监测模块组a和处理器模组a，所述监测模块组a和处理器模组a置于所述待测标签本体中，并与所述待测标签本体电连接；所述监测模块组a包括UWB模块组、北斗模块组、5G模块组和附加模块组；
所述外部设备组包括定位节点组、5G基站和北斗终端；所述定位节点组与所述基站服务器机构通过UWB技术进行无线数据传输，并设置有线形式的备用传输渠道；定位节点组包括多个UWB定位节点设备，所述5G模块组向所述5G基站发送信号用以实现5G定位和通信，所述北斗终端通过北斗卫星实现北斗定位以及与本地基站的通信；
所述人员定位子系统包括所述定位设备组和软件平台，所述软件平台获取、分析所有位置信息并传输信息至用户；
所述可视化子系统包括施工场地BIM模型和数字孪生平台，所述BIM模型于所述数字孪生平台中显示，所述数字孪生平台接入所述基站服务器机构、人员定位子系统、可视化子系统、智能门禁子系统、电子围栏子系统数据，并实现数据可视化；
所述智能门禁子系统包括所述定位节点组、门禁设备；
所述电子围栏子系统包括多个所述UWB汇总节点；
所述视频监控子系统包括摄像头、广播设备和高清显示屏，可安装于门禁以及电子围栏边缘。
作为本发明的进一步实施方案，
所述UWB定位节点设备的定位节点分为UWB汇总节点和UWB锚节点，
所述UWB定位节点设备包括处理器模组b、监测模块组b和UWB定位节点设备本体，所述处理器模组b和监测模块组b置于UWB定位节点设备本体中，并与所述UWB定位节点设备本体电连接；所述UWB定位节点设备与外部电源连接。
一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，基于上述的系统所使用，包括有如下步骤：
(1)部署本地基站、UWB汇总节点、UWB锚节点的位置；
(2)根据施工项目要求及施工单位员工实名制信息建立后台数据库；
(3)根据施工项目中目标结构的数据，以及实际施工场地尺寸和区域分布，建立三维空间BIM模型；
(4)建立将施工场地内监测数据集中管理和可视化展示的可视化子系统与接口；
(5)选取位置作为施工场地门禁，建立施工场地智能门禁子系统和视频监控子系统；
进行人员定位时，施工人员即将进入施工场地某区域，UWB汇总节点监测到所述施工人员携带待测标签信息时，唤醒自身所有模块，并将连接测试数据通过串口发送给监测模块组b，监测模块组b通过本地基站向本地服务器发送所述连接测试数据；本地服务器接收到所述连接测试数据后，通过本地基站向所述UWB汇总节点发送命令帧，要求所述UWB汇总节点向所属区域内所有UWB锚节点发送控制信号，唤醒所述UWB锚节点并返回连接确认信息；当所述UWB汇总节点接收到所属区域内所有连接确认信息后，通过本地基站在本地服务器中反馈正常工作设备数以及失效设备坐标，同时区域内人员定位工作开始；
施工场地某区域内人员定位工作开始后，该区域内所有UWB锚节点识别待测标签，接收待测标签信息；UWB汇总节点接收、汇总该区域内包含的所有UWB锚节点监测到的待测标签信息，并将汇总后信息发送至本地基站；本地服务器接收并解析本地基站处理后的所述待测标签信息，根据解析结果计算所述待测标签信息对应的三维空间坐标，并进行待测标签三维空间坐标的优化，根据所述坐标确认待测标签的位置信息，解析所述待测标签施工人员行为信息与施工人员生命体征信息，根据解析结果判定人员安全等级，并依据当前施工人员安全等级判定施工人员是否可以继续作业；所述本地服务器数据解析完成后根据系统用户设置进行可视化展示；
本地服务器通过解析待测标签信息，计算出施工场地某区域内无待测标签信息后，通过本地服务器向所述区域内所有UWB汇总节点发送区域待机控制信息，所述UWB汇总节点接收到区域待机控制信息后，通过监测模块组b向所述区域内所有UWB锚节点发送控制信号，要求所有UWB锚节点返回待机确认信息并开启待机状态；所述UWB汇总节点接收到所属区域内所有待机确认信息后，将待机设备数量和失效设备坐标通过本地基站向本地服务器反馈，信息发送后，所有UWB汇总节点只保持被动定位状态。
作为本发明的进一步实施方案，
所述的部署本地基站、UWB汇总节点、UWB锚节点的位置，具体为：
将数目不少于一个的本地基站，根据实际的施工场地尺寸和区域划分，部署在施工场地各区域外部并可与各区域范围内的电子设备进行有效无线通信的位置；
将若干UWB汇总节点，根据实际的施工场地尺寸和区域分布，分别部署在各区域可进行有效无线通信的位置；
将若干UWB锚节点，分别部署在各区域所述UWB锚节点与所述UWB汇总节点可进行有效的无线通信的位置，该位置也是可有效获取待测标签信息的位置；各区域中所述UWB汇总节点与UWB锚节点按照路由协议自组织成为一个网络拓扑结构；
UWB汇总节点位置确定后，再部署UWB锚节点，打开上位机并接入网络。
作为本发明的进一步实施方案，
所述本地服务器通过视线状态识别方法及粒子滤波框架下的目标位置估计方法，进行待测标签三维空间坐标的优化。
作为本发明的进一步实施方案，
所述视线状态识别方法为：
Figure BDA0003700661460000031
其中，Mc为引入度量，表示FPampl与PKamp的比值；FPampl表示第一路径幅度在特征点处的最大值；PKamp为CIR报告的峰值；
当Mc≥0.9时，直接判定处于闭区间内的相关测量为LOS状态，即视距状态；否则，按照如下公式计算：
Figure BDA0003700661460000032
其中，prNLOS为相关测量为NLOS状态,即非视距状态的概率；IDiff为引入参量，具体公式如下：
IDiff＝|Pfp-Ppp|
其中，Pfp表示累加器中第一路径的位置；Ppp表示累加器中峰值路径的位置，二者通过访问相应寄存器直接获取；
当3.3<IDiff<6时，直接通过下式判定处于闭区间内的相关测量的视线状态：
Figure BDA0003700661460000033
作为本发明的进一步实施方案，
所述粒子滤波框架下的目标位置估计方法为：
Figure BDA0003700661460000041
其中，xt为t时刻待测标签的位置估计值；
Figure BDA0003700661460000042
为t时刻待测标签的第i个粒子的状态；
Figure BDA0003700661460000043
为
Figure BDA0003700661460000044
对应的权重；
Figure BDA0003700661460000045
为待测标签的第i个粒子对于第j个UWB锚节点获得的测量
Figure BDA0003700661460000046
的似然估计；RAj为由j号锚节点提供的测量的可靠度，具体公式如下：
Figure BDA0003700661460000047
其中，S为第j号锚节点与
Figure BDA0003700661460000048
的网格化中心点所在直线和
Figure BDA0003700661460000049
内所有遮挡物近似模型的所有有效交点数；
Figure BDA00037006614600000410
为UWB锚节点的矩形可行域。
作为本发明的进一步实施方案，
所述智能门禁子系统与视频监控子系统配合作业，判定即将进入施工场地的人员作业权限级别与实名制信息；定位节点组识别所述人员携带的待测标签，本地服务器获取并解析所述待测标签映射的后台数据库信息；视频监控子系统的摄像头录入所述人员视频图像信息，本地服务器解析视频图像数据，根据解析结果匹配后台数据库信息，并与定位节点组解析后数据综合比对，判定所述人员的设备匹配情况、作业权限级别与实名制信息，并将比对结果与视频图像存储。
