UWB定位技術(shù)的應(yīng)用研究

高思琪，孫建平

（華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

當(dāng)前電力生產(chǎn)中，發(fā)生人身傷亡事故的情況仍舊很多。2006年全國(guó)發(fā)生電力人身死亡事件48起，死亡人數(shù)達(dá)到106人[1]。2017年，全國(guó)發(fā)生電力人身傷亡事件53起，死亡人數(shù)達(dá)到62人。可以看出，過去10多年，全國(guó)電力安全生產(chǎn)人身死亡事故的情況雖有減少，但仍然很高，安全管理的問題沒有得到根本解決。如果通過主動(dòng)、實(shí)時(shí)的安全提醒、預(yù)防和控制，建立全廠智能化本質(zhì)安全防控體系，就可避免人身傷亡事故的發(fā)生。

電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)非常特殊，電廠范圍大，設(shè)備眾多，管線復(fù)雜，需要管理和維護(hù)的設(shè)備眾多。而保證電廠工作人員按照指定的規(guī)則巡檢這些設(shè)備，防止工作人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，以及了解廠區(qū)工作人員的狀況，是電廠管理者急需解決的問題。其中，獲取人員的實(shí)時(shí)位置是電廠管理中關(guān)鍵的環(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(shí)到崗，是否擅自離崗；通過記錄員工的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以判斷員工是否巡更了設(shè)備；通過劃定危險(xiǎn)區(qū)域電子圍欄，可以及時(shí)對(duì)進(jìn)入或接近危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員及時(shí)預(yù)警等。

圖1 前向測(cè)距過程Fig.1 Forward ranging process

超寬帶（UWB）技術(shù)是近年來新興的一種高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，其傳輸速度，最高可達(dá)1000Mbps以上。UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)，正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果，精度達(dá)到10cm級(jí)、一般遮擋30cm；它利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈、沖傳輸數(shù)據(jù)。不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射[2]。超帶寬信號(hào)的輻射非常低，其電磁波輻射通常只有手機(jī)輻射的千分之一，對(duì)人體的影響也會(huì)很小，低于WIFI。因此，在工業(yè)上應(yīng)用時(shí)，其不存在對(duì)其他儀器儀表的干擾問題，故可以大量應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的特殊實(shí)時(shí)定位需求。

本文是基于UWB定位技術(shù)所研究的電廠安全主動(dòng)系統(tǒng)所應(yīng)用的定位系統(tǒng)，以室內(nèi)定位建立一個(gè)小范圍預(yù)測(cè)模型，并通過在水電廠的仿真結(jié)果證明其實(shí)效性。通過在電廠三維模型中，應(yīng)用高精度定位技術(shù)、無線通訊技術(shù)，結(jié)合視頻、門禁的聯(lián)動(dòng)控制，集成設(shè)備臺(tái)賬、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、工單、兩票、巡點(diǎn)檢等一系列設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，建設(shè)一個(gè)與電廠真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景完全一致的虛擬空間，即信息物理融合系統(tǒng)（CPS）。在信息物理融合系統(tǒng)中建立主動(dòng)安全數(shù)據(jù)庫，將人員任務(wù)與主動(dòng)安全數(shù)據(jù)庫對(duì)接，在人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)維度對(duì)人員的生產(chǎn)作業(yè)的全過程進(jìn)行主動(dòng)安全監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全管理。

1 UWB（超寬帶）定位技術(shù)

1.1 UWB定位技術(shù)原理

圖2 TDOA定位原理Fig.2 TDOA Positioning principle

超寬帶（UWB）技術(shù)，采用TOF算法和TDOA算法相結(jié)合，基于TOF測(cè)距的無線定位系統(tǒng)采用的處理策略是分布式定位。這種定位算法是在本地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)的，結(jié)束運(yùn)算后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)把定位結(jié)果發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)；定位測(cè)距是采取基于傳輸時(shí)間特性的TOF測(cè)距機(jī)制。TDOA測(cè)距是依據(jù)雙曲線的定位原理，測(cè)得定位目標(biāo)的UWB信號(hào)同時(shí)到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)的時(shí)間差，時(shí)間差乘以光速就可獲得距離差[3]。因?yàn)榈竭_(dá)兩個(gè)定點(diǎn)的距離差為定值的軌跡是雙曲線，根據(jù)兩個(gè)或者多個(gè)雙曲線的交點(diǎn)，可以求得待定位點(diǎn)的目標(biāo)位置。

