UWB室內(nèi)定位技術(shù)在火電廠安全管理中的應(yīng)用設(shè)計

UWB室內(nèi)定位技術(shù)簡介

UWB（Ultra Wideband)是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的窄頻帶系統(tǒng)的無線通信方式，UWB有本質(zhì)的區(qū)別，它通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)每秒數(shù)百兆至數(shù)吉的數(shù)據(jù)傳輸速率，其抗干擾性能強(qiáng)，傳輸速率高，系統(tǒng)容量大，發(fā)送功率小，用小于1兆瓦的發(fā)射功率就能實現(xiàn)通信。低發(fā)射功率能夠大大延長系統(tǒng)電源的工作時間，而且電磁輻射對人體的影響也很小，應(yīng)用面較廣。UWB定位系統(tǒng)使用空中飛行時間或者到達(dá)時間差進(jìn)行定位，系統(tǒng)通常由定位錨點和定位標(biāo)簽組成，使用1～4個已知位置的定位錨點來計算得出定位標(biāo)簽的位置。

（一）UWB的測距原理

雙向飛行時間法（TW-TOF，two way-time of flight）每個模塊從啟動開始即會生成一條獨立的時間戳。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時間戳上的Ta1時刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，模塊B在Tb2時刻發(fā)射一個響應(yīng)性質(zhì)的信號，被模塊A在自己的時間戳Ta2時刻接收。由此可以計算出脈沖信號在兩個模塊之間的飛行時間，從而確定飛行距離S。

S=Cx［（Ta2-Ta1）-（Tb2-Tb1）］（C為光速）

圖1 雙向飛行時間法

TOF測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在兩個異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間的飛行時間來測量節(jié)點間的距離。因為在視距視線環(huán)境下，基于TOF測距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會更加精準(zhǔn)。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時間間隔記為TTOT，接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時間間隔記為TTAT，那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時間TTOF可以計算為：TTOF=(TTOT-TTAT)/2。然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積便可計算出兩點間的距離D=CxTTOF。

TOF測距方法和兩個關(guān)鍵側(cè)約束：

1.發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步。

2.接收設(shè)備提供信號的傳輸時間的長短。

為了實現(xiàn)始終同步，TOF測距方法采用了始終偏移量來解決始終同步問題，但由于TOF測距方法的時間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點，測距精度容易受兩端節(jié)點中的始終偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點接收數(shù)據(jù)包，并自動響應(yīng)。通過平均正向和反向多次測量的平均值，減少對任何始終偏移量的影響，從而減少測距誤差。

（二）UWB的定位原理

UWB的室內(nèi)定位功能和衛(wèi)星原理很相似，就是通過室內(nèi)布置4個已知坐標(biāo)的定位基站，需要定位的人員隨身攜帶定位標(biāo)簽，標(biāo)簽按照一定的頻率發(fā)送脈沖，不斷和4個已知位置的基站進(jìn)行測距，通過一定的精確算法定出標(biāo)簽的位置。

遮擋主要指室內(nèi)定位UWB基站和定位標(biāo)簽之間存在障礙物，阻礙了信號直接被互相接收，從而影響定位。

遮擋對UWB定位的影響主要分以下幾種情形：

1）實體墻：一堵實體墻的遮擋能使得UWB信號衰減60%～70%，定位精度誤差上升30厘米左右，兩堵或者兩堵以上的實體墻遮擋，將使得UWB無法定位。

2）鋼板：鋼鐵對UWB脈沖信號吸收很強(qiáng)，能夠使得UWB無法定位。

3）玻璃：玻璃遮擋對UWB定位精度沒太大影響。

4）木板或紙板：一般厚度10厘米左右的木板或紙板對UWB定位精度沒太大影響。

5）電線桿或樹木：電線桿或者樹木遮擋時，需要看它們之間距離基站或者標(biāo)簽的距離，以及與基站和標(biāo)簽的相對距離比較是否很小，比如，基站和定位標(biāo)簽距離50米，電線桿或者樹木正好在兩者中間的25米處，這種遮擋就無大的影響，如離基站或者標(biāo)簽距離很近，比如小于1米，影響就很大。

