人員定位技術(shù)在水電站的應(yīng)用研究

李 沖 張維華 關(guān)培爍 王清萍

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051）

0 前言

水電站電力生產(chǎn)現(xiàn)場比較特殊，其管理范圍大，管線復雜，需要管理和維護的設(shè)備眾多。如何獲取人員的實時位置是水電站管理中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，例如，在人員管理中，通過獲取人員的位置，判斷該員工的工作狀態(tài)，了解關(guān)鍵崗位、安全相關(guān)崗位人員是否及時到崗，是否擅自離崗；通過記錄員工的運動軌跡，可以判斷員工是否巡檢了相應(yīng)設(shè)備；通過劃定危險區(qū)域電子圍欄，可以及時對進入或接近危險區(qū)域的人員及時預(yù)警等[1]。通過基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)人員定位技術(shù)可以有效獲取水電站電力生產(chǎn)現(xiàn)場的人員位置信息，從而實現(xiàn)對人員有效管理。

1 人員定位技術(shù)概況

1.1 RFID定位技術(shù)

RFID人員定位單元由RFID標簽和閱讀器組成。RFID標簽由被定位人員佩戴，布置在建筑物內(nèi)的閱讀器即時讀取標簽發(fā)出的無線射頻信號，最終實現(xiàn)人員的實時定位[2]。電子標簽按供電方式分為無源、有源和半有源三類。日常應(yīng)用最為簡便的無源電子標簽，通過接受閱讀器傳輸來的微波信號，以及通過電磁感應(yīng)線圈獲取能量來對自身短暫供電，從而完成信息交換。因省去供電系統(tǒng)，故無源標簽的體積可以達到“厘米級”甚至更小，而且自身結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，使用壽命較長。

1.2 WiFi定位技術(shù)

WiFi是一種短程無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、危害小、成本低、容易搭建和管理等優(yōu)點[3]。WiFi定位方法按照是否基于RSSI（信號強度）分為兩大類。不基于信號強度RSSI的方法有根據(jù)ToA（Time of Arrival，到達時間）、TDoA（Time Difference of Arrival，時差）、AoA（Angle of Arrival，到達角）這些參數(shù)進行的定位，基于WiFi信號強度RSSI的定位算法有兩種，即三角定位算法和指紋算法。

1.3 藍牙定位技術(shù)

藍牙定位原理通過檢測信號強度來實現(xiàn)，具有應(yīng)用場景不受限制、易普及等優(yōu)勢。藍牙定位技術(shù)的定位過程為：藍牙Tag定時發(fā)送BLE廣播幀；AP接收BLE廣播幀，記錄每個收到幀的RSSI、MAC地址等信息，處理并轉(zhuǎn)發(fā)給定位服務(wù)器；定位服務(wù)器按照定位算法對報文中的RSSI等信息進行計算，計算出藍牙Tag所在的位置或者區(qū)域。

1.4 UWB定位技術(shù)

UWB是一種無線載波通信技術(shù)，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。由于UWB技術(shù)傳輸速率高，能夠抵抗多徑環(huán)境，并可與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)共享頻譜，具有功耗低、穿透力強、保密性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，能提供精準的定位精度[4]。UWB定位原理為：由定位標簽每秒鐘打出若干次脈沖定位信號，定位基站進行接收，通過標簽到達不同定位基站的到達時間差進行解算，得出標簽的實時位置。

1.5 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee是一種短距離無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其拓撲結(jié)構(gòu)可以為星形、樹形和網(wǎng)狀型等。ZigBee定位系統(tǒng)分為無線網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心，前者分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點、參考節(jié)點與未知節(jié)點，后者則由串口數(shù)據(jù)線和上位機所組成。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點往往被用來配置相關(guān)信息，參考節(jié)點指的是位置確定的節(jié)點；未知節(jié)點與之相對，通常是指坐標不確定的節(jié)點，不同節(jié)點經(jīng)由無線通信的方式，在計算定位坐標的基礎(chǔ)上，為后續(xù)工作提供便利[5]。ZigBee定位系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾能力強、自組網(wǎng)能力強、成本低的優(yōu)點。

2 人員定位技術(shù)對比

綜上所述，目前現(xiàn)有的RFID、WiFi、UWB、藍牙、ZigBee等人員定位技術(shù)在定位精度、建設(shè)成本等方面各不相同。如表1所示：

表1 各類定位技術(shù)對比表

3 水電站人員定位系統(tǒng)特點

相比于其他應(yīng)用場景，水電站有著很多獨有的特點，因此人員定位系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分考慮水電站的特點，采用最適用的人員定位技術(shù)，以達到更優(yōu)的定位效果。水電站人員定位系統(tǒng)特點如下：

（1）水電站可根據(jù)功能及重要程度劃分為不同區(qū)域，考慮到管理需求和建設(shè)成本，不同區(qū)域所需的定位精度有所差異，因此可針對不同區(qū)域設(shè)計不同的定位技術(shù)。比如營地、封閉區(qū)范圍的管理重點在于判定和統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的人員出入情況，并實時掌握該區(qū)域內(nèi)人員數(shù)量和分析出人員組成情況；大壩、地下廠房等生產(chǎn)區(qū)域需對區(qū)域進出權(quán)限的管控有嚴格的要求，需要實現(xiàn)顆粒度較細的人員定位；廠房機電設(shè)備核心區(qū)域在巡檢、檢修等生產(chǎn)作業(yè)場景中需實現(xiàn)工作人員的實時監(jiān)控以及過程可視化，對人員進行精準的跟蹤定位，在進入設(shè)備警戒區(qū)域或走錯間隔、或未按照規(guī)定巡檢路線或未完成巡檢要求的規(guī)定動作，可及時預(yù)警。

（2）可結(jié)合水電站現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進行人員定位系統(tǒng)設(shè)計。水電站基礎(chǔ)設(shè)施一般都包含工業(yè)電視、WiFi等系統(tǒng)，若能在這些已有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行人員定位系統(tǒng)設(shè)計，不僅可以提升項目的可行性、降低建設(shè)成本，還可以減少以后設(shè)備檢修、維護的工作量。

（3）水電站核心生產(chǎn)區(qū)域?qū)θ藛T定位的精度要求高，同時也需要較高的準確性和穩(wěn)定性，現(xiàn)有的幾種人員定位技術(shù)各有優(yōu)缺點，若使用單一技術(shù)很難突破技術(shù)壁壘，可采用兩種以上技術(shù)融合的方式進行設(shè)計，以彌補單一人員定位技術(shù)所固有的缺點。

（4）人員定位系統(tǒng)的電子標簽應(yīng)盡可能簡單，同時應(yīng)結(jié)合使用人員的日常習慣，這樣更容易被使用人員所接受。比如根據(jù)水電站的安全管理要求，進入生產(chǎn)區(qū)域必須佩戴安全帽，若能將電子標簽和安全帽有機結(jié)合在一起，可以大幅度提高人員定位系統(tǒng)的實用性。

4 結(jié)語

水電站人員定位系統(tǒng)對于提升水電站的智能化水平有著重要意義，同時對于提升水電站的人員管理水平而言，人員定位系統(tǒng)所起到的作用也是顯而易見的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有人員定位技術(shù)已相對成熟，而如何利用這些技術(shù)來提升人員定位系統(tǒng)的定位精度、準確性、穩(wěn)定性，降低建設(shè)成本是目前該領(lǐng)域研究的一個重要方向，也是人員定位系統(tǒng)今后能否在水電站大規(guī)模普及的一個關(guān)鍵因素。