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基于声信道分析的电缆隧道人员定位技术.docx
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基于声信道分析的电缆隧道人员定位技术.docx
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随着电力作业现场新技术、新设备投运日益增多,电网形态、业态发生深刻变化,造成电力生产作
业现场种类多、生产作业人员分散繁杂的问题。电网领域众多作业现场中,地下电缆隧道占据绝大多数
[1]
。据统计,2020 年全国电网电缆隧道春检期间日均作业计划达 3 000 余个,作业人员达 1.2 万余人,安
全管控压力大。然而,现有电缆隧道安全管控手段主要依赖作业人员的个人安全意识、有限的现场督查和
远程视频督察,仍存在作业人员定位信息不精确、作业危险区域划分不可靠、危险作业行为预警不及时等
问题,很难实现生产、作业、巡检人员行为的全天候、全方位安全监控
[2]
。
当前,基于北斗卫星定位技术为代表的全球卫星定位与导航系统(global navigation satellite
system,GNSS)已经在室外现场人员位置管理中取得了广泛应用,基于人员精确位置的定位手段为作业
危险区域精准划分、作业人员准确定位提供作业现场安全管控有力支持
[3]
。然而,面对以地下电缆隧道为
代表的卫星完全拒止环境,目前尚无任何定位方法能够独立提供优质解决方案。面对卫星拒止环境,传统
基于位置信息的人员管控技术多使用基于无线电信号强度指纹信息
[4]
、基于电磁波角度估计
[5]
、基于惯性
传感器航迹推测
[6]
、基于视频图像分析
[7]
等方法。需要注意的是,针对电缆隧道巡检人员定位场景的特殊
性在于,传统基于电磁波的定位手段面临强电磁干扰等问题,使得定位精度大大下滑,无法满足位置信息
的置信度需求
[8]
;而基于视频图像的定位方案在面对暗光、烟雾、遮挡的场景下视距信息损失严重,无法
分辨人员身份、位置,难以保证管控的连续性
[9]
;基于惯性传感器的行人航迹追踪技术也随着定位时间的
增长面临巨量的累计误差,导致轨迹漂移、管控失效,无法满足定位场景精度需求
[10]
。上述挑战使得基于
WiFi 或蓝牙低功耗(bluetooth low energy,BLE)的电磁波定位技术、基于视觉技术、惯性导航模块技术等
传统人员管控方法缺乏高置信度的位置估计信息
[11]
。
类比同类场景,在煤炭矿井隧道人员定位中,基于脉冲压缩技术的超宽带(ultra-wide band,UWB)
定位系统获得了大量应用
[12]
,工业领域也出台了相应标准。不仅如此,在普通电力场景中,超宽带技术在
变电站人员巡检、深基坑作业人员管控方面也获得了一定应用,基于超宽带的距离估计、角度估计技术面
对人员定位展现出巨大的精度优势
[13]
。然而,在真实电缆隧道场景中对超宽带技术的实际测试表明,超宽
带技术定位精度与开阔空间相比面临着巨大的精度下滑(1.1 节给出具体结果)。通过原因分析发现,相较
于地下矿井隧道,地下电缆隧道拥有更多的金属结构和电缆电线,这也意味着以电磁波为媒介的超宽带技
术面临更多的金属屏蔽效应和更为复杂的信道环境
[14]
。根据本文 3.1 节国家电网江苏电力科学研究院进行
的地下电缆隧道的多传感器定位对比测试表明,超宽带技术在电缆隧道的实际应用,因隧道信号传播遭遇
的严重多径效应、基站二维布设时的过高长宽比、复杂电磁环境因素,相较地面开阔环境面临严重的性能
下滑,出现互测距链接信号丢失、测距值方差过大、自标定偏差严重等问题。不仅如此,当前广泛使用的
如超宽带雷达等定位手段存在成本高昂、抗干扰性能较低、设备兼容性较差等问题,且其核心定位芯片的
制造技术均存在关键技术“卡脖子”问题
[15]
。上述挑战制约了传统超宽带方案在地下电缆隧道中的应用。
近些年来,基于声信号测距的定位技术逐渐在煤矿、电力等工业场景中引起了研究者的兴趣
[16-18]
。
与密集金属结构导致基于电磁波媒介的定位方法性能下降不同的是,基于声信号的定位技术不存在电磁屏
蔽效应,没有表现出明显的性能下滑,因此得以在地下矿井巷道人员管理、大型装备机械定位中得到应用
[19]
。在传统声信号定位系统中,位置接收机通过运行基于互相关的匹配滤波算法,估计多个已知坐标基站
发出声信号的到达时间差值,进行最小二乘估计从而获得目标位置。其定位系统由发射同步声信号的扬声