本发明的有益效果包括：本发明将人工智能技术、传感技术以及数字孪生技术与传统施工场地、施工人员安全防护设备以及施工场地门禁等物体高度融合，形成物联网，并通过UWB无线通信技术将施工现场的结构物与设备和施工人员整合，进行统一管理，以更智慧的方式提高作业的效率、灵活性和明确性，并通过各类软硬件的结合以及北斗定位技术、5G定位技术和UWB定位技术融合进行施工人员实时定位，确保施工人员人身安全和施工进度。本发明使用的UWB技术提高了在复杂多变的施工环境下施工人员实时定位的精度以及稳定性，解决了钢筋密布、设备密集的施工环境对信号传输的阻挡和干扰，同时保证了各种频段信号干扰下的精确度，从而满足了工地施工人员高精度可视化管理、施工安全精确预警、施工过程工效与成本控制的市场需求。
附图说明
图1为本发明施工场地人员定位管理系统的系统结构示意图；
图2为定位设备组详细示意图；
图3为施工人员进入作业区域阶段施工场地人员定位管理系统工作流程图；
图4为定位数据可视化流程；
图5为实例场地分布图；
图6为多层建筑施工场地示意图；
图7为BIM可视化页面展示示意图；
图7a-7d为图7的局部放大图；
图8为结构物全生命周期管理示意图；
图9为人员全周期管理示意图；
图10为人、机、料及结构物共同管理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统及方法，通过超宽带UWB技术提高了在复杂多变的施工环境下人员三维空间实时定位的精度以及稳定性，解决了钢筋密布、设备密集的施工环境对信号传输的阻挡和干扰，此外，本发明结合北斗和5G技术提高了所述系统的泛用性，解决了单一技术难以满足室内外同时精确实时定位的要求。从而满足了工地施工人员高精度可视化管理、施工安全精确预警、施工过程工效与成本控制的市场需求。
实施例1
一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统，如图1所示，包括基站服务器机构、定位设备组、应用子系统，基站服务器机构与定位设备组间进行无线数据传输，并设置有线形式的备用传输渠道，通过各应用子系统配合作业下实现可视化三维定位、施工风险智能化管控、多环境自适应定位以及数字孪生化人物共管功能。
所述应用子系统包括可视化子系统、智能门禁子系统、人员定位子系统、电子围栏子系统、视频监控子系统和后台数据库；由智能门禁子系统根据后台数据库内实名制信息，管控人员进出施工场地，并由电子围栏子系统根据后台数据库内实名制信息管控人员进出施工场地内每一个区域，视频监控子系统辅助智能门禁子系统和电子围栏子系统对人员的进出进行综合管控，并作为日后纠纷处理的证据之一。人员定位子系统获取施工场地内人员的位置、行为以及生命体征等信息，并将所述信息发送至基站服务器机构进行处理，处理方式包括但不限于筛选、降噪和解析。处理后的数据存储于后台数据库中，并在可视化子系统中根据用户操作模式展示。
所述基站服务器机构包括至少一个本地服务器100和本地基站200；
定位设备组包括待测标签组和外部设备组，如图2所示；
所述待测标签组包括待测标签本体、监测模块组a和处理器模组a，所述监测模块组a和处理器模组a置于所述待测标签本体中，并与所述待测标签本体电连接；所述监测模块组a包括但不限于UWB模块组、北斗模块组、5G模块组和附加模块组，以及所述模块组的任意组合搭配；可选地，所述待测标签本体包括但不限于车载供电标签、电池供电标签和电源供电标签。所述UWB模块组包括但不限于UWB定位模块、生命体征监测模块、三轴加速度计和陀螺仪。
所述外部设备组包括定位节点组、5G基站400和北斗终端500；所述定位节点组与所述基站服务器机构通过UWB技术进行无线数据传输，并设置有线形式的备用传输渠道；
定位节点组包括多个UWB定位节点设备LO，根据传输协议和内部逻辑不同，所述UWB定位节点设备LO的定位节点分为UWB汇总节点600和UWB锚节点700。所述UWB定位节点设备包括处理器模组b、监测模块组b和UWB定位节点设备本体，所述处理器模组b和监测模块组b置于UWB定位节点设备本体中，并与所述UWB定位节点设备本体电连接；所述UWB定位节点设备与外部电源连接。
所述5G模块组向所述5G基站400发送信号用以实现5G定位和通信，所述北斗终端通过北斗卫星实现北斗定位以及与本地基站200的通信；
所述人员定位子系统包括所述定位设备组和软件平台，所述软件平台获取、分析所有位置信息并传输信息至用户；本发明不具体要求软件平台具体类别。
所述可视化子系统包括施工场地BIM模型和数字孪生平台，所述BIM模型于所述数字孪生平台中显示，所述数字孪生平台接入所述基站服务器机构、人员定位子系统、可视化子系统、智能门禁子系统、电子围栏子系统数据，并实现数据可视化；本发明不具体要求数字孪生平台企业。
所述智能门禁子系统包括所述定位节点组、门禁设备；
所述电子围栏子系统包括多个所述UWB汇总节点；
所述视频监控子系统包括高精度摄像头、广播设备和高清显示屏，安装位置根据施工场地实际情况决定，可安装但不限于门禁以及电子围栏边缘。
进一步的，基于本发明所实现的施工场地人员定位管理系统，在通过本地基站200接收UWB汇总节点600的待测标签信息，并发送至本地服务器100实现待测标签的定位时，需要根据施工场地人员定位管理系统下各子系统的相关功能要求，在本地服务器100中实现相关的基于施工场地人员定位管理系统下各子系统所要求的功能。所述功能包括但不限于施工人员的三维空间实时定位数据的解析、施工人员身份与实名制信息核对、施工人员作业权限与作业区域级别核对、施工人员作业时间统计、施工人员实际工效计算、施工人员生命安全监测和施工人员即时调度。所述施工场地人员定位管理系统的终端可以是PC端，也可以是如智能手机和平板电脑的具备系统安装和无线通信功能的终端设备。
在实际应用中，通过信号传输效率最优算法解析当前施工场地模型中基站需求最小数量以及信号传输效率最优位置，将所述本地服务器100、对应数量的本地基站200和5G基站400分别安装在信号传输效率最优处。参照图5、图6：
(1)多层封闭施工场景下，所述UWB汇总节点600布置于每层平面角点处，并且所述UWB汇总节点600位于同一竖直轴线。各层所述UWB汇总节点600信息共享。所述UWB锚节点700基于当前施工场地实际模型，并根据施工场地定位需求以及定位效率最优算法，将所述UWB锚节点700分别安装在施工场地的对应位置。
(2)开阔施工场景下，所述UWB汇总节点600基于当前施工场地实际模型，并根据施工场地区域划分，将所述UWB汇总节点600分别安装在各区域角点构建电子围栏。所述UWB锚节点700基于当前施工场地实际模型，并根据施工场地定位需求以及电子围栏内定位效率最优，将所述UWB锚节点700分别安装在施工场地的对应位置。
基于上述实施方案，通过北斗定位技术、5G定位技术和UWB定位技术对施工场地内各种施工环境和通信环境下的施工人员进行三维空间下的实时精确定位，除获取施工人员即时精确位置之外，还能通过监测施工人员高度信息，预防和即时发现高处坠落危险，同时实现实时数据采集，为施工期内结构监测和后台调度以及结构服役期内运维管养提供大量便利，有效节省了人力物力；智能门禁子系统、电子围栏子系统和视频监控子系统确保进入施工场地内的施工人员实名制信息，并确保施工人员的作业权限级别符合施工场地内区域要求，以及防止施工人员进入危险区域，预防因操作不当或无法应对突发状况而导致的危险；此外，借助附加模块组对施工人员进行全作业周期的生命体征监测、潜在危险预防和既出危险及时发现与救援，保证施工人员在施工场地内作业的人身安全。
具体的，所述系统功能具有以下具体特点：
1.可视化三维定位
选择北斗、5G和UWB技术结合作为本发明的定位技术，实现对施工区域的全覆盖。在保证抗干扰能力、定位范围、数据传输速度精度等因素的情况下，对施工人员进行厘米级精度三维定位，并将定位数据通过BIM模型动态实时可视化。同时，与视频联动，对人员进行视频跟踪，随时随地观察每个区域的现场情况，方便进行实时管理，有效保障人员与物资的安全。
