室內(nèi)定位技術在電廠設備巡檢中的應用探究

蔣金容 曾垂棟 徐 博 楊 陽

（1.華能羅源發(fā)電有限責任公司，福建 福州 350602；2.福州中優(yōu)奕信息技術服務有限公司，福建 福州 350015）

0 引言

“人防、物防、技防”一直是電廠企業(yè)安全生產(chǎn)追求的目標，可是如何保證人防的準確性、有效性，如何實現(xiàn)“人防、物防、技防”相結合，一直是困擾著大多數(shù)企業(yè)安全生產(chǎn)的核心問題，僅靠政策施壓和管理制度的束縛，在人的惰性面前，始終顯得蒼白而無力，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，通過利用物聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)定位以及AI技術建立設備巡檢監(jiān)測預警平臺，才能真正實現(xiàn)人機聯(lián)動，為企業(yè)提供雙保險的目的[1]。

以電廠為例通過建立設備巡檢監(jiān)測預警平臺，可以真正實現(xiàn)將安全責任落實到人、監(jiān)控項目落實到位，電廠領導、管理人員可以通過設立的大屏控制中心或手機實時查看人是否按規(guī)章制度操作、設備是否正常運行、系統(tǒng)運行指標是否正常等，可進行360°無死角的監(jiān)控管理、定點抽查，出現(xiàn)問題責任直接到人，避免安全事故的發(fā)生、控制及應對。電力行業(yè)關系到國計民生，但由于電廠的特殊性，廠區(qū)范圍較大、設備眾多、管線復雜，設備安全巡檢任務繁重，工作效率低，巡檢質量差，如未能及時發(fā)現(xiàn)設備故障將會有大概率引發(fā)安全事故。平臺通過先進的室內(nèi)室外定位技術（精度1～2m），確保制度執(zhí)行到位和執(zhí)行的規(guī)范性，嚴格完成巡檢監(jiān)管、故障消除，從而避免作業(yè)效率無法落實、作業(yè)不規(guī)范等隱患風險。實現(xiàn)巡檢點、巡檢內(nèi)容與巡檢人員的高效人機聯(lián)動，有效提升巡檢的智能化水平[2]。

1 電廠設備巡檢室內(nèi)定位算法探討

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很多公司都推出了IBeacon藍牙芯片，2016年藍牙技術聯(lián)盟推出了藍牙5.0技術，IBeacon藍牙5.0技術在室內(nèi)定位，提高傳輸速度，增加有效工作效率方面與原有藍牙4.2的技術相比都有了相應提升和優(yōu)化。現(xiàn)在主流的藍牙版本為4.0，支持低功耗藍牙（Bluetooth Low Eneray,BLE），隨著物聯(lián)網(wǎng)的進步，藍牙的發(fā)展異常迅猛，利用智能手機中的藍牙，搭配不同行業(yè)及應用場景的APP，已成為主流發(fā)展方向，應用APP通過與智能手機無縫對接，藍牙模塊作為室內(nèi)定位的已知節(jié)點向IBeacon藍牙模塊發(fā)送廣播，智能手機或者其他節(jié)點IBeacon設備接收廣播信息，可以從廣播信息中提取已知節(jié)點的位置信息，通過實時監(jiān)測藍牙的信號強度來計算距離，目前在平面環(huán)境中通常以三角定位算法來計算定位信息。

IBeacon藍牙中的三角定位算法是基于無線接收信號強度（Received Signal Strength Indication,RSSI）的算法，通過采集已知的三個點的坐標參數(shù)和周邊未知點到這三個點的信號值（RSSI），通過算法來計算出未知點的坐標[3]。

在計算過程中第一步是將RSSI信號轉換為距離：

式中：

d—距離，m；

RSSI—信號強度，為負數(shù)；

A—設備相距1m時探測的RSSI值的絕對值，數(shù)值的最佳區(qū)間在45～49之間；

n—環(huán)境衰減因子，需要通過多次測試并矯正參數(shù)，數(shù)值的最佳區(qū)間在3.25～4.5之間。

算法在采集到已知的三個點的距離后，通過三角定位公式求解未知點的坐標參數(shù)。如兩個圓如果相交，必然會相交于一個點或者兩個點，如果三個圓相交，必定會相交于一個點（特殊情況如三個采集探測設備在一條直線上，暫不考慮），所以通過算法公式可知要計算的未知點就是以三個已知的點為圓心，以這三個點與未知點之間的距離為探測半徑，畫出的三個圓彼此相交的交點，通過數(shù)學模型可轉換為求三個圓相交的數(shù)學公式：

通過數(shù)學模型來計算未知點的坐標是非常難的，所以可以通過另一種計算方法來相對容易的計算出未知點的坐標：

（1）第一步通過判斷兩個圓相交，其相交是否相切（如：內(nèi)切或外切），設定一個允許誤差值d，公式如下：

d值為誤差值，如果符合以上公式，默認相交的兩個圓相切，其中d的數(shù)值可為正數(shù)也可為負數(shù)。假設兩個圓相交為相切，可按以下公式求解：

（2）通過公式計算出x和y的數(shù)值后，接下來通過第三個圓進行測試計算，也就是計算出已知點到驗證的第三個圓的圓心的距離，再通過和第三個圓的半徑做對比，如果誤差值不在允許范圍，那么認為計算出的x，y是三個圓的交點，也就是未知點的參數(shù)坐標。

