CN208227333U - 一种基于uwb的建筑工地施工人员场内定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，包括应用层、解算层、传输层和设备层：应用层通过解算层获取定位标签位置；解算层通过定位标签与其所在区域的定位基站之间进行无线信号传播；传输层向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位标签与定位基站之间的无线信号传播数据传输给解算层；设备层包括通过UWB无线信道传输的多个定位基站和定位标签，采用下行定位方式进行定位，定位基站分布在建筑施工的各楼层，根据接收到的应用层下发的指令，完成相关的设置。本实用新型采用UWB技术，对施工人员进行精准位置定位和状态监管，极大的提高了工作效率，改善了监管模式并降低了现场管理成本。

Description

一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统

技术领域

本实用新型涉及建筑安全技术领域，具体涉及一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统。

背景技术

目前，随着工业化、城市化进程的加快，建筑物的建设施工已成常态。人们在关注建设的规模和速度的同时也更加关注建筑物的质量和施工的安全。然而，实际情况却并不尽如人意。正如人们所知，在某些建筑工程中，由于技术、管理等的不到位，导致建筑质量差，安全隐患多且事故频发。在建筑施工的管理上，由于许多建筑施工的地点分散和不固定，且工地数量多，增加了安全施工、文明施工的管理难度以及人员、设备的监管难度。还由于缺乏必要的实时监控手段，使得当独处某位置施工的工人遇突发事件时，未能及时发现和处置，而导致延误施救时间。

此外，由于缺乏必要的监控手段，建筑行业还存在劳务费用结算纠纷多，工人与管理方的人身安全纠纷多，在解决此类纠纷时调查取证难，导致纠纷难以妥善解决等问题。建筑施工环境艰苦恶劣，工种危险系数高，工作人员人数多，使线路建筑施工企业面临巨大的管理困难，迫切需求一种高效、准确的人员管理和安全管理系统。

实用新型内容

本实用新型旨在解决上述问题，而提供一种可对在建筑工地施工的人员进行实时位置定位，以确定是否为准入人员以及有效应对和处置突发事件，保护施工人员生命安全的建筑工地施工人员场内定位系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是提供一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，包括应用层、解算层、传输层和设备层：

所述应用层通过解算层获取定位标签位置；

所述解算层通过定位标签与其所在区域的定位基站之间进行无线信号传播；

所述传输层向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位标签与定位基站之间的无线信号传播数据传输给解算层；

所述设备层包括通过UWB无线信道传输的多个定位基站和定位标签，采用下行定位方式进行定位，定位基站分布在建筑施工的各楼层，根据接收到的应用层下发的指令，完成相关的设置。

优选地，所述应用层提供websocket接口和http接口，通过websocket接口获取定位标签的实时位置数据，以一维或二维地图的形式实时显示；通过http接口获取系统其它相关数据。

优选地，所述应用层还包括电子围栏设置模块，对监控区域出入口设置电子围栏，定位标签超出电子围栏范围时发出报警信号，并发送报警信号至管理人员。

优选地，所述应用层还包括紧急呼叫模块，当某区域发生异常紧急情况时，管理人员通过系统向该区域的施工人员发送撤离命令，施工人员通过携带的定位标签收到撤离命令后，通过声光报警提示人员撤离；当某区域发生异常紧急情况时，施工人员长按定位标签中的“呼救”按键，发送求救请求，系统根据接收到的求救信号提示管理人员及时进行处理。

优选地，所述解算层采用到达时间差定位法TDOA进行定位和跟踪，到达时间差定位法TDOA的原始数据通过以太网接口传送；所述解算层采用位置解算算法计算各定位标签的具体位置信息。

优选地，所述传输层由无线AP、CPE和交换机构成，AP为传输层的中继，负责接收通信定位基站传输的数据，同时把数据传输给CPE，CPE负责数据的上传和下发指令，向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位标签与定位基站之间无线信号传播数据传输给解算层。