1.2 TOF測(cè)距

TOF測(cè)距機(jī)制采用類似于到達(dá)時(shí)間TOA傳輸時(shí)間差測(cè)距方法，距離測(cè)量是使用雙向通訊時(shí)間，傳輸時(shí)間測(cè)量機(jī)制是很精準(zhǔn)的。TOF測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)前向和反向兩個(gè)方向的測(cè)距，在前向測(cè)距中，測(cè)距的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)是本地節(jié)點(diǎn)，在此系統(tǒng)中為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。由本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，此系統(tǒng)中的定位錨點(diǎn)也就是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，接收數(shù)據(jù)包馬上進(jìn)行自動(dòng)響應(yīng)[4]；反向測(cè)距的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，由本地節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通知，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)采取測(cè)距操作，再由遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包再立刻進(jìn)行自動(dòng)響應(yīng)[5]。如圖1所示，該圖是前向測(cè)距的進(jìn)行過程，本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包被遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)接收后，對(duì)響應(yīng)幀進(jìn)行回復(fù)。

在此進(jìn)行過程中，數(shù)據(jù)幀和回復(fù)幀的發(fā)送或者接收的時(shí)刻被本地節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)記錄，然后獲取兩個(gè)時(shí)間差TTOT與TTAT。

無線電波在空氣中的單向傳輸時(shí)間如公式（1）所示：

兩節(jié)點(diǎn)間的距離如公式（2）所示：

1.3 TDOA定位

TDOA是指信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，某個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送無線信號(hào)，利用到達(dá)不同定位基站的時(shí)間差，可以計(jì)算出標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與各個(gè)定位基站之間的距離差（通過無線信號(hào)的傳播速度）。得到的距離差符合雙曲線方程的條件，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)就在雙曲線的一個(gè)分支上，可以直接求得待定位點(diǎn)的目標(biāo)位置（通過利用兩個(gè)或者多個(gè)雙曲線的交點(diǎn)）[6]，如圖2所示。

2 UWB（超寬帶）定位技術(shù)在電廠主動(dòng)安全創(chuàng)新中的應(yīng)用

2.1 在電廠安全中的應(yīng)用

行為安全通過多種在生產(chǎn)區(qū)域布置的技術(shù)裝置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的工作進(jìn)行輔助、監(jiān)督與防護(hù)，通過技術(shù)手段將規(guī)章制度落實(shí)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，減少現(xiàn)場(chǎng)安全違章和傷亡事故[7]。人員定位技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、隧洞施工等領(lǐng)域，在電力、石化等工業(yè)行業(yè)也有試點(diǎn)應(yīng)用。其硬件技術(shù)目前相對(duì)成熟，技術(shù)路線主要有GPS、WIFI、UWB等，GPS、WIFI定位精度不高，其中WIFI定位可作為現(xiàn)場(chǎng)無線通訊的附加功能以較低成本實(shí)現(xiàn)一定功能，除此以外，GPS技術(shù)路線并不適用于工業(yè)場(chǎng)合。UWB技術(shù)安全可靠、定位精度高（厘米級(jí)）、成本可控，較適用于電力等工業(yè)場(chǎng)景，UWB也是目前礦業(yè)人員定位的主流技術(shù)路線[8]。

該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用核心在于在發(fā)電行業(yè)中的具體應(yīng)用功能，目前主要總結(jié)如下：

1）人員考勤及人員進(jìn)出生產(chǎn)區(qū)管理。

2）人員實(shí)時(shí)定位與軌跡管理。

2.2 關(guān)鍵模塊功能設(shè)計(jì)

2.2.1 關(guān)于基站設(shè)計(jì)

1）無線發(fā)射芯片：DW1000，設(shè)計(jì)通訊距離 300m～500m

2）CPU： STM32L051單片機(jī)（低功耗）為主控芯片。通過SPI，讀寫DW1000模塊[9]。

3）UWB通訊距離（無遮擋）：＞300m

4）穩(wěn)定有效覆蓋半徑：150m～300m

5）定位精確度誤差（空曠/復(fù)雜）：＜10m～30cm

6）支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)：基站安裝位置比較高，施工調(diào)試需及時(shí)方便，需遠(yuǎn)程升級(jí)及參數(shù)設(shè)置。

7）基站間通訊：視現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可選擇POE交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者WIFI環(huán)境，考慮不依賴性通訊設(shè)計(jì)，自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

8）為組網(wǎng)方便，支持WIFI接入。

9）WIFI模塊采用MXCHIP EMW3162。內(nèi)置高性能低功耗Cortex-M3微控制器、128KB RAM + 1MB Flash[10]?？梢岳肕iCO的 TCP/IP協(xié)議棧、多種安全加密算法來實(shí)現(xiàn)各種嵌入式Wi-Fi，內(nèi)置WIFI瘦AP。

2.2.2 關(guān)于標(biāo)簽設(shè)計(jì)

