基于UWB 定位技術(shù)的監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)

編者按：本文提出通過(guò)使用超寬帶高精度室內(nèi)定位技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄巡邏軌跡和警務(wù)人員在每個(gè)監(jiān)室窗口前的停留觀察時(shí)間。這將作為警務(wù)人員的工作考核依據(jù)，徹底解決對(duì)警務(wù)人員巡邏任務(wù)無(wú)法有效監(jiān)督的長(zhǎng)期問(wèn)題，為監(jiān)所增添一道有力的安全防護(hù)屏障。

長(zhǎng)期以來(lái)，警務(wù)人員的巡邏行為無(wú)法得到有效的監(jiān)督，國(guó)家法律規(guī)定的警務(wù)人員定時(shí)巡視監(jiān)室的工作內(nèi)容變得敷衍了事，巡而不視的現(xiàn)象已經(jīng)成了常態(tài)。這不僅造成巡控崗位的效用大打折扣，還會(huì)疏漏監(jiān)所中隱藏的眾多安全隱患問(wèn)題，釀成嚴(yán)重后果。

隨著定位傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、多元化組網(wǎng)通信等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)定位感知技術(shù)提升監(jiān)所安全等級(jí)，促 進(jìn)監(jiān)所管理的智能化已經(jīng)成為可能。

方案設(shè)計(jì)

1.總體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

本文提出的設(shè)計(jì)方案總體架構(gòu)如圖1 所示。在監(jiān)所巡邏走道內(nèi)每隔30～50 m布設(shè)接收一個(gè)UWB 超寬帶信號(hào)的接收基站，巡邏警務(wù)人員需佩戴企業(yè)員工工牌尺寸的定位標(biāo)簽卡，基站和標(biāo)簽卡中均設(shè)有UWB 信號(hào)處理模塊，標(biāo)簽卡保持廣播UWB信號(hào)狀態(tài)，基站設(shè)置為實(shí)時(shí)掃描并接收UWB 信號(hào)狀態(tài)?；緦⒔邮盏男盘?hào)通過(guò)以太網(wǎng)傳送至軟件系統(tǒng)端，系統(tǒng)端的位置解算模塊將標(biāo)簽卡數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算成警務(wù)人員位置信息。定位功能模塊則根據(jù)位置解算模塊傳送的位置信息對(duì)警務(wù)人員巡邏位置及巡邏行為進(jìn)行實(shí)時(shí)界面展示與監(jiān)督。

圖1 方案架構(gòu)圖

2.硬件設(shè)計(jì)

本文方案的硬件設(shè)計(jì)部分為佩戴在巡邏警務(wù)人員身上的定位標(biāo)簽卡，和安裝在巡邏區(qū)域的定位基站。下面對(duì)設(shè)計(jì)原理和思路進(jìn)行介紹。

（1）UWB移動(dòng)標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案

定位標(biāo)簽卡的作用是實(shí)時(shí)將警務(wù)人員信息和時(shí)間戳信息，通過(guò)UWB 廣播信號(hào)形式發(fā)送出去。為了增強(qiáng)定位標(biāo)簽卡的實(shí)用性，標(biāo)簽卡設(shè)計(jì)為能在警務(wù)人員遇到危險(xiǎn)時(shí)實(shí)時(shí)SOS 報(bào)警，標(biāo)簽低電量時(shí)發(fā)出充電指示提醒，標(biāo)簽靜置一段時(shí)間后進(jìn)入休眠模式保證功耗續(xù)航。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，UWB 標(biāo)簽由充電管理、DW1000系統(tǒng)、MCU 系統(tǒng)、震動(dòng)傳感器、報(bào)警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 移動(dòng)標(biāo)簽設(shè)計(jì)原理圖

圖3 基站設(shè)計(jì)原理

由總體硬件設(shè)計(jì)框架可知，嵌入式程序主要實(shí)現(xiàn)以下功 能：SOS 報(bào)警；UWB 原 始信號(hào)廣播傳輸；震動(dòng)監(jiān)測(cè)；電量管理。設(shè)計(jì)思路是主控程序定時(shí)啟動(dòng)DW1000 模塊發(fā)送UWB 信號(hào)數(shù)據(jù)幀，并定時(shí)檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的震動(dòng)狀態(tài)，震動(dòng)狀態(tài)下整機(jī)處于工作狀態(tài)，停止?fàn)顟B(tài)下將啟動(dòng)整機(jī)停機(jī)狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵，響應(yīng)按鍵操作，上傳報(bào)警指示；還可以改變指示燈的工作狀態(tài)，來(lái)指示當(dāng)前MCU系統(tǒng)狀態(tài)，長(zhǎng)亮表示充電狀態(tài)，快速閃爍表示初始化狀態(tài)，0.5s閃爍并閃爍10 次表示報(bào)警狀態(tài)。

