一种厘米级挂点判定的安全带监测方法与流程

本发明涉及无线电定位，更具体地说，本发明涉及一种厘米级挂点判定的安全带监测方法。

背景技术：

1、高空作业是电力铁塔维护、建筑施工和风电检修等领域中不可或缺的工作环节，作业人员通常佩戴全身式安全带，通过左右双挂钩连接至上方牢固的挂点，如生命线、脚手架横杆或防坠挂环；以220千伏输电铁塔为例，塔身高度可达45米以上，沿攀爬路径每5米设置一道水平生命线，相邻生命线之间的间距约为50至80厘米；在建筑脚手架场景中，按照建筑施工高处作业安全技术规范，外立面脚手架每步架约1.8米高度设置一道水平安全钢丝绳作为生命线，每隔6米设一个固定锚点；在风电塔筒场景中，塔筒高度可达90米，内壁爬梯每5至8米设一处休息平台兼防坠挂点；上述场景均存在钢结构密集、空间狭小、作业面动态变化的特点，对安全带挂接状态的精准监测提出了极高要求。

2、现有安全带监测技术主要依赖超宽带uwb定位结合惯性测量单元和气压计的方案；uwb定位模块通常集成于安全带腰部的控制盒内，通过与现场独立布设的uwb基站进行飞行时间测距，获取作业人员的概略位置；然而，在实际应用中，uwb信号在铁塔角钢、脚手架钢管等钢结构环境中受到严重的多径效应干扰，非视距误差导致定位精度从理论上的10至30厘米急剧下降至1至3米；这一精度水平仅能判断作业人员所处的粗略区域，无法精确判定左右双挂钩各自挂接于哪一根具体的生命线或哪一个挂环上；尤其当两根相邻生命线的间距仅有50至80厘米时，现有uwb方案完全无法区分双钩是否挂接于同一挂点；双钩同点是高空作业中极为危险的违规行为，一旦单个挂点失效，双钩将同时失去保护作用，直接导致坠落事故；现有方案对此类高危违规的判定仅能依靠双钩间距的粗略阈值估算，误报率和漏报率均居高不下，严重制约了安全带智能监测系统的实际效用；因此，如何在钢结构密集、多径干扰严重的复杂高空作业环境中实现厘米级精度的挂点归属判定，成为亟待解决的核心技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种厘米级挂点判定的安全带监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：具体包括如下步骤：

3、步骤s1、响应于星闪slp标签被事件触发唤醒，获取各星闪slp锚点的原始测距值、接收信号强度指示及信道冲激响应能量分布，基于信道冲激响应能量分布中的直达径信噪比和多径散布因子计算每个星闪slp锚点的瞬时置信权重，并建立星闪slp锚点标识与bim模型中挂点三维坐标及挂点标高的预绑定映射表；

4、步骤s2、按瞬时置信权重降序选取前三个星闪slp锚点作为参考基站，利用直达径信噪比修正原始测距值得修正测距值，以修正测距值和参考基站bim模型中挂点三维坐标构建加权最小二乘目标函数；

5、步骤s3、采用高斯-牛顿迭代法求解加权最小二乘目标函数得左挂钩三维坐标估计值和右挂钩三维坐标估计值；遍历预绑定映射表中bim模型中挂点三维坐标，计算左挂钩三维坐标估计值与各bim模型中挂点三维坐标的欧氏距离以及右挂钩三维坐标估计值与各bim模型中挂点三维坐标的欧氏距离，当左挂钩最小欧氏距离小于30厘米时判定左挂钩归属并输出左挂钩归属星闪slp锚点标识及左挂钩归属bim模型中挂点标高，当右挂钩最小欧氏距离小于30厘米时判定右挂钩归属并输出右挂钩归属星闪slp锚点标识及右挂钩归属bim模型中挂点标高，否则判定虚挂状态；

6、步骤s4、计算左挂钩三维坐标估计值与右挂钩三维坐标估计值的空间距离，当空间距离小于50厘米或左挂钩与右挂钩距同一星闪slp锚点的修正测距值之差的绝对值小于20厘米时触发双钩同点告警，同时读取腰带主机中气压计测量的腰部绝对高度和惯性测量单元输出的俯仰角，结合左挂钩归属bim模型中挂点标高和右挂钩归属bim模型中挂点标高中的较小者计算实际挂接高度差，当实际挂接高度差超过允许误差带时判定低挂高用违规，并将左挂钩归属星闪slp锚点标识、右挂钩归属星闪slp锚点标识、双钩同点违规标志和低挂高用违规标志整合为告警信息通过星闪sle链路上传至云端监控平台；