所述可视化包括但不限于BIM数据可视化、人员轨迹可视化和人员信息可视化，且具有以下特点：
(1)BIM数据可视化：
根据BIM模型中的数据生成三维模型进行可视化展示，且模型根据结构物中传感器的数据反馈，将结构物实际状态进行可视化展示，并支持任意查询和调用。
(2)人员轨迹可视化：
人员轨迹包括人员三维空间行动轨迹和人员动作轨迹。根据本地服务器中待测标签位置信息对每位施工人员的三维空间行动轨迹进行实时可视化展示，并支持用户回溯施工人员的历史轨迹。所述轨迹中不同颜色代表在某一位置的停留时间长短，并以此计算工作时间，分析工效，结算人工成本。根据人员动作轨迹记录每位施工人员的行为习惯，给管理人员提供更为详尽的管理信息。根据三维空间行动轨迹信息、原地停留时间以及人员动作轨迹信息，判断施工人员是否发生如坠落、重物击打等的危险，并及时通知后台管理人员进行救援。
(3)人员信息可视化：
可在BIM可视化页面随时调出任意施工人员信息，所述施工人员信息包括但不限于人员基本信息、人员在职信息、人员培训状况信息、人员施工场地权限信息、生命体征信息和有效作业时长。所述信息均不涉及个人隐私，且是在本人知晓并同意的前提下进行管理和展示。
2.施工风险智能化管控
施工风险智能化管控包括施工人员实名制信息核对、危险预警以及危险救援，是通过智能门禁子系统、电子围栏子系统和视频监控子系统，对施工人员的身份、技术工种和作业权限级别等方面进行核对与调度，确保施工人员的作业权限级别符合施工场地内区域要求，使施工人员与任务精准对接，预防因操作不当或无法应对突发状况而导致的危险；此外，借助附加模块组对施工人员进行全作业周期的生命体征监测、潜在危险预防和既出危险及时发现与救援，保证施工人员在施工场地内作业的人身安全。所述施工风险智能化管控具有以下特点：
(1)施工人员实名制信息核对：
根据后台数据库中人员实名制信息和待测标签与后台数据库中实名制信息的映射关系，确保一签一人的对应关系。在施工场地大门部署智能门禁子系统，并在每个区域的外围部署电子围栏子系统，施工人员经过智能门禁或电子围栏时对施工人员身份进行核对，形成日报表记录存档，并结合视频监控与人脸识别实现实名制精细化管理。
无在档信息时，禁止入内或需出示相关证件人工确认进入区域，人工确认后对外来人员发放临时通行卡，并可以实时查看外来访客的进出时间、在某区域滞留时间、活动轨迹等信息，防止客户私自进入危险区域引发事故，实现对访客的精细化、数字化、智能化管理，提高访客的考察体验。
(2)危险预警：
通过附加模块组对施工人员进行全作业周期的生命体征监测，综合评估施工人员当前健康状态，并根据设置的阈值，及时叫停临近危险状态的施工人员，确保施工人员始终在正常的身体条件下进行操作。
通过施工人员行为监测，实时监控施工人员行为，并实现施工人员活动的预测，全方位智能化管理，提高管理质量，最大程度预防安全事故的发生，并可记录每位施工人员的行为习惯，给管理人员提供更为详尽的管理信息，进一步增强对施工人员的危险预警效果。并可对操作人员的错误操作进行及时纠正，从而有效地避免或减少因作业人员操作不当而造成的安全隐患。对出现在危险区域或未授权区域边缘的施工人员进行告警，向后台管理人员发送报警信号，并在BIM模型中显示相应的报警信息，进一步保障施工人员的生命安全。施工人员离开所述区域时，报警停止；否则，增强报警信号，并通知后台管理人员进行管控。相关管理人员到现场检查情况并进行相应的违章判断。违章次数达到上限后，施工人员须停止工作，接受安全培训后返回岗位。
(3)危险救援：
根据施工人员的三维实时精确位置和停留时间，辅以施工人员生命体征监测和行为监测，判断施工人员当前是否处于危险状态。后台管理人员根据判定结果或接收到的施工人员求救信息，即时调度附近施工人员进行救援，并连线相关救援机构求援。同时，可以通过视频监控以及语音沟通，使参与救援的施工人员采取正确的急救方法进行就医前急救。
3.多环境自适应定位
选择北斗、5G和UWB技术结合作为本发明的定位技术，以适应如空旷、封闭、无信号等各种环境条件进行人员三维实时精确定位。所述5G定位技术，由5G基站向本地基站发送待测标签信息。所述北斗定位技术，由北斗终端通过北斗卫星向本地基站发送待测标签信息。所述UWB技术，通过组成局域网络对施工人员进行厘米级精度定位。
UWB技术通过构建局域网进行人员定位和数据传输，具有精度高、抗干扰性强、低功耗和无线传输等优势，应用场景广泛，如矿井、隧道、海底等发生安全事故概率较高的场景。
5G信号具有高速度、泛在网、低功耗、低延时、万物互联的优势。UWB结合5G信号，弥补了5G在复杂、密闭环境中信号较弱或无信号的缺点，经由UWB组建的局域网络实现区域内精确定位以及快速数据传输，最后通过汇总节点与5G信号相连，上传到云端服务器。实现了从数据采集到上传至云端的全程数据高速传输，可有效满足部分工种对大数据量传输和低延迟的要求。同时，5G也可进行人员定位，且能实现多个施工区域、多类信息的数据互联，进一步强化上层管理效果。
开阔场地下北斗系统即可获得高精度定位信息。UWB与北斗系统结合，可有效弥补UWB由于覆盖范围小导致的在开阔区域管控能力不足的缺点，同时，也解决了在密闭空间中北斗系统定位精度大幅下降的不足，优势互补，实现全场区高精度、低延时的人员实时定位。
4.数字孪生化人物共管
通过北斗、5G和UWB技术结合的定位技术及其他监测模块，实现对施工人员全周期、全方位管理；通过接入外部健康监测系统对结构物的监测数据，本发明在可视化子系统中可增加结构物及相关工程数据的实时可视化展示，实现施工人员与结构物的综合数字孪生化管控。所述外部健康监测系统通过部署于结构物的传感器对结构物相关工程数据进行监测，并根据监测数据评估所述结构物当前健康状态，生成结构物的加固和养护方法，以及预测结构物未来使用年限。所述工程数据包括但不限于应变、应力、弯矩、振型、振动频率、阻尼比。所述数字孪生化人物共管包括施工人员管理、施工过程控制与结构物管理，并具有以下特点：
(1)施工人员管理
通过北斗、5G和UWB技术结合的定位技术，对在施工阶段和日常巡检养护中施工人员进行三维实时精确定位，并辅以施工人员生命体征监测、施工人员行为监测、施工人员的停留时间、后台数据库中人员实名制信息，以及待测标签与后台数据库中实名制信息的映射关系，对施工人员从人员身份核对，到作业工效，再到生命安全，进行全作业周期、全方位的智能化管理，并实现施工人员活动的预测，提高管理质量。
(2)施工过程控制
根据人员的行为监测，包括但不限于超时监测、聚众监测、静止监测，识别和警告施工人员消极怠工行为，提高整体施工效率，并辅以施工人员在某节点的出入时间以及在某地的停留时间，并根据施工人员对应时间所处区域将停留时间分类统计，进一步对施工人员是否消极怠工进行有效监督。所述分类包括但不限于生活娱乐时间与工作时间。阶段施工结束后，管理人员根据在职时间和最终成果的匹配程度判断施工人员工效，并以此决定奖罚程度。
本发明支持后台管理人员与施工人员的实时沟通，并结合BIM可视化页面展示的定位信息与人员信息判断当前施工场地各区域内人员分配情况，并进行实时的人员调度，充分利用人力，提高施工效率，大幅节省时间成本以及缩短工期。
(3)结构物管理
本发明可接入外部健康监测系统，将结构物从开始施工到项目交付再到日常运维纳入系统进行全生命周期管控，通过结构物监测数据和数字孪生技术将所述结构物的实时健康状态与相关工程数据，在BIM可视化页面中与人员轨迹信息同步展示，并支持随时调用、查看相关数据；同时，可在所述页面进行结构物工程演算，判断已完成施工的效果，以及对下一步施工方式进行规划和模拟，并对未来工期和成本进行预测，实现人物共管，提高管理效果。所述结构物监测数据可经由UWB组建的局域网络或施工人员携带的设备，如手机、iPad等，传输至本地服务器或云端服务器，在保证数据传输效率和精确度的同时，减少硬件设备部署成本。