（2）UWB 參考定位基站設(shè)計(jì)方案

UWB 參考基站的作用是實(shí)時(shí)掃描移動(dòng)標(biāo)簽發(fā)送的UWB 信號(hào)幀，并將信號(hào)及基站自身的信息數(shù)據(jù)打包實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)端系統(tǒng)。整體設(shè)計(jì)主要由POE 供電系統(tǒng)、DW1000 系統(tǒng)、MCU 系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信系統(tǒng)、串口通信、EEPROM 存儲(chǔ)、適配器供電系統(tǒng)（預(yù)留）和WiFi 通信（預(yù)留）等組成。此外，驅(qū)動(dòng)支持串口通信和EEPROM 存儲(chǔ)。具體基站設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

圖4 智能巡控管理系統(tǒng)功能框架

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

智能巡控管理系統(tǒng)以感知層移動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)定位系統(tǒng)服務(wù)器采集感知層定位基站接收的移動(dòng)標(biāo)簽卡的數(shù)據(jù)，基站本身數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合位置解算，以此判斷警務(wù)人員巡邏過(guò)程中的位置和移動(dòng)軌跡，并結(jié)合視頻聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析和監(jiān)督警務(wù)人員的巡邏任務(wù)完成情況。

監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4 所示：感知層數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳到服務(wù)端之后，服務(wù)端通過(guò)UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。因?yàn)閿?shù)據(jù)幀發(fā)送頻率較快，數(shù)據(jù)會(huì)持續(xù)滾動(dòng)產(chǎn)生，而且數(shù)據(jù)量較大，本文設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到大數(shù)據(jù)貯存庫(kù)，同時(shí)，通過(guò)非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB 對(duì)其進(jìn)行半年的存儲(chǔ)作為短期備查。在業(yè)務(wù)層設(shè)計(jì)方面，本文采用RabbitMQ 消息中間件進(jìn)行中轉(zhuǎn)緩存，和Web 端業(yè)務(wù)展示系統(tǒng)進(jìn)行HTTP 數(shù)據(jù)通信，將位置和移動(dòng)行為軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)的界面展示。對(duì)于業(yè)務(wù)層數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式原理，將地圖數(shù)據(jù)和警務(wù)人員業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、包括姓名、工號(hào)和組織架構(gòu)等，通過(guò)Restful API 接口層與前端進(jìn)行通信及功能交互。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能主要有：

1.定位解算和數(shù)據(jù)概覽。系統(tǒng)通過(guò)定位解算功能模塊，實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的解算，并在解算引擎中保存解算的定位日志。根據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從多個(gè)維度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出監(jiān)所的警員出勤情況、突發(fā)事情發(fā)生及處理情況、警務(wù)人員工作任務(wù)完成情況等。

2.實(shí)時(shí)定位。系統(tǒng)通過(guò)底層感知數(shù)據(jù)和持久層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示在中控大屏界面上，監(jiān)所管理人員可以在中控室大屏上實(shí)時(shí)看到警務(wù)人員的實(shí)際巡邏移動(dòng)軌跡。

3.軌跡回放。系統(tǒng)可保存歷史軌跡數(shù)據(jù)，并可根據(jù)個(gè)性化需求展示警務(wù)人員在歷史巡邏任務(wù)中的移動(dòng)軌跡，查看警務(wù)人員在每個(gè)監(jiān)室停留觀察的執(zhí)行情況。

4.SOS 報(bào)警。警務(wù)人員遇到危險(xiǎn)時(shí)可通過(guò)移動(dòng)標(biāo)簽的SOS 報(bào)警按鈕進(jìn)行求助，按下SOS 告警按鍵之后，智能巡控管理系統(tǒng)會(huì)收到信號(hào)，并發(fā)出語(yǔ)音提醒。

5.巡邏行為智能分析。系統(tǒng)通過(guò)智能分析模塊，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析警務(wù)人員的巡邏任務(wù)完成質(zhì)量，并給出客觀考核的評(píng)判結(jié)果，作為警務(wù)人員的績(jī)效考核判斷依據(jù)。