7、在一个优选地实施方式中，所述步骤s1中，响应于星闪slp标签被事件触发唤醒，星闪slp标签向所有可见星闪slp锚点发起测距请求；每个星闪slp锚点返回原始测距值、接收信号强度指示及信道冲激响应能量分布；信道冲激响应能量分布由若干采样点的能量幅值按时间先后顺序组成的有序集合构成，每一个采样点对应一个具体的时延抽头及其能量幅值。

8、在一个优选地实施方式中，所述基于信道冲激响应能量分布中的直达径信噪比和多径散布因子计算每个星闪slp锚点的瞬时置信权重过程具体为：

9、直达径信噪比的具体计算过程为：将信道冲激响应能量分布中能量幅值最大的数值记为峰值能量，将无信号时段所有时延抽头的能量幅值的平均值记为噪声基底能量，用峰值能量除以噪声基底能量所得的商即为直达径信噪比；

10、再从信道冲激响应能量分布中计算所有时延抽头的能量幅值的绝对值之和的平方，除以时延抽头的总数与时延抽头的能量幅值的平方和之积，得到多径散布因子；

11、然后将直达径信噪比除以预先标定的基准直达径信噪比，乘以多径散布因子，再乘以当前接收信号强度指示与所有可见星闪slp锚点中最大接收信号强度指示的比值的平方，所得乘积作为该星闪slp锚点的瞬时置信权重。

12、在一个优选地实施方式中，所述建立星闪slp锚点标识与bim模型中挂点三维坐标及挂点标高的预绑定映射表过程具体为：

13、在系统初始化阶段，通过现场勘测或从bim模型导入，将每个星闪slp锚点的唯一硬件标识与bim模型中对应挂点的三维坐标及标高进行一一对应，形成由星闪slp锚点标识、挂点三维坐标的三个分量和挂点标高组成的五元组记录；将所有五元组记录整理为一张静态的预绑定映射表，预绑定映射表在整个监测周期内持久存储，仅在星闪slp锚点布局发生变更时通过人工或自动方式更新。

14、在一个优选地实施方式中，所述步骤s2中，按瞬时置信权重降序选取前三个星闪slp锚点作为参考基站的具体过程为：

15、从步骤s1输出的所有可见星闪slp锚点中，将每个星闪slp锚点的瞬时置信权重从大到小进行排序，选取排在前三位的星闪slp锚点作为参考基站；若可见星闪slp锚点的数量少于三个，则将全部可见星闪slp锚点作为参考基站；

16、选取完成后，针对每个参考基站，利用参考基站在步骤s1中计算得到的直达径信噪比，对步骤s1中获取的参考基站的原始测距值进行多径误差修正，得到修正测距值；多径误差修正的具体过程为：预先设定一个最大可能的多径误差修正量和一个信噪比衰减常数；将自然常数的负直达径信噪比除以信噪比衰减常数次方，得到指数运算结果；将最大可能的多径误差修正量乘以指数运算结果，得到多径误差修正量；用原始测距值减去多径误差修正量，所得差值即为修正测距值。

17、在一个优选地实施方式中，所述以修正测距值和参考基站bim模型中挂点三维坐标构建加权最小二乘目标函数的具体操作为：

18、以待求的挂钩三维坐标的三个分量作为未知变量，首先计算每个参考基站的修正测距值与待求挂钩三维坐标和参考基站bim模型中挂点三维坐标之间欧氏距离的差值，得到每个参考基站对应的残差；