1）主控制器：TI-CC2640(STM32L051)。支持藍(lán)牙，全區(qū)域覆蓋性定位中針對(duì)小辦公區(qū)域環(huán)境的存在性檢測(cè)需求，增加擴(kuò)展性，支持多種基站并存情況下的低成本應(yīng)用[11]。

2）廣播數(shù)據(jù)報(bào)：可設(shè)定時(shí)間間隔發(fā)送廣播數(shù)據(jù)報(bào)，兩幀數(shù)據(jù)報(bào)作為完整廣播數(shù)據(jù)報(bào)文分析。

3）有源低功耗設(shè)計(jì)：鋰電池1000mah，預(yù)計(jì)工作30天。

4）內(nèi)置十軸傳感器：監(jiān)測(cè)人員、設(shè)備姿態(tài)；支持人員、設(shè)備的安全性監(jiān)測(cè)，針對(duì)單基站模式，提供運(yùn)動(dòng)方向角，作為計(jì)算中參考使用。

圖3 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)Fig.3 Wired network transmission architecture

5）緊急報(bào)警按鈕：雙鍵按鈕，緊急情況下通過按紐向監(jiān)控中心報(bào)送[12]。

6）天線：陶瓷板載天線。

2.2.3 關(guān)于定位模式設(shè)計(jì)

1）依據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，支持單基站、雙基站、多基站定位實(shí)時(shí)精確定位。

2）支持TOF、TDOA混合實(shí)時(shí)精確定位計(jì)算。

3）支持低成本存在性實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)。

3 利用定位技術(shù)可在電廠主動(dòng)安全通訊應(yīng)用中達(dá)成效果

3.1 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

定位基站通過POE交換機(jī)進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，將二者合二為一。如圖3所示。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)核島建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)安放一定數(shù)量的定位基站，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3000多名作業(yè)人員實(shí)行精確定位，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)人員數(shù)量、人員位置完成了實(shí)時(shí)監(jiān)控?？记趫?bào)表如圖4所示。

軟件可以顯示人員的實(shí)時(shí)位置，有平面和列表兩個(gè)方式，有助于管理者對(duì)人員狀態(tài)的了解[13]，在統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)可分區(qū)域。如圖5所示。

軟件對(duì)員工的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)自動(dòng)保存，管理者可以查看員工在某一時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)軌跡，并查找姓名或工號(hào)。如圖6所示。

系統(tǒng)通過軟件可以設(shè)定或者刪除電子圍欄，可以通過設(shè)置員工的進(jìn)入權(quán)限和安全距離達(dá)成電子圍欄功能。如圖7、圖8所示。

員工如果遇到緊急突發(fā)情況，通過長(zhǎng)按卡上面的“呼救”按鈕，可以立刻發(fā)送求救命令；現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生災(zāi)情時(shí)，管理人員可立即發(fā)出指令撤離并選定撤離區(qū)域，軟件會(huì)向在該區(qū)域的員工發(fā)出撤離命令。如圖9所示。

圖4 核島建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的考勤報(bào)表Fig.4 Attendance report on the nuclear island construction site

圖5 人員實(shí)時(shí)位置圖Fig.5 Real-time location map

圖6 員工實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.6 Employee real-time motion trajectory

圖7 電子圍欄示意圖Fig.7 Electronic fence diagram

圖8 報(bào)警界面Fig.8 Alarm interface

圖9 撤離區(qū)域顯示圖Fig.9 Evacuation area display

4 結(jié)論

利用UWB定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人員在室內(nèi)、地下通道、地下廠房等處更精確的實(shí)時(shí)定位功能，解決了GPS在室內(nèi)或環(huán)境復(fù)雜地方不能工作的問題。定位系統(tǒng)的功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、事件告警等[14]。針對(duì)電廠夜間值班人員少，工作強(qiáng)度大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了符合電站特點(diǎn)的無線定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控人員動(dòng)態(tài)?；赨WB定位技術(shù)繼續(xù)深層次研究，擴(kuò)大功能實(shí)現(xiàn)，將可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)Wi-Fi人員定位、設(shè)定Wi-Fi無線巡檢、實(shí)時(shí)Wi-Fi語音調(diào)度3大功能，非常適合電廠的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)、工作環(huán)境和運(yùn)行管理需求[15]。在電廠實(shí)現(xiàn)高效智能人員定位管理、無線巡檢、語音調(diào)度等方面具有新的突破?？蔀榻窈笤诎l(fā)電廠全部區(qū)域內(nèi)搭建基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的無線人員定位、無線人員巡檢、無線語音調(diào)度的綜合平臺(tái)提供技術(shù)支撐，為電廠完善管理手段、主動(dòng)防范事故、提升安全管理水平創(chuàng)造有利條件，將為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。