(1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430070; 2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430070；3.武漢理工大學(xué)先進工程技術(shù)研究院，廣東 中山 528400)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，地下軌道交通已經(jīng)成為了各大城市緩解交通壓力的首要選擇，因此，地鐵隧道施工安全問題也逐漸得到了人們的普遍關(guān)注。由于目前地鐵隧道施工現(xiàn)場普遍采用電話跟蹤、登記考勤等傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)對作業(yè)人員的信息監(jiān)控，而地下隧道一般具有封閉性、環(huán)境惡劣等特點，一旦發(fā)生安全事故，隧道外部的救援人員很難通過傳統(tǒng)的通訊方式實現(xiàn)對隧道內(nèi)被困人員的精確定位和救援。因此，在加強地鐵隧道施工安全保障的同時，為了多重保障作業(yè)人員的安全，實時掌握隧道內(nèi)部施工人員的位置等信息顯得尤為重要。

超寬帶技術(shù)采用納秒級或亞納秒級的脈沖實現(xiàn)無線通信，其因獨特的帶寬特性可以獲得厘米級的測距精度[1]，逐漸成為了室內(nèi)定位技術(shù)中的主流技術(shù)。相較于WiFi定位、Zigbee定位技術(shù)等傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)，超寬帶有著定位精度高、通信速率高、多徑分辨率強等優(yōu)點[2-5]，同時由于它極低的脈沖占空比使得發(fā)送端能量消耗小、功耗低，更適合跟蹤定位的應(yīng)用場合當(dāng)中。因此，超寬帶技術(shù)由于其突出的定位精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點成為了近年來室內(nèi)定位的關(guān)鍵技術(shù)。

本文針對地鐵隧道施工現(xiàn)場中對于作業(yè)人員的實時定位需求，設(shè)計了基于UWB技術(shù)的地鐵隧道定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時定位。系統(tǒng)采用對稱雙向雙邊測距(SDS-TWR)算法減少晶振漂移帶來的時間誤差，提高測距的精度，并在基于TOA的定位方法的基礎(chǔ)上采用粒子群算法來提高目標(biāo)跟蹤定位的精度，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定，功耗低，定位精度高等優(yōu)勢，目前已在武漢市某地鐵隧道施工現(xiàn)場安裝試運行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 總體框圖

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)主要由移動標(biāo)簽、定位基站、交換機和定位服務(wù)器構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動標(biāo)簽由地鐵隧道中的作業(yè)人員攜帶以對其進行跟蹤定位，定位基站被固定等高布置在隧道中已知坐標(biāo)的位置，當(dāng)作業(yè)人員在定位基站分布范圍內(nèi)施工作業(yè)時，定位基站通過獲取移動標(biāo)簽的測距信息和ID號等相關(guān)內(nèi)容信息，并通過交換機上傳至服務(wù)器，服務(wù)器上的上位機采用基于TOA的粒子群算法實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時跟蹤定位。

1.2 基于TOA的SDS-TWR測距原理

UWB無線定位系統(tǒng)中，定位基站與移動標(biāo)簽之間距離參數(shù)的測量是關(guān)鍵的第一步?；赥OA測距的實質(zhì)即通過測量移動標(biāo)簽到定位基站之間的信號飛行時間，由于電磁波在空氣中的傳播速度很快，而在基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)中由晶振漂移造成的時鐘抖動誤差是在所難免的，因此很小的時鐘偏差即可導(dǎo)致測距距離較大的誤差，從而造成定位精確度的降低。而對稱雙向雙邊測距方法則可以很好地減小這一誤差。其測距原理如圖2所示[6]。

測距由標(biāo)簽首先發(fā)起，移動標(biāo)簽廣播發(fā)送一個帶有自己ID號的poll信標(biāo)，并記錄下poll信標(biāo)的發(fā)送時間戳，周圍的定位基站接收到標(biāo)簽發(fā)送的poll信標(biāo)之后，分別記錄信標(biāo)到達時間戳，然后為了避免移動標(biāo)簽接收沖突，各個定位基站分別延時一定時隙后，依次將回復(fù)信息發(fā)送至標(biāo)簽。至此，移動標(biāo)簽和定位基站之間已經(jīng)完成了第一次完整的雙向通信，即雙邊算法(TWR，two way ranging)。此時移動標(biāo)簽即可通過定位基站的返回信息求得飛行時間。但是由于移動標(biāo)簽與定位基站之間沒有進行時間同步，且各自的晶振漂移也會加大時間的計算誤差。