实施例2
一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，基于实施例所述的系统使用，包括：
(1)部署本地基站、UWB汇总节点、UWB锚节点的位置：
将数目不少于一个的本地基站，根据实际的施工场地尺寸和区域划分，部署在施工场地各区域外部并可与各区域范围内的电子设备进行有效无线通信的位置；
将一定数量的UWB汇总节点，根据实际的施工场地尺寸和区域分布，分别部署在各区域可进行有效无线通信的位置；
将一定数量的UWB锚节点，分别部署在各区域所述UWB锚节点与所述UWB汇总节点可进行有效的无线通信的位置，该位置也是可有效获取待测标签信息的位置；各区域中所述UWB汇总节点与UWB锚节点按照路由协议自组织成为一个网络拓扑结构；
UWB汇总节点位置确定后，再部署UWB锚节点，打开上位机并接入网络。
(2)根据施工项目要求及施工单位员工实名制信息建立后台数据库；编写相关算法程序，并集成于系统中对应模块组内；
(3)根据施工项目中目标结构的数据，以及实际施工场地尺寸和区域分布，建立三维空间BIM模型；
(4)建立将施工场地内监测数据集中管理和可视化展示的可视化子系统与相关接口；
(5)根据实际施工场地环境及交通要求，选取位置作为施工场地门禁，建立施工场地智能门禁子系统和视频监控子系统；
进行人员定位时，施工人员即将进入施工场地某区域，UWB汇总节点600监测到所述施工人员携带待测标签信息时，唤醒自身所有模块，并将连接测试数据通过串口发送给监测模块组b内对应模块，监测模块组b通过本地基站向本地服务器发送所述连接测试数据；本地服务器接收到所述连接测试数据后，通过本地基站向所述UWB汇总节点600发送命令帧，要求所述UWB汇总节点600向所属区域内所有UWB锚节点700发送控制信号，唤醒所述UWB锚节点700并返回连接确认信息；当所述UWB汇总节点600接收到所属区域内所有连接确认信息后，通过本地基站在本地服务器中反馈正常工作设备数以及失效设备坐标，同时区域内人员定位工作开始；
施工场地某区域内人员定位工作开始后，该区域内所有UWB锚节点识别待测标签，接收待测标签信息；UWB汇总节点接收、汇总该区域内包含的所有UWB锚节点监测到的待测标签信息，并将汇总后信息发送至本地基站；多层建筑中所述各层UWB汇总节点600信息共享。本地服务器接收并解析本地基站处理后的所述待测标签信息，根据解析结果计算所述待测标签信息对应的三维空间坐标，并进行待测标签三维空间坐标的优化，根据所述坐标确认待测标签的位置信息，解析所述待测标签施工人员行为信息与施工人员生命体征信息，根据解析结果判定人员安全等级，并依据当前施工人员安全等级判定施工人员是否可以继续作业；所述本地服务器数据解析完成后根据系统用户设置进行可视化展示；
本地服务器通过解析待测标签信息，计算出施工场地某区域内无待测标签信息后，通过本地服务器向所述区域内所有UWB汇总节点发送区域待机控制信息，所述UWB汇总节点接收到区域待机控制信息后，通过监测模块组b向所述区域内所有UWB锚节点发送控制信号，要求所有UWB锚节点返回待机确认信息并开启待机状态；所述UWB汇总节点接收到所属区域内所有待机确认信息后，将待机设备数量和失效设备坐标通过本地基站向本地服务器反馈，信息发送后，所有UWB汇总节点只保持被动定位状态。
所述待测标签信息包括但不限于待测标签位置信息、施工人员行为信息、施工人员生命体征信息以及待测标签ID。所述位置信息包括三维实时精确位置，实时轨迹，历史轨迹以及停留时间，所述停留时间包括所述电子围栏各区域停留时间和轨迹中原地停留时间。
结合使用成本，在实际应用中根据定位对象群体特点不同，可选用不同类型的待测标签本体满足定位需求，所述待测标签本体包括但不限于车载供电标签、电池供电标签和电源供电标签。
在实际使用中，由于成本限制以及涉及到不同作业内容，在实现不同作业类型的定位需求或在不同人员密集程度以及不同环境下定位时，可通过选用不同组合的监测模块组实现不同的定位需求。本发明中，所述待测标签组中监测模块组包括但不限于UWB模块组、北斗模块组、5G模块组和附加模块组，以及所述模块组的任意组合搭配。
UWB定位节点设备LO中的处理器模组可以调用相关算法程序，并执行以下操作：
调用北斗定位、5G定位和UWB定位智能转换算法及程序，根据待测标签所处位置的环境复杂程度以及实际信号强度智能选择当前使用的定位技术。
调用电子围栏算法及程序，根据施工场地实际情况和附近设备状况自适应匹配，对应UWB定位节点设备LO自动形成电子围栏。
本地服务器100可以调用相关算法程序，执行以下操作：
调用定位效率最优算法及程序和信号传输效率最优算法及程序，并根据运算结果获得已知UWB汇总节点600位置下的电子围栏内最小UWB锚节点700数目和定位效率最优位置，以及当前施工场地模型中基站需求最小数量以及信号传输效率最优处。
接收基站上报的待测标签的信息，所述待测标签信息包括但不限于待测标签位置信息、施工人员行为信息、施工人员生命体征信息和待测标签ID。
进一步的，解析所述待测标签位置信息，根据解析结果计算所述待测标签信息对应的三维空间坐标。根据所述坐标确认待测标签的位置信息，所述位置信息包括：三维实时精确位置，实时轨迹，历史轨迹以及停留时间，所述停留时间包括所述电子围栏各区域停留时间和轨迹中原地停留时间。
同时，调用施工人员行为模型算法，根据施工人员行为模型解析施工场地电子围栏范围内的施工人员行为，并对错误操作和危险行为进行告警。所述施工人员行为模型包括但不限于施工人员操作模型以及施工人员运动模型。
同时，解析所述待测标签施工人员行为信息与施工人员生命体征信息，对施工人员进行全作业周期的生命体征监测、潜在危险预防和既出危险即时发现与救援，保证施工人员在施工场地内作业的人身安全。
进一步的，本地服务器100基于本地基站200发送的数据与后台数据库，完成施工人员身份与实名制信息核对、施工人员作业权限与作业区域级别核对、施工人员作业时间统计、施工人员实际工效计算、施工人员生命安全监测和施工人员即时调度。所述后台数据库包括人员实名制信息、作业权限级别、作业累计时间、作业实际工效、以及待测标签与后台数据库中实名制信息的映射关系。
所述施工人员身份与实名制信息核对，需执行以下操作：解析所述视频监控子系统中视频图像信息，根据解析结果匹配后台数据库中信息。调用智能门禁系统中程序，识别待测标签，解析待测标签映射的人员实名制信息，并与所述视频图像信息的人员实名制信息比对，并根据比对结果进行相关告警。相关告警包括：(1)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据不符时，输出身份错误的告警信息。(2)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据相符时，输出允许通行的告警信息。(3)在UWB定位节点设备LO未搜索到相关待测标签时，输出未佩戴标签的告警信息。
所述施工人员作业权限与作业区域级别核对，需执行以下操作：调用根据施工场地实际情况自适应的电子围栏算法程序，根据施工场地实际情况确定不同等级区域和危险区域，解析当前区域所需权限与待测标签的定位对象权限匹配程度并根据结果进行相应告警。相关告警包括：(1)在确认定位对象作业权限级别低于围栏内区域权限或人员接近危险区域时，输出人员禁止入内的告警信息。(2)在确认定位对象作业权限符合围栏内区域权限要求时，输出允许通行的告警信息。(3)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据不符时，输出身份错误的告警信息。(4)在UWB定位节点设备LO未搜索到相关待测标签时，输出未佩戴标签的告警信息。
