基于UWB技術(shù)的燃?xì)怆姀S人員定位系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)電力環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，合理安排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于UWB的電力人員定位系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行、施工人員身上佩戴的電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，利用TDOA的定位算法計(jì)算人員精確位置信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定和定位精確的特點(diǎn)，滿足電力人員定位的要求。

關(guān)鍵詞：人員定位系統(tǒng);UWB;電子標(biāo)簽;TDOA

1 UWB技術(shù)介紹

UWB（Ultra-Wide-Band）是一種以極低功率在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，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)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、家庭網(wǎng)絡(luò)、位置測(cè)定、雷達(dá)檢測(cè)等領(lǐng)域。系統(tǒng)容量大發(fā)送功率非常小，其電磁波輻射對(duì)人體的影響也會(huì)很小，應(yīng)用面就廣。

UWB定位技術(shù)具有超高的時(shí)間和空間分辨率，保證了UWB可以準(zhǔn)確的獲得待定位目標(biāo)的時(shí)間和角度信息，時(shí)間信息可以轉(zhuǎn)化為距離信息，結(jié)合角度信息利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標(biāo)的位置信息。常用定位方法有：基于接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength，RSS）、基于接收信號(hào)到達(dá)角度（Angle Of Arrival，AOA）、基于接收信號(hào)時(shí)間法（Time difference of arrival，TDOA）、AOA和TDOA混合定位法。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 UWB-TDOA定位原理

采用TDOA定位原理，利用UWB技術(shù)測(cè)得定位標(biāo)簽相對(duì)于兩個(gè)不同定位基站之間無線電信號(hào)傳播的時(shí)間差，從而得出定位標(biāo)簽相對(duì)于四組定位基站的距離差，利用如下方程解算標(biāo)簽的坐標(biāo)[1]。

2.2UWB-TDOA關(guān)鍵技術(shù)

UWB-TDOA定位的關(guān)鍵技術(shù)-基站之間時(shí)間同步;時(shí)間同步：相位同步和頻率同步。

無線同步技術(shù)深入分析無線收發(fā)鏈路物理層誤差因素，采用特殊的定位構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了采用無線方式的高精度基站時(shí)間同步，使無線同步達(dá)到有線同步模式下的定位精度（0.3m）[2]。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

人員定位系統(tǒng)采用UWB定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位，是通過發(fā)送和接收具有納秒或亞納秒極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。精確定位系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、解算層、傳輸層和設(shè)備層（定位基站和定位標(biāo)簽）構(gòu)成，如圖1所示。

3.1 設(shè)備層

設(shè)備層主要包括定位基站和定位標(biāo)簽，為定位系統(tǒng)的核心設(shè)備，獲取原始的位置信息。

定位基站周期性廣播自身的ID信息，定位標(biāo)簽接收超寬帶信號(hào)后，完成時(shí)間戳信息的獲取，通過通信基站的ZigBee信道，回傳時(shí)間戳信息以及相關(guān)狀態(tài)信息。

通信基站以及定位基站將自身的數(shù)據(jù)通過主干網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇馑銓?，在定位解算引擎部分完成定位?shù)據(jù)的解析。同時(shí)，通信基站也可以接收到應(yīng)用層下發(fā)的指令，完成相關(guān)的操作，如對(duì)設(shè)備的呼叫、撤離。

3.2 傳輸層

傳輸層也稱主干通信網(wǎng)（簡稱“主干網(wǎng)”），是基站與服務(wù)層、應(yīng)用層之間數(shù)據(jù)傳輸通道。

從上往下將應(yīng)用層相關(guān)指令傳輸?shù)酵ㄐ呕?從下將定位原始數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)層。

3.3服務(wù)層

包括定位引擎軟件、系統(tǒng)管理軟件、對(duì)外接口軟件組成。

定位引擎軟件根據(jù)不同的定位方式，實(shí)現(xiàn)定位原始數(shù)據(jù)的解算，從而得到有用的位置信息。同時(shí)，服務(wù)層可以負(fù)責(zé)管理與維護(hù)整個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，保證定位的實(shí)時(shí)、可用。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層獲得實(shí)時(shí)的位置信息后，結(jié)合視頻等信息，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用，如實(shí)時(shí)軌跡顯示;考勤統(tǒng)計(jì);電子巡檢;電子圍欄;視頻聯(lián)動(dòng)等。通過web socket接口可獲取標(biāo)簽卡的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，通過http接口可獲取系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便其他系統(tǒng)獲取位置等信息進(jìn)行二次開發(fā)和集成。

