基于區(qū)域空間算法的虛擬檢修區(qū)域誤觸報(bào)警方法

馮德權(quán)，熊詠梅，謝志奇，劉海力，黃敏

（烏江渡發(fā)電廠，貴州遵義 563100）

近年來，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心、以“工業(yè)4.0”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為代表的新一輪科技變革正在深刻影響傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而工業(yè)4.0 相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)互動(dòng)、三維模型、精準(zhǔn)定位、智能穿戴等技術(shù)都得到了快速發(fā)展，也在醫(yī)療、運(yùn)輸、應(yīng)急等眾多領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用，為實(shí)現(xiàn)發(fā)電行業(yè)的智能化安全監(jiān)管奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

綜合運(yùn)用高精度定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能信息處理技術(shù)等高科技手段，結(jié)合發(fā)電廠廠房三維模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域佩戴定位標(biāo)簽的作業(yè)人員的所在位置在三維模型中實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)安全管理人員能實(shí)時(shí)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員的位置和活動(dòng)軌跡。

因此，該文在發(fā)電廠安全監(jiān)管領(lǐng)域提出了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，以發(fā)電廠安全管理業(yè)務(wù)深度結(jié)合為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠的智能安全監(jiān)管的研究課題，為有效應(yīng)對當(dāng)前安全生產(chǎn)管理中存在的問題，提升安全生產(chǎn)管理水平，最大程度減少事故發(fā)生的概率和損失，提供了解決方案。

1 區(qū)域預(yù)警與區(qū)域空間算法

1.1 骨骼動(dòng)畫與粒子特效

優(yōu)秀的視覺效果能更好地吸引人的注意力、更高效地傳遞信息、提升使用感受。骨骼動(dòng)畫和粒子特效是區(qū)分與普通三維展示的重點(diǎn)技術(shù)。

在人員行走時(shí)，可以使用骨骼動(dòng)畫。骨骼動(dòng)畫是模型動(dòng)畫中的一種，當(dāng)前有兩種模型動(dòng)畫的方式：頂點(diǎn)動(dòng)畫和骨骼動(dòng)畫。在骨骼動(dòng)畫中，模型具有互相連接的“骨骼”組成的骨架結(jié)構(gòu)，通過改變骨骼的朝向和位置為模型生成動(dòng)畫。

標(biāo)識危險(xiǎn)區(qū)域火情、漏水時(shí)，使用粒子特效進(jìn)行模擬展示。粒子特效通過三維軟件開發(fā)功能模塊模擬現(xiàn)實(shí)水、火、霧、氣等效果。

1.2 電子地理圍欄與三維緩沖區(qū)分析

地理圍欄（Geo-fencing）是LBS的一種新應(yīng)用，就是用一個(gè)虛擬的柵欄圍出一個(gè)虛擬地理邊界。

當(dāng)人員進(jìn)入某一區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)通過空間相交運(yùn)算，實(shí)時(shí)判定是否越界。三維緩沖區(qū)分析，可以實(shí)現(xiàn)人員靠近危險(xiǎn)區(qū)一定距離時(shí)就開始提醒風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 七參數(shù)位置轉(zhuǎn)換

由于室內(nèi)場景相互獨(dú)立，沒有統(tǒng)一的坐標(biāo)框架。人員的位置信息也是獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，為了完成數(shù)據(jù)的融合，需要對位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換。文中擬采用七參數(shù)位置轉(zhuǎn)換模型來進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換。

兩個(gè)三維空間直角坐標(biāo)系在轉(zhuǎn)換過程中，一般選用數(shù)學(xué)方程組參數(shù)模型，共計(jì)設(shè)計(jì)了7 個(gè)模型未知參數(shù)，即：

1）3 個(gè)坐標(biāo)平移量（△X、△Y、△Z）

表示在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)所處坐標(biāo)原點(diǎn)存在的差值結(jié)果；

2）3 個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度（△α、△β、△γ）

根據(jù)指定的旋轉(zhuǎn)角度，完成3 個(gè)坐標(biāo)軸的不同角度旋轉(zhuǎn)，可以最終獲得重合xyz軸的兩個(gè)直角空間坐標(biāo)系。