器、带有麦克风及解算装置的位置接收机、同步模块等构成。理论上声音的传播速度较光速约为其百万分
之一,因此仅需毫秒级的时钟同步,大大降低了应用成本;声信号面对密集金属环境多径反射密度不及电
磁波信号,所以对于以电缆隧道为代表的电力作业场景是理想的定位方法。然而,实际电力作业场景中,
以普通声信号为代表的定位手段面临着诸多限制。例如,声频带易受冲激噪声干扰、测距精度受多径效应
干扰等问题。为此,本文聚焦以地下电缆隧道为代表的复杂巡检环境,提出基于完全自主可控的高精度近
超声媒介,并设计位置估计算法。近超声特指工作频段在人耳不可听的 17 kHz 及以上的声信号,这个频
段的声信号有 3 个特点:1)频段干扰少:通过实际场景测试,该频段信号能量主要集中在电力作业场景的
噪声范围之外;2)设备兼容广:该频段信号兼容大部分智能设备的模数转换器(analog-to-digital
converter,ADC)的工作频段;3)距离测量准:空气声速不及无线电传播速度的百万分之一,对时钟要求
低,为信道时域反演提供了机遇。
尽管声信号在部分工业生产场景已经获得了成功应用
[20]
,实际测试表明,在面向电缆隧道复杂环境
的定位场景中,声信号定位系统仍然面临以下困难:1)信噪比下滑严重:电缆隧道背景噪声频域覆盖广,
使得近超声定位测距信号的检出率下滑;2)时域混叠增加:电缆隧道狭长空间中,近超声信道的能量相较
普通室内空间更不易发散,导致其多径成分较为集中,实际到达时间分辨愈发困难;3)器件性能限制多:
工业用 ADC 采样率一般在 48 kHz 及以下,且高频部分衰减严重,进一步削减了系统可用频带。同时,
为了保证信号满足信噪比条件,近超声信号在时域范围中需要保持一定的长度,导致系统工作刷新率受到
限制;4)巡检场景信道变化剧烈:在追踪目标人员移动的场景下,声音信道会呈现巨大的时变性,因此传
统基于固定阈值的匹配滤波方法难以实现针对移动目标的鲁棒追踪。
为了应对上述挑战,本文改进了传统声信号室内定位方法,面向电缆隧道复杂作业环境,首次提出
了一种基于近超声信道实时分析及反馈的鲁棒追踪方法,其贡献点如下:
1) 面对狭长空间声信号定位系统信噪比下滑的问题,本文基于有限元建模,利用射线追踪方法分析
仿真了信道传播模型,并基于此实现最优基站设计与布局。
2) 面对传统声测距算法面临的时域混叠难以精确解算到达时间的问题,本文在信号接收端利用统计
参数模型在分数阶傅立叶变换域(Fractional Fourier Domain,FrFD)对信道进行快速估计与重构,实现多
模态融合位置估计。
3) 面对剧烈变化信道中信号的估计值实时变化的问题,本文通过融合位置估计修正信号重构过程,
并将修正结果反馈到时域进行下一周期的参考信号修定。
本文将上述技术首次应用于基于近超声估计的电缆隧道人员管控系统设计中,并通过在实际电力作
业现场的步速级追踪定位实验,对比了当前广泛应用的超宽带定位方法以及传统声信号定位方法,验证了
所提出的方法有效性。文章的剩余部分将从电缆隧道声信道模型及系统设计、信号估计技术以及系统实验
三个方面展开。
1 复杂电力作业现场信道模型 1.1 电缆隧道定位简介
电缆隧道人员追踪系统是面向巡检人员位置管理的高精度定位系统
[21]
。相较于普通的室内定位场
景,典型的电缆隧道环境呈现出长宽比巨大、金属支架密集等特点,如图 1(a)。上述环境给传统基于电
磁波的定位方法带来巨大挑战。以 UWB 为例,同样在 20 m 视距条件下,其在电缆隧道中的平均测距精
度相较于开阔空间下滑超过 90%,方差增大 100%,已不能满足亚米级的人员管控精度要求。在开阔空间
与电缆隧道的对比实验结果如图 1(b)所示。
图 1 不同场景超宽带性能对照 Fig.1 Comparison of UWB accuracy in different scenarios
图选项
简要分析表明,电缆隧道中超宽带系统的测距误差主要来源于两方面:1)隧道金属结构密集,电磁
波信号反射分量多;2)解算方法难以从混叠信号中提取直达分量。为此,本文创新性地引入近超声定位媒
介,并基于此设计定位系统,使用机械波来避免金属屏蔽效应的问题;同时引入速度量估计与加速度量
测,应用多模态融合测距对信号直达分量的区间进行限制。
一般来说,若要在电缆隧道中应用声信号定位系统,需要 4 个及以上同步发送调频信号的声基站按
照一定集合布局部署在隧道中; 解算端使用工业手持机,通过计算其麦克风接收不同基站声信号的到达时