UWB室內(nèi)定位技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用設(shè)計

（一）總體描述

本系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)管理人員、班組和外包單位人員的管理。充分利用室內(nèi)定位技術(shù)、車輛定位技術(shù)、三維建模等先進(jìn)技術(shù)，集成電廠已建成的全員安健環(huán)績效評價系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等，通過PC端三維地圖軟件和移動端App（二維地圖軟件）相結(jié)合的方式，實現(xiàn)發(fā)電廠安全生產(chǎn)的全方位、全天候的智能化管理。

系統(tǒng)主要包含人員定位、車輛定位、智能巡檢、火災(zāi)報警聯(lián)動、智能門禁、虛擬隔離圍欄、日常安全管理等功能模塊。

（二）功能架構(gòu)

本系統(tǒng)包含3部分：日常主要使用的PC端三維模式管理平臺，管理員用于初始配置的PC端配置平臺以及日常工作使用的手機(jī)端App。

（三）主要功能

1.三維瀏覽。

三維瀏覽提供兩種模式：一種是行走模式，一種是俯瞰模式。在行走模式下提供區(qū)域快速切換按鈕，模擬第一視角通過WSAD鍵控制視角前后左右移動，通過鼠標(biāo)控制移動方向?qū)θS場景進(jìn)行瀏覽。

在俯瞰模式下按住鼠標(biāo)左鍵可對場景進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按住鼠標(biāo)右鍵對場景拖動，旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)滾輪可對場景遠(yuǎn)近進(jìn)行切換，實現(xiàn)對廠區(qū)的全方位瀏覽。

圖2 俯瞰模式

2.視頻監(jiān)控聯(lián)動。

主要包含視頻位置分布、快速查找和調(diào)取、視頻回放、視頻聯(lián)動、人臉識別防冒用等功能。在配置平臺上設(shè)定攝像頭的名稱和XYZ軸坐標(biāo)。點擊安防設(shè)備，選擇視頻監(jiān)控，顯示所有攝像頭柱形分布圖。點擊柱形圖出現(xiàn)攝像頭的詳細(xì)列表，點擊區(qū)域攝像頭可快速調(diào)出當(dāng)前視頻監(jiān)控。

3.火災(zāi)報警聯(lián)動。

接入消防報警系統(tǒng)。一旦發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)立即推送報警信息并將畫面切換到相應(yīng)火災(zāi)報警探頭位置，同時列出該位置附近視頻監(jiān)控以供快速查看。顯示所有消防物資柱形分布圖，點擊柱形圖出現(xiàn)詳細(xì)的消防物資列表。點擊消防物資名稱可快速定位到該消防物資，并彈出該消防物資信息名片，點擊區(qū)域攝像頭可快速調(diào)出當(dāng)前視頻監(jiān)控。在配置平臺設(shè)定消防栓、滅火器、報警煙感的設(shè)備編號和XYZ軸坐標(biāo)。

4.虛擬隔離圍欄。

在管理平臺上任意設(shè)定虛擬隔離圍欄，通過授權(quán)方式允許或禁止某些人員進(jìn)出隔離圍欄，設(shè)定規(guī)則。系統(tǒng)后臺通過讀取人員位置數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算并驗證相應(yīng)規(guī)則，如違反虛擬隔離圍欄規(guī)則系統(tǒng)自動報警，有效防止人員進(jìn)入危險區(qū)域。虛擬隔離圍欄可根據(jù)性質(zhì)分為禁入圍欄、提醒圍欄、檢修圍欄等。

可對電子圍欄設(shè)定不同的報警規(guī)則，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時立即報警，包括靠近危險區(qū)域預(yù)警、區(qū)域超時無工作許可報警等。

5.人員定位管理。

通過攜帶一只綁定該人員信息的定位標(biāo)簽來實現(xiàn)人員定位功能。接入鳳臺電廠全員安健環(huán)績效評價系統(tǒng)，讀取系統(tǒng)中組織機(jī)構(gòu)、人員信息等。人員定位管理主要包含身份識別、人員位置實時顯示、人員快速追蹤、人員區(qū)域分布、歷史軌跡、會議簽到、標(biāo)簽低電量報警、主動報警、靠近危險區(qū)域報警、區(qū)域超時無工作許可報警等功能。