6.視頻聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)定位情況，聯(lián)動(dòng)附近的攝像頭，實(shí)現(xiàn)定位和視頻的聯(lián)動(dòng)監(jiān)控查看功能。

應(yīng)用實(shí)例及分析

本系統(tǒng)已在江西某看守所投入運(yùn)行。智能巡控管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面可通過(guò)中控室大屏上直觀展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)警務(wù)人員的巡邏行為監(jiān)控。另外，除了實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以通過(guò)時(shí)間和姓名檢索，查看警務(wù)人員的某一天的巡邏軌跡，實(shí)時(shí)地看到警務(wù)人員的歷史巡邏情況。并可點(diǎn)擊視頻聯(lián)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，智能巡控管理系統(tǒng)為監(jiān)所巡邏監(jiān)督管理提供了更加智能化并且更加有效的監(jiān)督手段，保證了警務(wù)人員巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量，提升了監(jiān)所的安全系數(shù)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1.警務(wù)人員巡邏行為考核

通過(guò)實(shí)時(shí)定位分析，可以統(tǒng)計(jì)警務(wù)人員巡邏次數(shù)、每日巡邏時(shí)間、對(duì)每個(gè)監(jiān)室的停留觀察時(shí)間，并設(shè)定閾值判定每個(gè)監(jiān)室停留觀察時(shí)間是否合格，以此計(jì)算出警務(wù)人員的巡邏成績(jī)，并作為民警巡邏工作的考核判定依據(jù)。

2.智能分析評(píng)判

監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)中，最為核心的關(guān)注點(diǎn)為警務(wù)人員的每日巡邏次數(shù)、警務(wù)人員對(duì)監(jiān)室巡邏觀察的時(shí)間、警務(wù)人員巡邏總時(shí)間、發(fā)現(xiàn)處理的緊急事件，它們分別表征了警務(wù)人員的出勤情況，對(duì)每個(gè)監(jiān)室停留觀察情況，應(yīng)對(duì)處理突發(fā)事件情況。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以看出警務(wù)人員的巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量。智能巡控管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)可視化的形式從多個(gè)維度對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。

（1）警務(wù)人員對(duì)每個(gè)監(jiān)室巡邏總時(shí)間對(duì)比

智能巡控管理系統(tǒng)投入使用之后，相較于之前的巡更打卡統(tǒng)計(jì)方式，本文選取了6 位巡邏警務(wù)人員一個(gè)月的巡邏時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，警務(wù)人員的巡邏時(shí)間平均增加38%，對(duì)每個(gè)監(jiān)室停留觀察的時(shí)間有了保障，巡而不視的問(wèn)題得到了解決。

（2）監(jiān)所內(nèi)沖突危險(xiǎn)等事件發(fā)生率統(tǒng)計(jì)

三個(gè)月內(nèi)沖突危險(xiǎn)等事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后表明，相比之前的巡更打卡系統(tǒng)，智能監(jiān)督管理系統(tǒng)的智能監(jiān)督在突發(fā)危險(xiǎn)事件的控制效果顯著，監(jiān)所內(nèi)的各種沖突危險(xiǎn)等事件平均降低47%以上。其中對(duì)可疑行為觀察力度增強(qiáng)，三個(gè)月內(nèi)發(fā)現(xiàn)的可疑行為數(shù)量增加50%以上。

總結(jié)

本研究提出的監(jiān)所智能巡控管理系統(tǒng)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集大量數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻感知技術(shù)并通過(guò)多個(gè)維度數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)督警務(wù)人員巡邏任務(wù)的完成質(zhì)量，加強(qiáng)了監(jiān)所的安全管理，徹底解決了監(jiān)所內(nèi)執(zhí)行巡邏任務(wù)警務(wù)人員巡而不視的問(wèn)題。

通過(guò)智能巡控管理系統(tǒng)的應(yīng)用，監(jiān)所內(nèi)打架斗毆事件明顯減少，監(jiān)所內(nèi)被監(jiān)管人員的行為更加規(guī)范，不服從管理的數(shù)量和行為明顯減少。警務(wù)人員的巡邏工作風(fēng)貌也得到了很大的改善。智能巡控管理系統(tǒng)是未來(lái)智慧監(jiān)所建設(shè)內(nèi)容的重要組成部分，在未來(lái)監(jiān)所智能化改革中將發(fā)揮重要的作用。