（3）假設任意兩個圓沒有相切，那么可以通過兩個圓計算出兩個交點，如圖1。

圖1 三角定位示意圖Fig.1 The diagram of triangle positioning

假設兩個圓的圓心分別是A，B，坐標參數(shù)為（xa，ya）和（xb，yb），兩個圓的焦點分別是C，D，AB與CD的交點為E。其中，

式（2）轉換為

式（3）減去式（1），得：

于是通過公式可以計算出CE的數(shù)值：

通過計算還可以獲取E點的坐標參數(shù)(xE,yE)

然后通過公式計算出AB和CD的斜率kAB和kCD

這里要注意kAB為0的情況。

然后求得CD和x軸的夾角：

這時候就可以求得C（xc,yc）和D（xd,yd）的坐標

通過算法公式，計算出了兩個圓的兩個交點坐標參數(shù)，再通過第三個圓去做驗證，就可以計算出三個圓的交點，也就是要計算的未知點。

但是實際情況電廠不是平面的，如何在三維空間實現(xiàn)室內(nèi)定位算法，由此引入四點定位算法。

三點定位是通過使用幾何的方式求解，但是放在空間就很難滿足需求，所以四點定位使用高斯-約旦消元法求解逆矩陣來進行處理：

其中要計算的坐標點是（x,y,z），已知的四個點的位置為（x1,y1,z1），（x2,y2,z2），（x3,y3,z3），（x4,y4,z4），R1到R4為所計算的點到四個點的距離。

現(xiàn)在的任務就是求解上述方程，首先分解：

其中：

這時候就可以轉換為矩陣相乘：

假設以上的矩陣為A·B=C，那么此時只需要計算出A的逆矩陣，然后把逆矩陣同時乘以等式兩邊，就可以計算出x，y，z的數(shù)值了。

2 室內(nèi)定位技術在電廠設備巡檢中的探討

從總體來看，平臺由系統(tǒng)管理模塊、設備管理模塊、標準規(guī)則管理模塊、巡檢任務管理模塊、監(jiān)控及報表管理模塊幾個基礎模塊組成，表現(xiàn)形態(tài)上巡檢任務執(zhí)行以APP端為主，管理后臺以Web端為主，系統(tǒng)架構如下：

（1）系統(tǒng)管理。

組織機構管理：平臺按照樹狀組織架構組建，支持多級關聯(lián)，易于擴展。授權管理員支持對組織下的用戶資料進行維護，包括檢索、新增、刪除、修改、移動功能。

員工管理：實現(xiàn)員工基礎信息維護。

角色權限管理：實現(xiàn)用戶、角色及其權限管理，設定用戶所屬的角色、用戶密碼等功能，實現(xiàn)了對角色設置、人員權限設置的全面、嚴格管理。

流程管理：對巡檢流程進行管理。

數(shù)據(jù)字典：管理系統(tǒng)中使用的常量信息，為企業(yè)應用的業(yè)務形態(tài)定制提供基礎支持。

系統(tǒng)日志：跟蹤和查詢用戶的操作行為日志。

（2）設備（巡檢點）信息管理。

實現(xiàn)對巡檢點設備信息的統(tǒng)一管理，包括設備（巡檢點）信息的增加、刪除、修改和查詢，設備（巡檢點）屬性包括設備名稱、設備編碼、設備地址、廠家、設備圖片、設備語音介紹文件等。

在編輯設備（巡檢點）的同時，可以設置該設備的巡檢要求，可以靈活關聯(lián)對應的巡檢內(nèi)容模板和巡檢周期模板，實現(xiàn)在指定的時間指定的地點完成指定巡檢內(nèi)容的配置。

可通過配置，設置該設備的巡檢計劃的執(zhí)行開始時間，在設備故障維修期間，跳過正常巡檢計劃。

在Web端和APP端均可播報該巡檢點設備的語音介紹，點擊巡檢點設備信息的播報按鈕，平臺可語音介紹該設備的基礎信息，便于新員工了解設備情況。

（3）規(guī)則管理。

巡檢規(guī)則模板管理：巡檢規(guī)則模板包括巡檢內(nèi)容模板和巡檢周期模板兩類。巡檢內(nèi)容模板明確巡檢的項目、內(nèi)容要填寫要求，如溫度采集、壓力采集時可指定采集值的上下門限，便于異常告警；巡檢周期模板則明確巡檢的周期或時間要求，如巡檢時間周期（一天內(nèi)多次或多天一次）和巡檢時間間隔的配置。管理員具備對巡檢模板進行增、刪、改、查的權限管理[4]。

設備巡檢管理：將巡檢規(guī)則模板和設備關聯(lián)，實現(xiàn)每個設備要適配于具體的巡檢規(guī)則，并能夠自動生成相應的巡檢任務，調度合適的巡檢員進行巡檢。