3）尺度因子k

代表在兩個(gè)直角空間坐標(biāo)系中，同段直線所代表的長度比，尺度比例k值一般為1。

以上7 個(gè)參數(shù)通常稱為七參數(shù)。運(yùn)用七參數(shù)進(jìn)行的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換稱為七參數(shù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。定位算法圖如圖1 所示。

圖1 定位算法圖

1.4 基于WebSocket的信息快速響應(yīng)

由于人員一直處于活動(dòng)中，對人員的安全提醒必須做到盡可能實(shí)時(shí)，信息在系統(tǒng)中的傳輸需要盡可能的快速。文中擬用WebSocket 技術(shù)，最大限度地降低時(shí)間延遲。

WebSocket 作為實(shí)現(xiàn)單TCP 基礎(chǔ)上的全雙工通信協(xié)議，該通信協(xié)議在2011 年被定為國際標(biāo)準(zhǔn)，IETF 統(tǒng)一提出了協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)RFC 6455，并在后續(xù)補(bǔ)充WebSocket 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范RFC7963，該通信協(xié)議在應(yīng)用中定義W3C 為WebSocket API的標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用WebSocket 通信協(xié)議，可以簡化系統(tǒng)服務(wù)器、客戶終端二者之間的數(shù)據(jù)交流轉(zhuǎn)換，允許服務(wù)器終端將數(shù)據(jù)簡化并主動(dòng)推送至客戶端。在WebSocket API 協(xié)議內(nèi)，只需服務(wù)端一次握手瀏覽器，即可建立雙方之間的持久連接，實(shí)現(xiàn)兩端的數(shù)據(jù)信息傳輸。

2 虛擬監(jiān)測區(qū)域誤觸報(bào)警設(shè)計(jì)

2.1 誤觸報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求

1）模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求能夠做到準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)且快速地采集檢修區(qū)域的實(shí)際現(xiàn)場安全情況狀態(tài)信息，并對信息進(jìn)行確認(rèn)后即可向中央控制器通報(bào)傳輸。還能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確報(bào)告現(xiàn)場區(qū)域的險(xiǎn)情，及時(shí)通知給監(jiān)管人員；

2）用戶端自動(dòng)報(bào)警器能夠完成現(xiàn)場檢測傳輸線路及傳感探測器組件本身的故障問題，并將檢測區(qū)域故障及時(shí)傳輸給中央控制器組件；

3）需要提供報(bào)警器備用電源，對于突發(fā)停電問題可以采用自動(dòng)化切換交流、直流供電，這樣便可有效保障停電狀態(tài)下，系統(tǒng)仍然可以保持正常有效的工作。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

文中基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法的虛擬檢修區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)，主要組件分別為定位模塊、蜂鳴器（聲光告警器）、電子開關(guān)等元件，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

該系統(tǒng)包括了檢測電路、定位模塊、控制頻率模塊、語音報(bào)警四大功能模塊。該系統(tǒng)能夠高效瞬時(shí)地成功檢測人工無法發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐沸盘?，?shí)現(xiàn)報(bào)警器自動(dòng)發(fā)出警報(bào)?？刂祁l率功能模塊能夠根據(jù)差異化頻率，獲得相應(yīng)頻率警報(bào)，及時(shí)讓工作人員了解檢修區(qū)域內(nèi)的具體情況。對于不同情況所產(chǎn)生的警報(bào)信號，經(jīng)控制頻率模塊輸入電路內(nèi)，進(jìn)而產(chǎn)生警報(bào)信號。然后經(jīng)語音警報(bào)模塊，將原本警報(bào)信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎Z音警報(bào)。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1 定位方案

UWB 高精度的人員定位系統(tǒng)的硬件主要由定位基站和定位標(biāo)簽組成。通過部署高精度定位基站，工作人員佩戴定位標(biāo)簽，結(jié)合人員定位軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對人員的精確定位。定位方案如圖3 所示。