进一步的，统计定位对象的原地停留时间信息，原地停留时间信息包括定位对象停留位置以及该位置对应的停留时间。
进一步的，统计定位对象在各区域内的停留时间，并根据人员行为解析结果以及人员停留的区域类型统计定位对象的分类时间。定位对象的分类时间统计包括但不限于娱乐时间、工作时间和生活必需时间。
进一步的，本地服务器100可以调用相关算法程序，执行以下操作：
基于本地服务器100解析后数据以及施工场地人员定位管理系统相关功能要求进行数据可视化展示，所述可视化展示包括但不限于BIM数据可视化，人员轨迹可视化以及人员信息可视化。
所述本地服务器通过视线状态识别方法及粒子滤波框架下的目标位置估计方法，进行待测标签三维空间坐标的优化，具体方法如下：
本地服务器100调用相关算法程序，执行以下操作：
(1)访问相关寄存器，计算获取给定的引入度量Mc；
Figure BDA0003700661460000111
其中，Mc为引入度量，表示FPampl与PKamp的比值；FPampl表示第一路径幅度在特征点处的最大值；PKamp为CIR报告的峰值；
(2)判断Mc的值，当Mc≥0.9时，直接判定处于闭区间内的相关测量为LOS状态，即视距状态；
(3)当Mc≥0.9不成立时，通过访问相关寄存器，计算获取引入参量IDiff，并根据下式判断相关测量为NLOS状态(非视距状态)的概率：
Figure BDA0003700661460000112
其中，prNLOS为相关测量为NLOS状态,即非视距状态的概率；IDiff为引入参量，具体公式如下：
IDiff＝|Pfp-Ppp|
其中，Pfp表示累加器中第一路径的位置；Ppp表示累加器中峰值路径的位置，二者通过访问相应寄存器直接获取；
当3.3<IDiff<6时，直接通过下式判定处于闭区间内的相关测量的视线状态：
Figure BDA0003700661460000121
(4)通过m个已知坐标的锚节点构成网络，并通过下式分别对处于LOS和NLOS两种状态下的待测标签进行定位，在t时刻获取目标与各锚节点之间的距离测量：
Figure BDA0003700661460000122
其中，e1是方差为σ2的零均值高斯随机噪声，e2是NLOS测距误差，其与环境密切相关，并且n≤m；
Figure BDA0003700661460000123
按下式计算：
Figure BDA0003700661460000124
其中，(XAj，YAj)表示第j个锚节点的坐标；(Xt，Yt)是t时刻待测标签的坐标；
(5)计算
Figure BDA0003700661460000125
对应锚节点间构成的矩形可行域
Figure BDA0003700661460000126
以及所述锚节点的中心点坐标(Xc，Yc)；
(6)以(Xc，Yc)为中心，并以λ为步长，网格化
Figure BDA0003700661460000127
(7)计算第j号锚节点与
Figure BDA0003700661460000128
的网格化中心点所在直线和
Figure BDA0003700661460000129
内所有遮挡物近似模型的所有有效交点数，即S；
(8)计算由j号锚节点提供的测量的可靠度，即RAj；
Figure BDA00037006614600001210
(9)计算待测标签的第i个粒子对于第j个锚节点获得的测量
Figure BDA00037006614600001211
的似然估计，即
Figure BDA00037006614600001212
(10)在粒子滤波框架下，通过下式对待测标签的位置进行估计：
Figure BDA00037006614600001213
其中，xt为t时刻待测标签的位置估计值；
Figure BDA00037006614600001214
为t时刻待测标签的第i个粒子的状态；
Figure BDA00037006614600001215
为
Figure BDA00037006614600001216
对应的权重。
所述智能门禁子系统与视频监控子系统配合作业，判定即将进入施工场地的人员作业权限级别与实名制信息；定位节点组识别所述人员携带的待测标签，本地服务器获取并解析所述待测标签映射的后台数据库信息；视频监控子系统的摄像头录入所述人员视频图像信息，本地服务器解析视频图像数据，根据解析结果匹配后台数据库信息，并与定位节点组解析后数据综合比对，判定所述人员的设备匹配情况、作业权限级别与实名制信息，并将比对结果与视频图像存储，作为日后纠纷处理的证据之一。
优选的，
上述具体方法中，所述后台数据库包括人员实名制信息、作业权限级别、作业累计时间、作业实际工效、以及待测标签与后台数据库中实名制信息的映射关系。
所述相关算法程序包括但不限于：北斗定位、5G定位和UWB定位智能转换算法及程序；定位效率最优算法及程序；信号传输效率最优算法及程序；施工人员行为模型算法及程序；电子围栏算法及程序。
所述北斗定位、5G定位和UWB定位智能转换算法及程序，支持待测标签根据待测标签所在位置的环境复杂程度以及信号强度自动调节选用的所述定位技术。
所述定位效率最优算法及程序，支持系统解析电子围栏区域内锚节点的最小数量以及定位效率最优位置。
所述信号传输效率最优算法及程序，支持系统解析当前施工场地模型中基站需求最小数量以及信号传输效率最优位置。
所述施工人员行为模型算法及程序包括但不限于施工人员操作模型算法及程序以及施工人员运动模型算法及程序。
所述电子围栏算法及程序支持系统根据施工场地实际情况划分不同等级区域和危险区域，确定经过所述电子围栏的待测标签的作业权限级别，并完成所述待测标签携带者作业权限与所述区域级别的核对，判定所述待测标签携带者能否进入所述电子围栏内区域，同时在施工现场所述区域和本地服务器输出对应告警信息。所述电子围栏算法及程序可根据施工场地实际情况和附近设备状况自适应匹配，形成电子围栏。
所述可视化展示包括但不限于BIM数据可视化，人员轨迹可视化以及人员信息可视化。所述人员信息包括但不限于人员基本信息、人员在职信息、人员培训状况信息、人员施工场地权限信息、生命体征信息和有效作业时长。所述信息均不涉及个人隐私，且是在本人知晓并同意的前提下进行管理和展示。
所述待测标签信息包括但不限于待测标签位置信息、施工人员行为信息、施工人员生命体征信息和待测标签ID。所述位置信息包括三维实时精确位置，实时轨迹，历史轨迹以及停留时间，所述停留时间包括所述电子围栏各区域停留时间和轨迹中原地停留时间。
实施例3
参照图3，施工人员进入作业区域阶段施工场地人员定位管理系统工作流程：
1.施工人员由生活区进入施工场地；
2.调用北斗定位、5G定位和UWB定位智能转换算法程序，根据待测标签所处实际位置的实际信号强度智能选择当前使用的定位技术，识别待测标签，确定待测标签类型；
3.接收基站上报的待测标签的信息，所述待测标签信息包括但不限于待测标签位置信息、施工人员行为信息、施工人员生命体征信息和待测标签ID。进一步的，解析所述待测标签位置信息，根据解析结果计算所述待测标签信息对应的三维空间坐标。根据所述坐标确认待测标签的位置信息，所述位置信息包括：三维实时精确位置，实时轨迹，历史轨迹以及停留时间，所述停留时间包括所述电子围栏各区域停留时间和轨迹中原地停留时间。同时，解析所述待测标签施工人员行为信息与施工人员生命体征信息，对施工人员进行全作业周期的生命体征监测、潜在危险预防和既出危险即时发现与救援，保证施工人员在施工场地内作业的人身安全；
4.施工人员经过智能门禁，参照图5；