4 人員定位系統(tǒng)功能

4.1 實(shí)時(shí)顯示

軟件可通過平面、立體和列表三種視圖方式實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場作業(yè)人員（標(biāo)簽）的實(shí)時(shí)位置，方便管理者隨時(shí)了解現(xiàn)場作業(yè)人員實(shí)時(shí)狀態(tài)，可以分區(qū)域統(tǒng)計(jì)人數(shù)。

4.2 軌跡回放

軟件會(huì)自動(dòng)保存現(xiàn)場作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，管理者可以通過姓名或者卡號(hào)查看現(xiàn)場作業(yè)人員在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可支持2D與3D效果回放，可方便查看人員行動(dòng)軌跡，分析異常情況。

4.3 電子圍欄

系統(tǒng)提供電子圍欄的功能，將危險(xiǎn)區(qū)域、危險(xiǎn)源以及特殊區(qū)域進(jìn)行電子隔離，并設(shè)置每位員工進(jìn)出或靠近的權(quán)限。

區(qū)域被劃定后，只有具有權(quán)限的人員才可以進(jìn)出或靠近，系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)有未授權(quán)的員工進(jìn)出或靠近，立即報(bào)警。企業(yè)管理者通過系統(tǒng)軟件在廠區(qū)的地圖上設(shè)置具體的區(qū)域進(jìn)行電子隔離，并設(shè)置可以進(jìn)入該區(qū)域的人員ID和報(bào)警距離（即距離該區(qū)域多少米便開始報(bào)警）。除了二維電子圍欄外，對(duì)于一些立體區(qū)域也可以采用立體式的電子圍欄方案，對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行限定。

4.4 呼叫、撤離、求救

當(dāng)廠區(qū)某處發(fā)生危險(xiǎn)（火災(zāi)、爆炸等）時(shí)，可以在第一時(shí)間利用精確定位系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，通知危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行撤離。

若發(fā)生火災(zāi)造成人員受傷的緊急情況，現(xiàn)場人員可按下定位標(biāo)簽卡的求救按鈕通過管理監(jiān)控系統(tǒng)向企業(yè)管理人員進(jìn)行求救呼叫。管理監(jiān)控系統(tǒng)收到求救信息，將自動(dòng)收集危險(xiǎn)和求救處周圍可調(diào)度的人力和物力，并顯示在軟件屏幕上，供管理人員進(jìn)行調(diào)度指揮，將進(jìn)行聲光報(bào)警并通過短信等方式第一時(shí)間通知管理人員，避免進(jìn)一步人員傷亡，確保人員和物資的安全。

4.5 門禁、視頻聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)支持接入已有門禁、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)各種報(bào)警情況實(shí)現(xiàn)門禁、視頻聯(lián)動(dòng)，即當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，監(jiān)控?cái)z像頭及時(shí)聯(lián)動(dòng)在軟件管理端實(shí)時(shí)彈出現(xiàn)場視頻畫面顯示并進(jìn)行拍照記錄現(xiàn)場情況以便以后查閱。門禁、視頻聯(lián)動(dòng)功能極大方便了企業(yè)的管理效率以及應(yīng)對(duì)緊急情況的能力。

4.6 行為監(jiān)測(cè)

對(duì)人員消失、聚眾、超時(shí)和消失等異常行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如有發(fā)現(xiàn)立即告警，提高對(duì)人員自身安全的管理措施。

5 結(jié)語

本文就基于UWB技術(shù)的人員定位系統(tǒng)做了相應(yīng)的闡述，討論了UWB技術(shù)在燃?xì)怆姀S人員定位系統(tǒng)中的運(yùn)用，描述了系統(tǒng)的相關(guān)算法、工作流程以及功能。隨著UWB技術(shù)的不斷發(fā)展，人員定位系統(tǒng)在燃?xì)怆姀S中的運(yùn)用將越來越普遍成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛永毅，謝川.基于遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定位算法.西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2014年，第4期.

[2] 李孝輝，劉婭，張麗榮.超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng).測(cè)控技術(shù)，2007年，第7期.

作者簡介：

曹琪 （1975-）男，山東魚臺(tái)，武漢水利電力大學(xué)，工程師，主要從事電廠熱控生產(chǎn)技術(shù)管理工作.