因此，標(biāo)簽收到所有定位基站的返回信息后，記錄相應(yīng)的時間戳信息并立即將包含有各個發(fā)送、接收時間戳以及延時信息的最終信標(biāo)發(fā)送至定位基站，完成第二次通信，即SDS-TWR。相對于TWR算法的單次通信，SDS-TWR具有更高測距精度[7]，這樣就可以進一步減小晶振漂移帶來的測距誤差，獲得較高精度的飛行時間：

(1)

因此基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)采用基于TOA的對稱雙向雙邊測距算法來提高測距精度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)的硬件部分主要由移動標(biāo)簽和定位基站兩個模塊構(gòu)成。移動標(biāo)簽作為被定為的目標(biāo)節(jié)點，由施工人員攜帶，定位基站被固定在隧道中的已知坐標(biāo)點。定位基站與移動標(biāo)簽完成測距并上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器進行對移動標(biāo)簽的坐標(biāo)位置解算，實現(xiàn)對地鐵隧道中施工人員的實時精確定位。

2.1 移動標(biāo)簽

移動標(biāo)簽主要包括主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊。移動標(biāo)簽?zāi)K如圖3所示。

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F105RC芯片，該款MCU基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，主頻32 MHz，包含4個通用的16位定時器，多達3個SPI接口，電源工作電壓為2.0～3.6 V，可實現(xiàn)休眠模式、待機模式和停止模式，具有高性能、低成本和低功耗等優(yōu)點。設(shè)計時采用32.768 KHz的外部晶振為芯片提供RTC實時時鐘。

射頻模塊采用的是Decawave公司推出的定位精度可達厘米級別的DWM1000模塊，該模塊是一款基于IEEE802.15.4-2011通信標(biāo)準(zhǔn)的無線信號收發(fā)模塊，支持3.5～6.5 GHz的6組中心頻率帶寬，并可以根據(jù)實際需求選擇采用110 Kb/s、850 Kb/s和6.8 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時采用基于飛行時間的測距原理和TOA的定位原理，支持2 μA休眠模式和100 nA深度休眠模式。

2.2 定位基站

基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)定位基站模塊主要包括主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊以及以太網(wǎng)接口模塊上傳至服務(wù)器進行位置解算，定位基站的模塊框圖如圖4所示。定位基站中的主控芯片和射頻模塊的選擇與移動標(biāo)簽中相同。

圖4 定位基站模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 粒子群算法

粒子群算法的主要原理是基于“種群”和“進化”的概念，粒子群算法的進化過程遵循群體智能方法，群體的最優(yōu)解來源于群體粒子之間的互相合作和競爭，它們能很好地調(diào)節(jié)自己下一步的行為，因為它們能通過粒子間的資源共享很好地感知并確定群體當(dāng)前的最優(yōu)位置，實現(xiàn)復(fù)雜空間最優(yōu)解的搜索。該算法計算量小、收斂速度快，是計算非線性方程和解算優(yōu)化的有效方法[8]。因此將TOA解算方程組作為粒子群算法的優(yōu)化函數(shù)，求得的解即為定位坐標(biāo)。粒子群算法流程如下[9]：

1)種群初始化：種群規(guī)模大小為Size，每個粒子的初始位置和初始速度，其中i=1,2,…,Size。最大迭代次數(shù)G。個體極值Pi。全局極值PG。

2)通過適應(yīng)度函數(shù)得到每個粒子的當(dāng)前適應(yīng)度值，并與個體極值和全局極值比較，確定群體最優(yōu)位置。

3)采用邊界條件處理策略限制粒子的搜索范圍，并根據(jù)如下的式(2)和式(3)來更新粒子的速度和位置：

(2)

(3)

式中，w為慣性權(quán)重，為了使算法有更大的概率向全局最優(yōu)解收斂，此處采用線性遞減權(quán)值策略，即從0.9線性遞減至0.4；c1為局部學(xué)習(xí)因子，代表個體經(jīng)驗對粒子軌跡的影響，c2為全局學(xué)習(xí)因子，代表群體經(jīng)驗對粒子軌跡的影響；r1、r2為0～1的隨機數(shù)。