5.调用智能门禁系统中程序，识别待测标签，解析待测标签映射的人员实名制信息，并与所述视频图像信息的人员实名制信息比对，并根据比对结果进行相关告警。相关告警包括：(1)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据不符时，输出身份错误的告警信息。(2)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据相符时，输出允许通行的告警信息。(3)在UWB定位节点设备LO未搜索到相关待测标签时，输出未佩戴标签的告警信息；
6.施工人员通过智能门禁后进入对应作业区域时经过电子围栏边界；
7.施工场地人员定位管理系统调用根据施工场地实际情况自适应的电子围栏算法程序，识别待测标签，解析待测标签映射的人员实名制信息，根据施工场地实际情况确定不同等级区域和危险区域，解析当前区域所需权限与待测标签的定位对象权限匹配程度并根据结果进行相应告警。相关告警包括：(1)在确认定位对象作业权限级别低于围栏内区域权限或人员接近危险区域时，输出人员禁止入内的告警信息。(2)在确认定位对象作业权限符合围栏内区域权限要求时，输出允许通行的告警信息。(3)在确定待测标签和定位对象的实名制信息与后台数据库中数据不符时，输出身份错误的告警信息。(4)在UWB定位节点设备LO未搜索到相关待测标签时，输出未佩戴标签的告警信息；
8.施工人员通过电子围栏边界进入作业区域；
9.施工场地人员定位管理系统根据施工人员行为模型确定施工场地电子围栏范围内的施工人员行为。所述施工人员行为模型包括施工人员操作模型以及施工人员运动模型。进一步的，统计定位对象在各区域内的停留时间，并根据人员行为解析结果和人员停留的区域类型统计定位对象的分类时间。定位对象的分类时间统计包括但不限于工作时间和怠工时间；
10.后台管理人员在数据可视化终端获取进入施工场地后所有员工信息，并可以根据统计信息进行即时调度和管理。
参照图4，定位数据可视化流程：
1.获取实际施工场地尺寸；
2.根据施工场地数据构建BIM模型；
3.调用定位效率最优算法程序和信号传输效率最优算法程序，并根据运算结果获得已UWB汇总节点600位置下的电子围栏内UWB锚节点700最小数量以及定位效率最优位置以及当前施工场地模型中基站需求最小数量以及信号传输效率最优处，并根据运算结果部署设备；
4.根据类型以及待测标签所处位置的信号强度智能选择定位技术，识别待测标签，获取待测标签类型；
5.本地基站200接收待测标签信息。依据信号强度选用5G定位技术，则由5G基站400向本地基站200发送待测标签信息。依据信号强度选用北斗定位技术，则由北斗终端通过北斗卫星向本地基站200发送待测标签信息。依据信号强度选用UWB定位技术，则由UWB汇总节点600向本地基站200发送待测标签信息；
6.UWB汇总节点600接收UWB锚节点700传输的待测标签信息；
7.本地基站接收UWB汇总节点600发送的待测标签信息，并进行条件筛选，将筛选后的数据传输到本地服务器；
8.本地服务器根据数据进行待测标签位置信息解算，并基于BIM模型进行数据可视化。
参照图7，BIM可视化页面展示：
1.页面首页为施工场地与结构物BIM模型；
2.鼠标点击结构物某位置，所述位置放大，对应部分透明度增大，展示所述位置内部三维结构与三维空间实时人员分布和轨迹；
3.点击某一楼层，其余楼层完全透明，所述楼层放大展示，楼层细节随放大程度改变；
4.点击结构物某构件，所述构件放大，展示构件全部细节；
5.点击某人员，展示所述人员信息；
所述楼层细节包括但不限于所述楼层区域划分、整体结构、构件分类及分布、三维空间人员实时位置和人员轨迹；
所述施工人员信息包括但不限于人员基本信息、人员在职信息、人员培训状况信息、人员施工场地权限信息、生命体征信息和有效作业时长。所述信息均不涉及个人隐私，且是在本人知晓并同意的前提下进行管理和展示。
所述构件细节包括构件结构组成、材料、尺寸数据、当前受力情况及变形状况。
实施例4
多种无线技术融合的项目级多维模块化全生命周期人、机、料及结构物共同管理方法，包括以下内容：
施工阶段：
(1)在施工场地相关区域内部署半永久式UWB汇总节点和UWB锚节点，实现结构物全生命周期的人员实时精确定位和数据传输；
(2)通过所述UWB汇总节点和UWB锚节点，对施工场地内携带待测标签的施工人员进行三维实时精准定位、人员行为监测和生命体征监测；
(3)统计并分析所述施工人员的作业习惯，完善施工场地内施工人员管理方式；
(4)根据人员管理判断逻辑判断所述施工人员当前状态；
(5)结合BIM可视化页面展示的待测标签信息中的位置信息与人员信息，判断当前各区域内施工人员分配情况；
(6)后台管理人员根据所述施工人员当前状态，以及所述各区域内施工人员分配情况，通过本发明及时与所述施工人员进行实时沟通，进行实时人员调度，实现以人为本、管理调度和安全监护的功能要求。
(7)大型建筑机械与建材配置专属待测标签；
(8)结合BIM可视化页面展示的定位信息，根据施工场地内实际情况，实时监测、调度材料堆放，并对大型设备的移动路线与工作区域与顺序进行统筹安排；
(9)施工开始前，在BIM可视化页面进行施工方案模拟，根据模拟结果与项目要求调整施工方案；
(10)自结构物开始施工时，在结构物正在施工部分各处关键位置部署半永久式传感器，实现结构物全生命周期的结构健康监测；
(11)通过所述UWB锚节点和UWB汇总节点传输监测数据，实时监测正在施工和施工完成的结构物工程数据；
(12)解析所述数据，分析实际施工情况对当前施工方案与理论工程数据的影响；
(13)根据分析结果调整或重新制定下一阶段施工方案；
(14)在BIM可视化页面模拟下一阶段施工方案，预估所述施工方案的施工成本与施工工期；
(15)根据模拟结果与项目要求进一步调整所述施工方案；
(16)在施工过程推进的同时，在所述结构物各关键位置部署传感器，监测每一阶段结构物的实时工程数据。解析所述数据，分析当前施工方案，并根据解析结果调整或重新制定下一阶段施工方案。重复上述步骤直至施工完成，实现从项目开始到项目交付全施工过程中的实时结构健康监测；
运营阶段：
(1)按一定周期检查所述半永久式UWB汇总节点和UWB锚节点，及时更换或维修故障设备；
(2)按一定周期检查半永久式传感器工作情况，及时更换或维修故障传感器；
(3)对工作区域内工作人员进行三维实时精准定位和人员行为监测；
(4)根据人员管理判断逻辑判断所述人员当前状态；
(5)结合BIM可视化页面展示的定位信息与人员信息，统计所述工作人员各区域停留时间与工作时间，计算所述工作人员预计工作进度和总工效；
(6)后台管理人员根据所述人员当前状态，以及当前工作状况，通过本发明与所述人员进行实时沟通；
(7)在施工阶段部署于结构物中的半永久式传感器实时监测结构物整体工程数据，并通过附近UWB锚节点和UWB汇总节点进行数据传输；
(8)解析所述工程数据，根据监测数据评估所述结构物当前健康状态，并在BIM可视化页面中进行结构物健康监测展示；
(9)根据所述分析结果，制定结构物日常巡检养护方案，以及预测结构物未来使用年限；
上述方法中，人、机、料及结构物共同管理包括：通过定位技术对人员、大型机械以及物料进行实时精确定位管理；通过所述UWB模块组对人员行为及生命体征监测管理；通过传感器对结构物进行全生命周期的结构健康监测；通过UWB技术构建局域网，实现定位功能的同时，传递上述管理数据，将人、机、料与结构物管理链接；
所述定位技术包括UWB定位技术、5G定位技术和北斗定位技术。场地宽阔、无遮挡时，对于大型设备，通过北斗定位系统进行定位；对于人员，通过5G设备实现对人员的定位。环境复杂且遮挡物较多时，通过UWB局域网实现定位，再经由5G或管线向本地服务器发送数据；