19、接着将每个参考基站对应的残差进行平方运算，再将平方运算后的残差乘以参考基站在步骤s1中计算得到的瞬时置信权重，得到每个参考基站对应的加权残差平方；

20、最后将所有参考基站对应的加权残差平方进行累加求和，得到一个总和；以总和的最小化作为优化目标，构建加权最小二乘目标函数。

21、在一个优选地实施方式中，所述步骤s3中，采用高斯-牛顿迭代法求解加权最小二乘目标函数得左挂钩三维坐标估计值和右挂钩三维坐标估计值，具体为：

22、以待求的左挂钩三维坐标的三个分量作为未知变量，将步骤s2中选取的三个参考基站的修正测距值、bim模型中挂点三维坐标和瞬时置信权重作为输入，应用步骤s2构建的加权最小二乘目标函数，代入左挂钩对应的参考基站数据；引入一个自适应阻尼因子，将阻尼因子乘以单位矩阵后加到高斯-牛顿法的海森矩阵近似项上，形成增广法方程，然后求解增广法方程得到坐标更新量；用当前迭代步骤的左挂钩三维坐标估计值加上坐标更新量得到下一次迭代的坐标估计值；每次迭代结束后，根据实际下降量与预测下降量的比值动态调整阻尼因子的大小：当比值大于零点七五时，将阻尼因子减小一半；当比值小于零点二五时，将阻尼因子增大一倍；迭代终止条件为以下三者中的任意一个最先满足：梯度范数小于十万分之一米、坐标更新量的模小于千分之一米、迭代次数超过二十次；收敛后得到左挂钩三维坐标估计值；右挂钩三维坐标估计值采用相同的过程独立求解，使用步骤s2中选取的三个参考基站的数据。

23、在一个优选地实施方式中，所述遍历预绑定映射表中bim模型中挂点三维坐标的具体操作为：

24、将左挂钩三维坐标估计值分别与预绑定映射表中每一个挂点的bim模型中挂点三维坐标进行欧氏距离计算，得到一组距离值；从一组距离值中找出最小值，记为左挂钩最小欧氏距离；将左挂钩最小欧氏距离与30厘米进行比较：若左挂钩最小欧氏距离小于30厘米，则判定左挂钩归属于最小距离所对应的挂点，并输出左挂钩归属星闪slp锚点标识以及左挂钩归属bim模型中挂点标高；

25、若左挂钩最小欧氏距离不小于30厘米，则判定左挂钩处于虚挂状态，不输出任何归属信息；右挂钩采用完全相同的过程进行处理，使用右挂钩三维坐标估计值替代左挂钩三维坐标估计值，得到右挂钩的归属判定结果。

26、在一个优选地实施方式中，所述步骤s4中，计算左挂钩三维坐标估计值与右挂钩三维坐标估计值之间的欧氏距离，得到空间距离；

27、然后将空间距离与五十厘米进行比较，若空间距离小于五十厘米，则直接触发双钩同点告警；若空间距离不小于五十厘米，则进一步执行修正测距值之差的绝对值判据：从左挂钩对应的三个参考基站和右挂钩对应的三个参考基站中查找同时存在于两个参考基站中的同一星闪slp锚点，取同一星闪slp锚点分别对左挂钩和右挂钩的修正测距值，计算这两个修正测距值之差的绝对值，将绝对值与二十厘米进行比较，若绝对值小于二十厘米，则触发双钩同点告警；若空间距离不小于五十厘米且修正测距值之差的绝对值不小于二十厘米，则不触发双钩同点告警。

28、在一个优选地实施方式中，所述步骤s4中，读取腰带主机中气压计测量的腰部绝对高度和惯性测量单元输出的俯仰角，将腰部绝对高度乘以俯仰角的余弦值，得到实际挂接高度；

29、然后从左挂钩归属bim模型中挂点标高和右挂钩归属bim模型中挂点标高中选取较小的一个，记为允许最低高度；将实际挂接高度减去允许最低高度，得到实际挂接高度差；

30、将实际挂接高度差与预先设定的允许误差带进行比较，允许误差带取值为十厘米；若实际挂接高度差小于负的十厘米，则判定为低挂高用违规，置位低挂高用违规标志；若实际挂接高度差不小于负的十厘米，则判定为正常挂接，低挂高用违规标志清零；最后将左挂钩归属星闪slp锚点标识、右挂钩归属星闪slp锚点标识、双钩同点违规标志和低挂高用违规标志整合为一条结构化告警信息，通过星闪sle链路上传至云端监控平台。

31、本发明的有益效果是：通过基于信道冲激响应能量分布计算瞬时置信权重，筛选高质量参考基站并修正测距值，再利用高斯-牛顿迭代法解算挂钩三维坐标，实现厘米级定位精度；结合预绑定映射表准确判定挂钩归属挂点，避免虚挂误判；通过空间距离与修正测距值一致性双重判据触发双钩同点告警，防止安全带失去双点保护；基于气压计与惯性测量单元的姿态补偿，结合归属挂点标高精确计算实际挂接高度差，有效检出低挂高用违规；最终将归属标识与违规标志整合为告警信息通过星闪sle链路上传至云端监控平台，实现实时远程安全监管。