间差 Delta,通过网格搜索的方式获得其位置估计的最大似然值 从而获得精确位置
。系统架构图如图 2 所示。
图 2 电缆隧道声信号定位系统架构 Fig.2 Cable tunnel acoustic positioning system architecture
图选项
通过引言部分分析,电缆隧道的特殊环境使得传统声信号定位系统设计存在诸多困难,典型如有限
带宽、多径时延、器件性能不一以及移动场景信道变化等问题,造成传统定位系统到达时间差估计出现较
大偏差,因而限制了声信号定位系统在电缆隧道中的表现性能。为此,本文将引入信道分析模型,基于高
精度到达时间估计重新设计应用于电缆隧道的定位模型。
1.2 电缆隧道声信道参数模型
声信道特征直接影响了声信号到达时间估计精度,因此建立完备的声信道模型、准确获得定位声信
号的参数特征是本文的基础。与超宽带信号类似,复杂环境中声信道直达分量往往淹没在信号多径成分之
中,从而影响接收机对信号到达时间差以及似然值 的估算结果。
声信道参数模型是针对声信号在特定环境中的传播状态建立的模型。常用声信道参数模型包括精确
参数模型以及统计参数模型两种。精确参数模型以射线反射分析为基础,通过给定环境的 3D 模型,通过
计算机仿真快速得到所测量位置的冲激响应
[22]
。通过仿真参数,声信道的精确参数模型能够将每一次建筑
结构造成的多径反射精准地计算出来,从而获得所测试环境的数值冲激响应函数,再通过解卷积的方法对
应削弱环境中的多径效应。精确参数模型能够在静态场景中,高效反映声信道的多径效应。然而,在真实
电缆隧道环境中,声信道随着被定位目标的移动剧烈变化,使得精确参数模型难以实现针对时变信道进行
快速仿真;同时,精确参数模型消耗了以嵌入式设备为代表的定位接收端大量计算资源,在实际场景中缺
乏实用性;不仅如此,精确参数模型需要精确得知所处环境的吸声系数,从而对环境的依赖度极高,在未
获得所处环境精确 3D 模型、完备吸声系数的情况下难以保持高效的仿真效果。因此,在变化剧烈的复杂
电力作业现场中,精确参数模型很难针对移动目标实时地提供准确信道模型。
相较于精确参数模型难以快速估计信道状态的问题,本文同样引入统计参数模型。与精确参数模型
不同,统计参数模型基于信号的统计特性,通过信号时域分布来判断其传播情况。针对周期性发声的近超
声定位系统,统计信号模型通过估计信号的幅频、相频统计特性,分析环境特征信息与信号时延信息
[23]
。
统计参数模型已经在大型声信道场景中获得了较好的应用,特别是在动态过程中能够通过参数分布实时掌
握信道状态。然而,针对地下电缆隧道等狭长空间,统计信号模型仍然会面临背景电气噪声频域丰富导致
的信号干扰、信号时延扩展过大导致的信号混叠等问题,使得解算端难以准确判断信号统计分布。本文综
合考虑了两种信道模型在面对地下电缆隧道建模时的特点,并对其进行了综合应用:在基站布设阶段,利
用精确参数模型验证基站布设效率;在信号解算阶段,基于统计参数模型对信号解算方法进行实时迭代。
1.3 基于建筑结构的精确参数模型
在实际环境中,建立精确参数模型前需要对电缆隧道环境先验信道参数进行测量。本文使用 01
dB
TM
Fusion 分析仪器,利用脉冲响应积分方法测量国家电网江苏电力科学研究院电缆隧道的声学特性。
脉冲响应积分法由德国哥廷根大学的声学家提出
[24]
,这种方法是对常规测量方法的巨大改进。这一方法基
于式(1):
(1)
其中,S
2
(t)是稳态噪声的声压衰减函数,N 为谱密度,r(x)为被测环境的脉冲响应。该公式表明,在
同样的声场条件下,连续稳态的白噪声停止后,声场的声能密度衰减的群体平均与一次脉冲响应的积分相
等。不同于传统测量方法,脉冲响应只要在特定环境中测量一次,大大简化了环境量测过程。实际实验
中,量测原始文件给出了电缆隧道背景噪声频带分布及声压级,为基于加性高斯白噪声(additive white
Gaussian noise,AWGN)信道模型以及有限元仿真提供基础。基于上述理论模型和实际电缆隧道的 CAD
图(图 3(a)),本文设计了基于多边形组合的有限元仿真模型,根据材料信息独立设计每个多边形的吸声系
数、反射系数等参数,基于射线追踪原理设计不同频段声信号的传播机理。通过多个在实际场景与仿真场
景中的对应位置测量环境冲激响应参数,利用 Matlab 针对真实电缆隧道模型进行建模,获得图 3(b)所示
的有限元仿真结果。
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