圖3 定位方案示意圖

3.2 實(shí)施架構(gòu)

人員定位系統(tǒng)由定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層組成。定位硬件層是無線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，包括定位基站和定位標(biāo)簽；網(wǎng)絡(luò)連接層用于將定位微基站采集的數(shù)據(jù)回傳到數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)解算層則是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置計(jì)算的關(guān)鍵；應(yīng)用層針對可視化的需求，完成了業(yè)務(wù)層面的呈現(xiàn)。實(shí)施架構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 定位設(shè)備實(shí)施架構(gòu)示意圖

4 系統(tǒng)詳細(xì)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 檢測電路功能模塊

檢測電路功能模塊作為運(yùn)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法進(jìn)行誤觸檢測的關(guān)鍵技術(shù)，在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)的情況下，一旦觸發(fā)器接入外界脈沖，便會(huì)改變觸發(fā)器狀態(tài)為暫穩(wěn)態(tài)。該功能模塊采用多諧振蕩器組件，成功接通電源后，將產(chǎn)生相應(yīng)的幅值、頻率波作為脈沖信號源，如圖5 所示。通過系統(tǒng)定時(shí)功能，有效控制脈沖輸出時(shí)間長短，在一定時(shí)間后便會(huì)轉(zhuǎn)變原本的暫穩(wěn)態(tài)為穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)了差異化時(shí)間段。

圖5 檢測電路模塊架構(gòu)

4.2 定位模塊

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)作為近年來廣泛應(yīng)用的無線載波通信技術(shù)，能夠運(yùn)用納秒級非正弦載波脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的高速傳播，因此其所占的頻譜范圍很寬。相較傳統(tǒng)通信技術(shù)有顯著技術(shù)優(yōu)勢，經(jīng)發(fā)送接收納秒級、亞納秒窄脈沖即可完成數(shù)據(jù)傳輸。

運(yùn)用UWB 調(diào)制通過采用納秒級脈沖寬度完成脈沖快速上升和下降，由直流覆蓋脈沖頻譜轉(zhuǎn)為GHz，無需常規(guī)窄帶轉(zhuǎn)變RF 頻率，在獲得成型脈沖后即可直接經(jīng)天線發(fā)射。想要調(diào)整頻譜形狀，可以根據(jù)脈沖的持續(xù)單脈沖具體形狀，以及負(fù)載天線的特征來調(diào)整。使用脈沖寬度為納秒級的無線脈沖信號作為定位載波，是無線定位領(lǐng)域的定位精度最高、性能最穩(wěn)定的技術(shù)。UWB 定位系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 UWB定位系統(tǒng)技術(shù)物理層示意圖

4.3 控制頻率模塊

在該檢修區(qū)域誤觸報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生固定頻段，為了能夠成功發(fā)出相應(yīng)報(bào)警聲音，設(shè)計(jì)該段頻率為1.2 kHz，結(jié)合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，產(chǎn)生了1.2 kHz 頻率段，此外系統(tǒng)選擇了0.1 μF的電容組件。

4.4 語音告警模塊

當(dāng)檢測到預(yù)警區(qū)域有人員進(jìn)出時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)推送告警并聯(lián)動(dòng)語音告警模塊，通過告警聲及告警光的方式警示區(qū)域人員，同時(shí)后臺推送告警信息給安全管理人員，使其可以在第一時(shí)間通過實(shí)時(shí)視頻的方式遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場實(shí)際情況，防止安全事故的發(fā)生。

5 結(jié)束語

文中對發(fā)電廠安全生產(chǎn)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的整合，即與發(fā)電廠現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、Oncall 系統(tǒng)和多媒體安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)管業(yè)務(wù)信息互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)信息流的閉環(huán)管控和數(shù)據(jù)共享，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、三維模型、人員定位、智能穿戴以及視頻智能分析的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)的提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)警，便于積極采取針對性控制措施，有效管控安全風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防安全生產(chǎn)事故，提升企業(yè)的本質(zhì)安全，實(shí)現(xiàn)智能安全監(jiān)管。