4)計算更新后的粒子個體適應(yīng)度值，并與自身歷史最優(yōu)值Pi作比較，若當(dāng)前個體適應(yīng)度值較好，則替代Pi并更新當(dāng)前粒子位置。

5)將當(dāng)前粒子適應(yīng)度值與全局極值PG作比較，若當(dāng)前粒子適應(yīng)度值較好，則替代PG。

6)若滿足預(yù)先設(shè)定的終止條件，則尋優(yōu)解算結(jié)束；若不滿足終止條件，則返回3)。

3.2 基于粒子群算法的TOA模型

基于UWB的隧道定位系統(tǒng)采用TOA定位算法，該方法不需要定位基站之間進行嚴(yán)格的時間同步，具有成本低、實現(xiàn)簡單等優(yōu)點?；赥OA的定位方法是利用定位標(biāo)簽與定位基站之間的通信先測量出標(biāo)簽與各個定位基站之間的距離信息，然后在二維平面坐標(biāo)系中，分別以各個定位基站為圓心，以距離為半徑畫圓，若定位基站不在同一條直線上，則至少需要3個圓才能有一個共同交點即為標(biāo)簽的位置坐標(biāo)[10-11]。設(shè)3個已知定位基站的坐標(biāo)分別為(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，待定的定位標(biāo)簽節(jié)點位置坐標(biāo)為(x，y)，對應(yīng)的定位基站與定位標(biāo)簽之間的測量距離分別為r1、r2、r3，真實距離為d1、d2、d3列出相應(yīng)方程組：

(4)

將求解非線性方程組問題轉(zhuǎn)化為區(qū)域約束優(yōu)化問題，即將對目標(biāo)節(jié)點的求解問題轉(zhuǎn)化為利用粒子群算法在定位區(qū)域?qū)で笞顑?yōu)解問題，設(shè)[12]：

(5)

于是定位目標(biāo)求解問題轉(zhuǎn)化為用粒子群算法求函數(shù)f極小值問題，所求函數(shù)值即為個體適應(yīng)度值。

3.3 移動標(biāo)簽軟件設(shè)計

移動標(biāo)簽?zāi)K的軟件流程如圖5所示。標(biāo)簽開啟供電后在初始化階段會對DWM1000進行配置，包括對標(biāo)簽的地址配置，初始化完成后將會進入測距模式，首先標(biāo)簽會將帶有自己ID號和時間戳的poll信標(biāo)以廣播的方式發(fā)送出去，隨后開啟接收模式，當(dāng)接收到附近的定位基站發(fā)送回來的回復(fù)信息后，移動標(biāo)簽會將回復(fù)信息中基站寫入的接收和發(fā)送時間戳重新寫入到最終信息中，最后移動標(biāo)簽將帶有自己時間戳和其他基站回復(fù)時間戳信息的最終信標(biāo)發(fā)送給基站，并進入休眠模式等待下一次測距發(fā)起。若在指定的等待時間內(nèi)沒有收到回復(fù)信息，則認(rèn)為接受失敗，移動標(biāo)簽將會重新配置poll信標(biāo)并以廣播的方式進行發(fā)送。

圖5 標(biāo)簽?zāi)K軟件流程圖

3.4 定位基站軟件設(shè)計

定位基站的軟件流程圖如圖6所示。實現(xiàn)二維定位需要至少3個基站完成，分別設(shè)置為0號、1號和2號基站，其中0號基站為主基站。為了提高定位的精確度，可增加定位的數(shù)量，測試中定位基站的數(shù)量為4個。與移動標(biāo)簽不同，基站在完成初始化的配置后直接開啟接收模式，當(dāng)定位基站接收到移動標(biāo)簽廣播發(fā)送來的測距poll信標(biāo)時，會把標(biāo)簽的ID和時間戳信息記錄下來，同時把含有上述信息和自己接收和發(fā)送時間戳的回復(fù)信標(biāo)發(fā)送至標(biāo)簽，隨后繼續(xù)進入接收等待模式，等待移動標(biāo)簽發(fā)送最終信標(biāo)。當(dāng)標(biāo)簽接收到基站的回復(fù)并記錄歷史相關(guān)時間戳信息和ID信息后，會將所有信息組合到最終信標(biāo)當(dāng)中并發(fā)送至基站以供基站完成測距計算，此時定位基站會再一次收到移動標(biāo)簽發(fā)送來的最終信標(biāo)，并完成測距計算和上傳至服務(wù)器以完成定位解算。