优选地，所述定位标签采用工业型标签卡或安全帽安装套件。

优选地，所述应用层还包括考勤管理模块，实时获取施工人员位置信息，实现对施工人员考勤的精细化管理，包括：

设定每位施工人员的工作区域；

记录施工人员的上下班时间和工作期间的运动轨迹；

判断施工人员在工作期间是否脱岗；

统计部门、施工人员个人考勤报表和图表。

本实用新型的有益技术效果如下：

本实用新型提出了一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，通过在建筑工地沿线安装多个定位基站，采用UWB(Ultra-Wide-Band，超宽带)技术，不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1-10.6GHz量级的带宽。从而实时对作业人员或设备的精准位置进行跟踪和状态监管，通过对作业人员热图分析、位置行为分析、作业时长分析以及工序效率分析，实现资源的合理调度安排、作业状态的实时监管以及历史位置数据跟踪追溯。

UWB技术不但解决了需要多人现场管理的问题，同时也极大的提高了工作效率，改善了监管模式并降低了现场管理成本，使企业可以更加科学地配置服务资源和更加安全地开展生产工作。

附图说明

图1为本实用新型中一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统结构示意图。

具体实施方式

为了保证建筑工地施工安全、施工质量以及施工进度等，需要把规范现场安全管理放在首要位置来抓，采取有力措施强化现场安全管控，查找和改进薄弱环节，特别要防范人身安全事故的发生。为实现施工过程的安全高效，需要提供一套集人员管理、实时显示以及应急救援等功能的智慧监管系统。

随着基于UWB技术的人员定位系统的应用，可以从根本上解决人员管理存在的问题。UWB技术不但解决了需要多人现场管理的问题，同时也极大的提高了工作效率，改善了监管模式并降低了现场管理成本，使企业可以更加科学地配置服务资源和更加安全地开展生产工作。

本实用新型提出了一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，通过在建筑工地沿线安装多个定位基站，采用UWB(Ultra-Wide-Band，超宽带)技术，不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1-10.6GHz量级的带宽。从而实时对作业人员或设备的精准位置进行跟踪和状态监管，通过对作业人员热图分析、位置行为分析、作业时长分析以及工序效率分析，实现资源的合理调度安排、作业状态的实时监管以及历史位置数据跟踪追溯。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做出详细的说明。

本实用新型实施例提供了一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，如图1所示，包括：

应用层10，通过解算层获取定位标签位置，以一维、二维地图的形式实时显示各定位标签的位置，并提供轨迹回放、人员信息管理和呼叫求救功能。

应用层10提供websocket接口和http接口，通过websocket接口获取定位标签的实时位置数据，通过http接口可获取系统相关的数据，以便其他系统获取位置等信息进行二次开发和集成。

解算层20，通过定位标签与其所在区域的定位基站之间进行无线信号传播，采用到达时间差定位法(TDOA)进行定位和跟踪，到达时间差定位法(TDOA)的原始数据可以通过以太网接口传送，解算层20采用位置解算算法计算各定位标签的具体位置信息。

TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法，通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心，距离为半径作圆)，就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量，通过比较信号到达各个监测站的时间差，就能作出以监测站为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。

传输层30，传输层30也称主干通信网(简称“主干网”)，由无线AP、CPE和交换机等构成。AP为传统有线网络中的HUB，也是组建小型无线局域网时最常用的设备。AP相当于一个连接有线网和无线网的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端(定位基站)连接起来，然后将无线网络接入以太网。形成一个定位基站与解算层20、应用层10之间数据传输的通道，向下将应用层10相关指令传输给定位基站，向上将定位原始数据(定位标签与定位基站之间无线信号传播数据)传输给解算层。

考虑到施工场地不方便布线，故本方案采用无线(WIFI)方式进行数据传输。

设备层40，定位基站分布在建筑施工的各楼层，设备层40主要包括通过UWB无线信道传输的多个定位基站和定位标签，为定位的核心设备。采用下行(定位基站发，定位标签收，定位标签回传定位数据)进行定位(区域人数较多，故采用下行定位方式)，定位基站也可以接收到应用层10下发的指令，完成相关的设置。

下文将详细介绍本系统的各项性能指标。定位准确度是空间实体位置信息(通常为坐标)与其真实位置之间的接近程度，本系统中通俗讲就是系统定位引擎计算出来的标签位置与标签真实位置之间的偏差，系统二维定位准确度为10cm。

二维定位精度即定位系统输出定位标签坐标值的方差，系统二维定位的3σ精度为0.3m。(3σ精度即最多有0.3％的测量结果超过该精度)