所述5G定位技术为通过5G设备实现对象的定位，进一步的，5G技术也是各个局域网的数据链接传输手段，传回本地服务器端以及通过运营商的5G网络上传至互联网；
上述方法中，全生命周期包括为建筑生命周期，包括结构物施工阶段与结构物运营阶段，所述结构物施工阶段时，由于施工环境复杂多变，且安全隐患多，本发明重点关注施工人员的生命安全管理与工程进度；所述结构物运营阶段时，环境稳定且工作强度偏低，本发明重点关注工作人员的工效管理。
上述方法中，人员管理判断逻辑包括但不限于：生命健康数据判断、人员危险状态判断、定位信息判断、工效判断、违规事件判断和人力判断。
所述生命健康数据判断为当生命健康数据异常时，判定为高危作业，后台管理人员通过通讯设备与所述人员沟通，确认所属人员是否正确佩戴监测设备和当前身体状态，若设备佩戴正确或身体不适，及时叫停所述人员作业，并强制其休息或就医。所述生命健康数据异常包括但不限于心率异常和温度异常；
所述人员危险判断为当人员原地停留时间过久且无行为，判定为可能处于危险状态，后台管理人员通过通讯设备与所述人员确认，若无人应答或确认发生危险，即时调度附近人员实施救援。所述原地停留时间默认为10min，可根据实际情况进行调整；
所述定位信息判断为定位到人员身处危险区域，或高度信息发生突然变化，判定为可能发生事故，后台管理人员通过通讯设备与所述人员确认，若无人应答或确认发生事故，即时调度附近人员实施救援。所述危险区域根据项目实际情况事先确定。所述高度信息变化阈值默认为3m及以上，可根据实际情况进行调整。
所述工效判断为人员未处于规定工作区域或工效低时，判定为消极怠工，后台管理人员及时与所述人员沟通，指引其返回工作岗位正常作业或提醒其积极作业，情况严重时通知现场管理人员进行协调。所述未处于工作区域具体包括：人员处于生活、娱乐区；人员当日未进入工作区域；人员提前离开工作区域。所述工效低包括但不限于：人员长时间无动作、人员无效动作过多以及人员动作缓慢；
所述违规事件判断为某区域出现聚众、停工等情况时，判定为危险突发事件，后台管理人员及时与所述人员沟通，了解所述区域当前状况，并对相关人员进行警告，必要时通知现场管理人员进行协调。所述人力判断为某区域人员过少，判定为人手不足，后台管理人员通过BIM可视化展示页面展示信息判断各区域内人员分配情况，并进行实时人员调度。被调度人员规定工作区域自动更新。
上述方法中，施工场地内实际情况包括但不限于施工场地范围、作业区域分布、危险区域分布，以及大型设备行进路线。
上述方法中，工程数据包括但不限于应变、应力、弯矩、振型、振动频率、阻尼比。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于BIM的人物结合三维智能人员定位可视化方法，包括以下内容：
(1)BIM模型中通过不同颜色表示不同区域划分；
(2)随施工过程的推进，BIM模型根据实际施工进度改变颜色，展示当前实际施工情况；
(3)人员定位和结构物变形同步展示；
(4)结构物整体展示、局部细节展示，以及人员轨迹展示等展示内容的切换在同一界面完成，查询信息于所述界面右侧显示，呈现直观，访问便捷，无需选择、切换界面；
上述方法中，BIM模型中已施工部分使用不同颜色区分不同区域，鼠标点击某区域时，所述区域整体颜色不变，内部采用彩色区分细节；未完工部分使用灰色表示。
实施例5
基于实施例4的方法，
参照图8，结构物全生命周期管理：
1.项目开始，在BIM可视化页面进行施工方案模拟，根据模拟结果与项目要求调整施工方案；
2.在结构物附近部署半永久式UWB汇总节点和UWB锚节点；
3.施工期第一阶段，结构物施工，在关键位置部署半永久式传感器；
4.通过所述UWB锚节点和UWB汇总节点传输监测数据，实时监测正在施工和施工完成的结构物工程数据；
5.解析所述数据，分析实际施工情况对当前施工方案与理论工程数据的影响，根据分析结果调整或重新制定下一阶段施工方案；
6.在BIM可视化页面模拟下一阶段施工方案，预估所述施工方案的施工成本与施工工期；
7.根据模拟结果与项目要求进一步调整所述施工方案；
8.施工期第二阶段，重复3～7；
9.施工期结束，解析结构健康监测数据，分析与原方案差别，估算成本误差、结构强度与使用期限。
参照图9，人员全周期管理：
1.在施工场地相关区域内部署半永久式UWB汇总节点和UWB锚节点；
2.按一定周期检查所述半永久式UWB汇总节点和UWB锚节点，及时更换或维修故障设备；
3.通过所述UWB汇总节点和UWB锚节点，对施工场地内携带待测标签的施工人员进行三维实时精准定位、人员行为监测和生命体征监测；
4.统计并分析所述施工人员的作业习惯，完善施工场地内施工人员管理方式；
5.根据人员管理判断逻辑判断所述施工人员当前状态；
6.施工期时，结合BIM可视化页面展示的待测标签信息中的位置信息与人员信息，判断当前各区域内施工人员分配情况；运营期时，结合BIM可视化页面展示的定位信息与人员信息，统计所述工作人员各区域停留时间与工作时间，计算所述工作人员预计工作进度和总工效；
7.后台管理人员根据所述施工人员当前状态，以及所述各区域内施工人员分配情况与当前人员工作状况，通过本发明及时与所述施工人员进行实时沟通，进行实时人员调度。
参照图10，人、机、料及结构物共同管理：
1.人员三维实时精准定位、人员行为监测和生命体征监测；
2.后台管理人员根据所述施工人员当前状态，以及所述各区域内施工人员分配情况，与所述施工人员实时沟通，进行实时人员调度；
3.统计所述工作人员各区域停留时间与工作时间，计算所述工作人员预计工作进度和总工效；
4.实时监测、调度材料堆放，并对大型设备的移动路线、工作区域与工作顺序进行统筹安排；
5.结构物全生命周期的的实时结构健康监测；
6.根据所述分析结果，制定结构物日常巡检养护方案，以及预测结构物未来使用年限。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统，其特征在于，
包括基站服务器机构、定位设备组、应用子系统，所述基站服务器机构分别与定位设备组、应用子系统进行数据传输；所述应用子系统包括可视化子系统、智能门禁子系统、人员定位子系统、电子围栏子系统、视频监控子系统和后台数据库；由智能门禁子系统根据后台数据库内实名制信息，管控人员进出施工场地，并由电子围栏子系统根据后台数据库内实名制信息管控人员进出施工场地内每一个区域，视频监控子系统辅助智能门禁子系统和电子围栏子系统对人员的进出进行综合管控，人员定位子系统获取施工场地内人员的位置、行为以及生命体征信息，并将所述信息发送至基站服务器机构进行处理，处理后的数据存储于后台数据库中，并在可视化子系统中根据用户操作模式展示。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统，其特征在于，
所述基站服务器机构包括至少一个本地服务器和本地基站；定位设备组包括待测标签组和外部设备组，
所述待测标签组包括待测标签本体、监测模块组a和处理器模组a，所述监测模块组a和处理器模组a置于所述待测标签本体中，并与所述待测标签本体电连接；所述监测模块组a包括UWB模块组、北斗模块组、5G模块组和附加模块组；
所述外部设备组包括定位节点组、5G基站和北斗终端；所述定位节点组与所述基站服务器机构通过UWB技术进行无线数据传输，并设置有线形式的备用传输渠道；定位节点组包括多个UWB定位节点设备，所述5G模块组向所述5G基站发送信号用以实现5G定位和通信，所述北斗终端通过北斗卫星实现北斗定位以及与本地基站的通信；
所述人员定位子系统包括所述定位设备组和软件平台，所述软件平台获取、分析所有位置信息并传输信息至用户；