點擊相應(yīng)人員姓名可快速定位到該人員，同時可快速查看歷史軌跡及調(diào)取對應(yīng)的攝像頭。

6.會議簽到。

接入鳳臺電廠全員安健環(huán)績效評價系統(tǒng)，實時讀取系統(tǒng)中新發(fā)布的會議通知內(nèi)容。實現(xiàn)會議地點關(guān)聯(lián)、查看會議列表、配置會議、簽到、會議記錄。

通過App端，參會人員連接會議室WiFi，打開App選擇會議完成簽到，點擊會議名稱可查看會議簽到表，包括會議名稱、會議時間、會議地點、參會人員簽到狀態(tài)（已簽到、遲到、未參加）?？稍谑謾C(jī)App發(fā)布會議：填寫會議名稱、會議時間、簽到時間，選擇會議地點、參會人員。

7.主動報警。

當(dāng)遇到突發(fā)情況時，人員可通過按定位標(biāo)簽上的報警按鈕實現(xiàn)快速、安全的報警。具有監(jiān)控權(quán)限的管理人員打開管理平臺，畫面warning反紅提醒，自動彈出SOS報警明細(xì)，點擊記錄可快速定位此人；實時通過App推送（SOS報警）報警，具有監(jiān)控權(quán)限的管理人員打開App，點擊報警彈出SOS報警明細(xì)，點擊記錄可快速定位此人。安全管理人員取消報警，其他有同樣權(quán)限的App同步取消此條報警。

接入鳳臺電廠ERP工作票管理系統(tǒng)，當(dāng)現(xiàn)場人員在生產(chǎn)區(qū)的某一個區(qū)域停留時間超過3分鐘（時間可設(shè)定），系統(tǒng)自動通過定位標(biāo)簽識別該人員信息并讀取ERP系統(tǒng)中該人員的工作許可。如發(fā)現(xiàn)該人員無作業(yè)許可則通過手機(jī)App推送預(yù)警信息給相關(guān)安全管理人員，提醒該人員盡快離開。

8.車輛定位管理。

把車輛GPS定位數(shù)據(jù)接入本系統(tǒng)，實現(xiàn)實時定位（不限于廠內(nèi)）、車輛信息查詢、車輛歷史軌跡查看、偏離路線報警、闖入報警、聯(lián)動視頻查看功能。顯示所有車輛柱形分布圖。點擊柱形圖出現(xiàn)詳細(xì)的車輛列表，點擊車牌號可快速定位到該車輛，并彈出該車輛信息名片，點擊軌跡按鈕默認(rèn)顯示該車輛前一個小時的歷史軌跡，點擊視頻監(jiān)控調(diào)出當(dāng)前視頻畫面。

可以查詢?nèi)我廛囕v在任意時間內(nèi)的活動軌跡，其途經(jīng)的通道和關(guān)鍵點等位置信息與經(jīng)過時間可以在地圖上顯示出來，也可以列表的形式展現(xiàn)。車輛軌跡播放時可進(jìn)行快進(jìn)、暫停、慢放操作，同時加入進(jìn)度條和開始時間、結(jié)束時間，以及進(jìn)度播放時間。點擊軌跡按鈕，支持調(diào)取該時段的歷史軌跡進(jìn)行播放。

接入鳳臺電廠視頻監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)車輛在廠內(nèi)位置調(diào)取附近攝像頭聯(lián)動查看。

9.智能門禁聯(lián)防。

接入鳳臺電廠門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)、全員安健環(huán)績效評價系統(tǒng)中的人員評分?jǐn)?shù)據(jù)，通過動態(tài)授權(quán)實現(xiàn)門禁的智能聯(lián)防。智能門禁聯(lián)防主要包括門禁狀態(tài)顯示、門禁日志查詢、門禁黑名單3個功能。