本系统的定位设备采用通信定位基站，其功能为：接收定位基站的原始数据；与传输层30进行数据传输；小区时间同步；定位标签的接入调度。

AP为主干通信网络的中继，负责接收通信定位基站传输的数据，同时把数据传输给CPE，CPE负责数据的上传和下发指令。

通过中控室光纤接入5G CPE天线，由5G CPE天线转成无线信号后，通过扇形天线(120°辐射角)覆盖安装区域的无线中继(5G CPE+2.4G AP),无线中继使用5G CPE接收数据后，通过2.4G AP外接的全向天线覆盖安装区域，满足该区域通信定位基站接入以太网。

本系统的定位标签采用工业型标签卡或安全帽安装套件。

可通过平面、立体和列表三种视图方式实时显示定位区域内不同类型作业人员(定位标签)的实时位置，方便管理人员随时了解作业人员(定位标签)的实时状态，可以分区域、楼层统计作业人员(定位标签)数量。

本系统还包括电子围栏设置模块，通过管理软件(定位系统)对监控区域出入口设置电子围栏，一旦有人员(定位标签)接近这区域将会报警现场声光报警(标签卡)，中控室(管理软件)同时报警提醒管理人员。具体围栏区域设置根据现场实际情况决定。可以是正方形、圆形、多边形等等。

轨迹回放：软件会自动保存人员(标签)的运动轨迹，管理者可以通过姓名或者卡号查看人员在某个时间段内的运动轨迹。

所述应用层10还包括紧急呼叫模块，当某区域发生异常紧急情况时，管理人员通过系统向该区域的施工人员发送撤离命令，施工人员通过携带的定位标签收到撤离命令后，通过声光报警提示人员撤离；当某区域发生异常紧急情况时，施工人员长按定位标签中的“呼救”按键，发送求救请求，系统根据接收到的求救信号提示管理人员及时进行处理。

当现场发生灾情或其他异常情况时，管理人员在软件实时监控界面点击撤离后，通过鼠标选定需要撤离的区域，软件后台会向在该区域的人员发送撤离命令，人员携带的标签收到撤离命令后，通过声光报警提示人员撤离。如人员遇到紧急情况发生时，可以长按标签中的“呼救”按键，发送求救请求，管理软件接收到求救信号后会弹出窗口提示管理人员及时进行处理。

人员管理：通过人员管理可以新增、删除、修改等人员信息(包括、)，也可以通过Excel文件(xls、xlsx等格式)批量导入、出人员信息；可以通过人员姓名查询人员状态。

视频联动：系统支持接入已有视频监控系统，将已有摄像头设备集成到管理监控系统中，充分发挥视频监控系统功能，降低整体系统成本。管理监控系统可实时显示各摄像头的视频画面，管理人员通过管理监控系统可随时查看各摄像头视频画面，确认现场情况。系统可根据各种报警情况实现视频联动，即当紧急情况发生时，例如出入口出现陌生人、人员进入无权限区域、人员接近危险源、人员求救等，若紧急事件发生地点有视频监控，监控摄像头及时联动在软件管理端实时弹出现场视频画面显示并进行拍照记录现场情况以便以后查阅。若监控摄像头支持云台旋转，视频联动时，摄像头可跟踪监控对象(携带定位标签)位置实时转动，使监控视频画面中心始终对准监控对象。视频联动功能为企业提供现场画面，极大方便了企业的管理效率以及应对紧急情况的能力。

物资管理：本除了保证员工的安全作业外，也具有保护贵重物资、防护危险品的功能。

应用层10还包括考勤管理模块，实时获取施工人员位置信息，实现对施工人员考勤的精细化管理，包括：

设定每位施工人员的工作区域；

记录施工人员的上下班时间和工作期间的运动轨迹；

判断施工人员在工作期间是否脱岗；

统计部门、施工人员个人考勤报表和图表。

出入记录查询：软件可自动生成某个时间段的报表，可以通过姓名、卡号查询、导出每个人的出入记录，也可以通过工种、部门等查询、导出团体的出入记录，应本次定位需求。用户管理实现用户登录权限控制，不同的用户登录系统显示不同权限菜单，所有登录权限控制由数据库完成。对用户的角色、个人用户、管理人员用户操作记录等功能