（4）巡檢任務管理。

巡檢任務管理模塊依據(jù)巡檢管理標準生成巡檢的任務，實施現(xiàn)場設備的巡檢，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的采集，使巡檢作業(yè)形成嚴格程序化的流程，并記錄和分析巡檢數(shù)據(jù)[5]。

將設備巡檢數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)，對巡檢實績進行管理，根據(jù)設備的巡檢實績進行分析，作為設備技術和管理評價的基礎和依據(jù)。

具備對巡檢漏檢的提醒功能，采用顏色、倒計時、連續(xù)未巡檢次數(shù)提示等方式對任務進行提醒，避免漏檢。

具備對巡檢漏檢及異常結果的統(tǒng)計，可以有效避免漏檢發(fā)生，規(guī)范現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，嚴格按巡檢計劃執(zhí)行。

（5）監(jiān)控及報表管理。

異常告警管理：對巡檢產(chǎn)生的異常信息進行管理，具有異常統(tǒng)計、分析功能。

巡檢數(shù)據(jù)分析，并按照要求生成巡檢分析報告。

能夠根據(jù)實際內(nèi)容自動生成報告，如巡檢日報、周報等。

能實現(xiàn)報表的導出及打印功能。

（6）大數(shù)據(jù)中心。

平臺整體情況：匯總整體的巡檢信息，包括巡檢點總量、告警數(shù)、巡查數(shù)等。

地圖定位：通過地圖可切換展示不同地域、樓層的巡檢點信息、人員位置信息，并用不同顏色標識巡檢點狀態(tài)。

巡檢詳情：通過告警巡檢點明細板塊、巡檢人員明細板塊、告警排行榜板塊、告警趨勢板塊等全面展示巡檢的成果及設備異常情況，并通過圖形直觀的進行呈現(xiàn)。

平臺總體應用架構，如圖2。

圖2 平臺總體應用架構Fig.2 The overall application architecture of the platform

平臺在技術架構設計時采用分層體系架構，在運行管理保障體系和系統(tǒng)安全支撐體系的支撐下分為系統(tǒng)支撐層、數(shù)據(jù)持久層、核心應用層以及接入層[6]。

運行管理保障體系通過評測規(guī)劃、制度建設和組織建設，保證系統(tǒng)管理中數(shù)據(jù)的準確性、可靠性。

平臺安全保障體系從物理、網(wǎng)絡、系統(tǒng)、應用、管理等多個層面綜合考慮[7]。

平臺底層由智能手機及PC系統(tǒng)、APP平臺和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成?；AAPP平臺對上層提供包括Web服務、應用服務、面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）集成等基礎平臺支撐。

數(shù)據(jù)持久層是對數(shù)據(jù)業(yè)務處理的關鍵層，實現(xiàn)對前端接收數(shù)據(jù)甄別、過濾、業(yè)務分流受理之后再進行持久化；對前端請求的數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)域、權限控制域等選擇提取數(shù)據(jù)。

核心應用層的應用功能通過統(tǒng)一的單點登錄（Single Sign On，SSO）認證體系[8]，按需定制，實現(xiàn)對不同用戶、不同權限功能的靈活配置，滿足以下應用要求：實現(xiàn)對設備巡檢點信息的采集和集中維護；實現(xiàn)對不同設備巡檢點巡檢規(guī)則的集中管理；巡檢管理實現(xiàn)對招標方巡檢業(yè)務的集中管理；實現(xiàn)對巡檢異常情況的集中管控；設備基礎信息的語音播報；實現(xiàn)各種巡查報表、分析視圖的靈活生成、快捷查閱。

接入展示層中，采用Web網(wǎng)站和移動APP方式實現(xiàn)平臺的接入。

框架應用是頂層設計的整體應用功能，是整個系統(tǒng)的基礎，其他功能和應用建立在框架應用的基礎之上。建設完成后，不會根據(jù)后期的功能開發(fā)而做大規(guī)模調整，各新功能開發(fā)完成后，嵌入或調用框架的接口，完成系統(tǒng)對接。

3 結論

在現(xiàn)場安裝布置過程中，由于電廠環(huán)境的復雜程度不同，甚至會出現(xiàn)在空曠地帶也無法實現(xiàn)符合無線電衰減的算法模型，有時還會發(fā)生信號偏移。

總體來說，通過IBeacon藍牙設備建立電廠智能巡檢系統(tǒng)是切實可行，雖然在環(huán)境布置和設備參數(shù)方面需經(jīng)過多次調試，但系統(tǒng)能夠真正實現(xiàn)“人防、物防、技防”的相互聯(lián)動，通過技術手段實現(xiàn)定時定點強制巡查，規(guī)避人的惰性，才能將安全責任落實到人、設備監(jiān)測落實到位。通過電廠智能巡檢系統(tǒng)，企業(yè)管理層不再依靠政策和管理制度施壓，對于制度的落實不僅可以通過APP實時對人、對設備、對系統(tǒng)進行實時管控，還可以根據(jù)需要通過Web大屏管理端查看數(shù)據(jù)信息，從而達到監(jiān)管無死角，責任直接到人，避免安全和設備事故的發(fā)生。