在管理平臺點擊安防設(shè)備，選擇門禁設(shè)備，顯示門禁設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、所有門禁柱形分布圖。點擊柱形圖出現(xiàn)詳細(xì)的門禁日志列表，點擊人員名稱可快速定位到該人員，并彈出該人員信息名片，點擊軌跡按鈕默認(rèn)顯示該人員前一個小時的歷史軌跡。點擊視頻監(jiān)控調(diào)出當(dāng)前視頻監(jiān)控。

10.智能巡檢管理。

主要包括巡點檢系統(tǒng)、定期工作計劃及記錄系統(tǒng)、電氣操作票二維碼系統(tǒng)3個部分，任務(wù)執(zhí)行以App端為主，管理后臺以Web端為主。二維碼采用活碼方式實現(xiàn)。二維碼點檢系統(tǒng)具有強(qiáng)大的多方位模糊化查詢功能，查詢結(jié)果可直接導(dǎo)出為excel模式。

智能巡檢管理具有設(shè)備巡檢模板定制功能、專業(yè)分類功能、流程推送功能、月度報表功能等。

智能巡檢管理系統(tǒng)將內(nèi)容上傳至服務(wù)器端，生成活碼，隨時可更新，掃碼展示最新信息?，F(xiàn)場人員可通過App掃碼填寫信息，提交后保存至云端，管理者在PC端可快速匯總導(dǎo)出。按目錄管理二維碼，隨時可對單個或批量二維碼進(jìn)行編輯更新、權(quán)限設(shè)置、排版打印等操作。

11.到崗到位管理。

到崗到位包含自動定位簽到、掃描二維碼簽到、問題上報、到崗到位統(tǒng)計功能。配置到崗區(qū)域，顯示到崗到位柱形分布圖，點擊柱形圖出現(xiàn)該區(qū)域詳細(xì)的人員到崗到位列表，到崗到位信息包含如下字段：序號、姓名、到崗周期、崗位、應(yīng)到區(qū)域、到崗記錄。點擊到崗記錄可查看該人員到崗時間和停留時間，點擊人員姓名可快速定位到該人員，并彈出該人員信息名片，點擊軌跡按鈕默認(rèn)顯示該車輛前一個小時的歷史軌跡。點擊視頻監(jiān)控調(diào)出當(dāng)前視頻監(jiān)控。

在App端點擊到崗到位，通過定位系統(tǒng)自動判斷到位地點，App掃描二維碼或點擊“簽到”實現(xiàn)到位簽到，如果發(fā)現(xiàn)問題，填寫相關(guān)內(nèi)容，完成后自動上傳到服務(wù)器。自動記錄人員到崗到位時間、次數(shù)、路線等并提供到崗率、缺勤率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

12.安全檢查管理。

與鳳臺電廠全員安健環(huán)績效評價系統(tǒng)對接，將日常安全檢查中發(fā)現(xiàn)的問題通過手機(jī)App端快速拍照，快速錄入，并記錄相應(yīng)位置，責(zé)任部門可通過導(dǎo)航快速找到該問題的發(fā)生位置，還可通過手機(jī)端回復(fù)整改情況進(jìn)行問題關(guān)閉。

13.手機(jī)導(dǎo)航管理。

手機(jī)導(dǎo)航管理包含二維地圖、導(dǎo)航、人員定位、車輛定位、視頻監(jiān)控及門禁分布等功能。二維地圖可進(jìn)行放大、縮小、拖拽等操作，建筑物采用分層顯示。

導(dǎo)航室外采用路線指引方式，室內(nèi)采用安全通道及出口方式顯示。點擊路線即進(jìn)入導(dǎo)航模式。

圖3 手機(jī)導(dǎo)航管理

人員定位、車輛定位、視頻監(jiān)控及門禁分布，點擊右側(cè)的相應(yīng)按鈕即顯示當(dāng)前地圖上的人員、車輛、監(jiān)控及門禁。

點擊相應(yīng)的人員、車輛可顯示人員車輛的信息，點擊視頻可調(diào)取視頻監(jiān)控，點擊門禁可查看門禁日志。