圖6 定位基站軟件流程圖

4 系統(tǒng)驗證

4.1 定位精度測試

為了驗證基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)的定位精度，在武漢某地鐵隧道施工現(xiàn)場進行定位測試。隧道直徑為6 m，為了提高定位精度，實驗中共采用了4個定位基站進行定位測試，分別布置于隧道兩端的隧道壁上，設(shè)定在一個6 m*20 m的二維空間內(nèi)，采用頻率為2～12.4 GHz的通用定向天線以增大測距距離，而施工人員攜帶的定位標(biāo)簽則采用體積相對較小的頻率為3.1～8 GHz的陶瓷天線進行測試，放置于定位空間的中心位置。在保證測距誤差相同的情況下，分別采用本文系統(tǒng)所使用的粒子群算法和傳統(tǒng)的三邊定位算法對標(biāo)簽定位計算，然將位置估計坐標(biāo)與真實坐標(biāo)進行對比計算出誤差，隨著測量次數(shù)的累加，得到誤差累積分布函數(shù)，繪制出累積分布曲線，如圖7所示。

圖7 誤差累積分布圖

由圖7可知，采用粒子群算法優(yōu)化后的定位誤差有90%小于0.5 m，而傳統(tǒng)的三邊定位算法有90%的定位誤差則是小于1.6 m。因此，與直接進行三邊定位算法求解相比，基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)采用粒子群算法后的定位精度得到了非常明顯的提高。

4.2 移動標(biāo)簽功耗測試

由于定位標(biāo)簽由隧道內(nèi)施工人員攜帶，一般應(yīng)滿足體積小、功耗低的特點?；赨WB的地鐵隧道定位系統(tǒng)中，定位標(biāo)簽在啟動后首先發(fā)送測距請求，然后開啟接收等待模式，定位標(biāo)簽接收到定位基站的回復(fù)后發(fā)送最終信息并進入休眠模式，等待下次測距發(fā)起。在現(xiàn)場測試過程當(dāng)中，利用功率分析儀對定位標(biāo)簽各個狀態(tài)的功耗進行測量，定位標(biāo)簽在單個工作周期內(nèi)的功耗如表1所示。由于標(biāo)簽在定位開始只需啟動配置一次，由表中結(jié)果計算可知，定位標(biāo)簽在完成一次定位周期內(nèi)的功耗為0.00025 mAh，一個定位周期為1.009 s，計算可得每天上班時間定位標(biāo)簽功耗為8.9425 mAh，能夠滿足地鐵隧道定位系統(tǒng)中對于定位標(biāo)簽低功耗的要求。

表1 定位標(biāo)簽單周期電流消耗

5 結(jié)束語

由于地鐵隧道中環(huán)境惡劣且安全隱患多，為了保證地鐵隧道中施工人員的安全，實現(xiàn)對隧道中作業(yè)人員的實時定位，針對傳統(tǒng)定位系統(tǒng)存在的定位精度低、抗多徑效應(yīng)差、抗干擾能力差等問題，本文采用STM32F105芯片作為MCU，結(jié)合定位精度可達厘米級別的DWM1000模塊，設(shè)計了基于UWB技術(shù)的地鐵隧道定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TOA的定位方法，無需移動標(biāo)簽與定位基站之間的時間同步，實現(xiàn)簡單，采用SDS-TWR測距算法來有效抑制由于晶振漂移帶來的測距誤差，同時采用粒子群算法對目標(biāo)位置進行優(yōu)化解算，提高定位精度。測試結(jié)果表明：基于UWB的地鐵隧道定位系統(tǒng)具有功耗低、通信穩(wěn)定、抗干擾性強、定位精度高的優(yōu)點，適用于地鐵隧道中對施工作業(yè)人員的實時精確定位，并可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、隧道、井下等復(fù)雜環(huán)境中。