所述可视化子系统包括施工场地BIM模型和数字孪生平台，所述BIM模型于所述数字孪生平台中显示，所述数字孪生平台接入所述基站服务器机构、人员定位子系统、可视化子系统、智能门禁子系统、电子围栏子系统数据，并实现数据可视化；
所述智能门禁子系统包括所述定位节点组、门禁设备；
所述电子围栏子系统包括多个所述UWB汇总节点；
所述视频监控子系统包括摄像头、广播设备和高清显示屏，可安装于门禁以及电子围栏边缘。
3.根据权利要求2所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理系统，其特征在于，
所述UWB定位节点设备的定位节点分为UWB汇总节点和UWB锚节点，
所述UWB定位节点设备包括处理器模组b、监测模块组b和UWB定位节点设备本体，所述处理器模组b和监测模块组b置于UWB定位节点设备本体中，并与所述UWB定位节点设备本体电连接；所述UWB定位节点设备与外部电源连接。
4.一种基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，基于权利要求1-3任一项所述的系统所使用，其特征在于，包括有如下步骤：
(1)部署本地基站、UWB汇总节点、UWB锚节点的位置；
(2)根据施工项目要求及施工单位员工实名制信息建立后台数据库；
(3)根据施工项目中目标结构的数据，以及实际施工场地尺寸和区域分布，建立三维空间BIM模型；
(4)建立将施工场地内监测数据集中管理和可视化展示的可视化子系统与接口；
(5)选取位置作为施工场地门禁，建立施工场地智能门禁子系统和视频监控子系统；
进行人员定位时，施工人员即将进入施工场地某区域，UWB汇总节点监测到所述施工人员携带待测标签信息时，唤醒自身所有模块，并将连接测试数据通过串口发送给监测模块组b，监测模块组b通过本地基站向本地服务器发送所述连接测试数据；本地服务器接收到所述连接测试数据后，通过本地基站向所述UWB汇总节点发送命令帧，要求所述UWB汇总节点向所属区域内所有UWB锚节点发送控制信号，唤醒所述UWB锚节点并返回连接确认信息；当所述UWB汇总节点接收到所属区域内所有连接确认信息后，通过本地基站在本地服务器中反馈正常工作设备数以及失效设备坐标，同时区域内人员定位工作开始；
施工场地某区域内人员定位工作开始后，该区域内所有UWB锚节点识别待测标签，接收待测标签信息；UWB汇总节点接收、汇总该区域内包含的所有UWB锚节点监测到的待测标签信息，并将汇总后信息发送至本地基站；本地服务器接收并解析本地基站处理后的所述待测标签信息，根据解析结果计算所述待测标签信息对应的三维空间坐标，并进行待测标签三维空间坐标的优化，根据所述坐标确认待测标签的位置信息，解析所述待测标签施工人员行为信息与施工人员生命体征信息，根据解析结果判定人员安全等级，并依据当前施工人员安全等级判定施工人员是否可以继续作业；所述本地服务器数据解析完成后根据系统用户设置进行可视化展示；
本地服务器通过解析待测标签信息，计算出施工场地某区域内无待测标签信息后，通过本地服务器向所述区域内所有UWB汇总节点发送区域待机控制信息，所述UWB汇总节点接收到区域待机控制信息后，通过监测模块组b向所述区域内所有UWB锚节点发送控制信号，要求所有UWB锚节点返回待机确认信息并开启待机状态；所述UWB汇总节点接收到所属区域内所有待机确认信息后，将待机设备数量和失效设备坐标通过本地基站向本地服务器反馈，信息发送后，所有UWB汇总节点只保持被动定位状态。
5.根据权利要求4所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，其特征在于，
所述的部署本地基站、UWB汇总节点、UWB锚节点的位置，具体为：
将数目不少于一个的本地基站，根据实际的施工场地尺寸和区域划分，部署在施工场地各区域外部并可与各区域范围内的电子设备进行有效无线通信的位置；
将若干UWB汇总节点，根据实际的施工场地尺寸和区域分布，分别部署在各区域可进行有效无线通信的位置；
将若干UWB锚节点，分别部署在各区域所述UWB锚节点与所述UWB汇总节点可进行有效的无线通信的位置，该位置也是可有效获取待测标签信息的位置；各区域中所述UWB汇总节点与UWB锚节点按照路由协议自组织成为一个网络拓扑结构；
UWB汇总节点位置确定后，再部署UWB锚节点，打开上位机并接入网络。
6.根据权利要求4所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，其特征在于，
所述本地服务器通过视线状态识别方法及粒子滤波框架下的目标位置估计方法，进行待测标签三维空间坐标的优化。
7.根据权利要求6所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，其特征在于，
所述视线状态识别方法为：
Figure FDA0003700661450000031
其中，Mc为引入度量，表示FPampl与PKamp的比值；FPampl表示第一路径幅度在特征点处的最大值；PKamp为CIR报告的峰值；
当Mc≥0.9时，直接判定处于闭区间内的相关测量为LOS状态，即视距状态；否则，按照如下公式计算：
Figure FDA0003700661450000032
其中，prNLOS为相关测量为NLOS状态,即非视距状态的概率；IDiff为引入参量，具体公式如下：
IDiff＝|Pfp-Ppp|
其中，Pfp表示累加器中第一路径的位置；Ppp表示累加器中峰值路径的位置，二者通过访问相应寄存器直接获取；
当3.3<IDiff<6时，直接通过下式判定处于闭区间内的相关测量的视线状态：
Figure FDA0003700661450000041
8.根据权利要求6所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，其特征在于，
所述粒子滤波框架下的目标位置估计方法为：
Figure FDA0003700661450000042
其中，xt为t时刻待测标签的位置估计值；
Figure FDA0003700661450000043
为t时刻待测标签的第i个粒子的状态；
Figure FDA0003700661450000044
为
Figure FDA0003700661450000045
对应的权重；
Figure FDA0003700661450000046
为待测标签的第i个粒子对于第j个UWB锚节点获得的测量
Figure FDA0003700661450000047
的似然估计；RAj为由j号锚节点提供的测量的可靠度，具体公式如下：
Figure FDA0003700661450000048
其中，S为第j号锚节点与
Figure FDA0003700661450000049
的网格化中心点所在直线和
Figure FDA00037006614500000410
内所有遮挡物近似模型的所有有效交点数；
Figure FDA00037006614500000411
为UWB锚节点的矩形可行域。
9.根据权利要求4所述的基于超宽带技术的施工场地人员定位管理方法，其特征在于，
所述智能门禁子系统与视频监控子系统配合作业，判定即将进入施工场地的人员作业权限级别与实名制信息；定位节点组识别所述人员携带的待测标签，本地服务器获取并解析所述待测标签映射的后台数据库信息；视频监控子系统的摄像头录入所述人员视频图像信息，本地服务器解析视频图像数据，根据解析结果匹配后台数据库信息，并与定位节点组解析后数据综合比对，判定所述人员的设备匹配情况、作业权限级别与实名制信息，并将比对结果与视频图像存储。
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