区域设置实现了对区域地图的添加、编辑、删除等管理。

用户日志：实现了对管理人员进行软件操作的记录。

行为检测：对人员消失、聚众、超时和消失等异常行为进行实时监控，如有发现立即告警，提高对人员自身安全的管理措施。

巡检路线：通过管理平台可以设置工作人员巡检路线，能有效的避免巡查不全面。立体视图实现了在现场人员安全监管系统软件中以3D立体视角进行拖曳以及缩放，点击人员查看具体的位置信息等功能。

基站部署方案：由于不同施工场地施工时间长短不同，对于短期施工场地部署临时定位设备，减少部署成本，定位设备可重复使用。本次是按照环境空旷，部署基站为二维定位方式。后期随着建筑物的增多，基站会相应的增多。二维定位方案，在每个施工场地区域部署4台定位基站实现2维精确定位。覆盖范围：空旷环境下可以达到对角线150米。现场施工围栏区域定位部署根据具体基站安装位置根据现场考察后确定。

主干网(传输层)部署方案：无线网络部署方案及光纤组网方案。

无线组网方式：为了使各个区域覆盖WIFI信号，在各区域部署AP、CPE，外接路由器以及交换机等。使用无线AP仿真软件对各区域的无线覆盖情况进行仿真，区域内最小信号强度为-55dBm，可以保证稳定的无线信号覆盖。将AP部署在通信定位基站附近，外接CPE，实现对通信定位基站网络覆盖，从控制室外接交换机及CPE，实现数据回传服务器及指令的下发。

网络安装：现场一共布置一定数量AP、CPE进行网络覆盖。实现了基站、定位标签数据向服务器传输数据的一个通道链路，再由服务器进行数据分析解算处理。具体安装方式待现场考察后确定。

基站安装方式有抱杆安装和打孔安装。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，包括应用层、解算层、传输层和设备层：

所述应用层通过解算层获取定位标签位置；

所述解算层通过定位标签与其所在区域的定位基站之间进行无线信号传播；

所述传输层向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位标签与定位基站之间的无线信号传播数据传输给解算层；

所述设备层包括通过UWB无线信道传输的多个定位基站和定位标签，采用下行定位方式进行定位，定位基站分布在建筑施工的各楼层，根据接收到的应用层下发的指令，完成相关的设置。

2.如权利要求1所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述应用层提供websocket接口和http接口，通过websocket接口获取定位标签的实时位置数据，以一维或二维地图的形式实时显示；通过http接口获取系统其它相关数据。

3.如权利要求2所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述应用层还包括电子围栏设置模块，对监控区域出入口设置电子围栏，定位标签超出电子围栏范围时发出报警信号，并发送报警信号至管理人员。

4.如权利要求2所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述应用层还包括紧急呼叫模块，当某区域发生异常紧急情况时，管理人员通过系统向该区域的施工人员发送撤离命令，施工人员通过携带的定位标签收到撤离命令后，通过声光报警提示人员撤离；当某区域发生异常紧急情况时，施工人员长按定位标签中的“呼救”按键，发送求救请求，系统根据接收到的求救信号提示管理人员及时进行处理。

5.如权利要求1所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述解算层采用到达时间差定位法TDOA进行定位和跟踪，到达时间差定位法TDOA的原始数据通过以太网接口传送；所述解算层采用位置解算算法计算各定位标签的具体位置信息。

6.如权利要求1所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述传输层由无线AP、CPE和交换机构成，AP为传输层的中继，负责接收通信定位基站传输的数据，同时把数据传输给CPE，CPE负责数据的上传和下发指令，向下将应用层相关指令传输给定位基站，向上将定位标签与定位基站之间无线信号传播数据传输给解算层。

7.如权利要求1所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述定位标签采用工业型标签卡或安全帽安装套件。

8.如权利要求2所述的基于UWB的建筑工地施工人员场内定位系统，其特征在于，所述应用层还包括考勤管理模块，实时获取施工人员位置信息，实现对施工人员考勤的精细化管理，包括：

设定每位施工人员的工作区域；

记录施工人员的上下班时间和工作期间的运动轨迹；

判断施工人员在工作期间是否脱岗；

统计部门、施工人员个人考勤报表和图表。