基于超寬帶技術(shù)的人員在崗在位管理系統(tǒng)在化工裝置中的應(yīng)用

徐星宇

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

2019年3月21日，位于江蘇省鹽城市響水縣生態(tài)化工園區(qū)的天嘉宜化工有限公司發(fā)生特別重大爆炸事故，造成多人傷亡，直接經(jīng)濟損失約19.86億元人民幣[1]。由此看來，做好化工裝置的安全預(yù)警和風險管控成為安全工作的重中之重。

為防范和遏制重大、特大事故，構(gòu)建雙重預(yù)防機制，江蘇省應(yīng)急管理局會同有關(guān)部門制定了《省應(yīng)急廳關(guān)于印發(fā)〈江蘇省化工企業(yè)安全生產(chǎn)信息化管理平臺建設(shè)基本要求〉(試行)的通知》(蘇應(yīng)急〔2019〕88號)文[2]。圍繞風險分級管控和隱患排查治理的雙重預(yù)防機制[3-5]，化工過程安全管理和安全生產(chǎn)標準化等內(nèi)容，建設(shè)集企業(yè)重大危險源監(jiān)控系統(tǒng)、企業(yè)安全風險分區(qū)管理系統(tǒng)和人員在崗在位管理系統(tǒng)等的安全生產(chǎn)信息化管理平臺[6]。該平臺可切實落實企業(yè)安全生產(chǎn)主體責任，全面提升企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平。該平臺總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 安全生產(chǎn)信息化管理平臺總體構(gòu)架示意

該平臺中的重大危險源監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、企業(yè)安全風險分區(qū)管理系統(tǒng)可以依托企業(yè)現(xiàn)有的分散控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可燃有毒氣體探測系統(tǒng)(GDS)，通過監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)將采集到的實時數(shù)據(jù)上傳到該平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后通過PC或移動端顯示。但是大多數(shù)企業(yè)未建設(shè)人員在崗在位管理系統(tǒng)，因此對該系統(tǒng)建設(shè)的需求，亟待解決。

1 人員在崗在位管理系統(tǒng)要求及定位技術(shù)

人員在崗在位管理系統(tǒng)，又稱人員定位系統(tǒng)，是指用于管理化工企業(yè)作業(yè)人員定時、定人、定崗履職的物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，可通過生物識別、智能門禁、實時定位等技術(shù)，能夠有效識別、跟蹤作業(yè)人員及車輛的位置和行為。

1.1 人員在崗在位管理系統(tǒng)功能要求

根據(jù)蘇應(yīng)急〔2019〕88號文中要求，化工企業(yè)生產(chǎn)人員在崗在位管理系統(tǒng)主要功能應(yīng)包括：

1)基礎(chǔ)信息管理。提供卡口信息、人員基本信息、人員安全培訓信息、崗位信息、車輛基本信息、進出區(qū)域權(quán)限信息等基礎(chǔ)信息管理和維護功能，定位卡收發(fā)管理、雙向人臉(指紋)識別、車牌識別、門閘車檔控制、大屏信息公示等[7]。

2)定位管理。提供人員及車輛定位管理功能，包括基本信息查詢、移動軌跡追蹤、行動軌跡回放等，針對人員在崗、離崗、串崗及車輛越界、滯留等情況提供及時告警，實時獲取現(xiàn)場的信息[8-9]。

3)告警管理。主要包括： 人員離崗、串崗、超員，電子圍欄，車輛超速、偏離線路、違規(guī)停車、超時滯留等監(jiān)控告警功能，一鍵呼救、聲光、短信提示功能，告警事件閉環(huán)處理功能，手機查詢與接收告警信息，以及具備各類告警觸發(fā)條件設(shè)置功能。

4)危險作業(yè)管理。能夠設(shè)定作業(yè)區(qū)域、作業(yè)時間、作業(yè)人員、車輛等信息；監(jiān)控作業(yè)區(qū)域，對非作業(yè)人員或車輛進入相關(guān)區(qū)域系統(tǒng)會自動產(chǎn)生越界告警，對于超出作業(yè)時間滯留人員或車輛發(fā)出滯留告警。對車輛越界、超員、缺員、超時等安全警戒及易燃易爆場所，實施動火，受限空間作業(yè)等區(qū)域設(shè)置報警區(qū)域并提供電子圍欄繪制，具備在線人數(shù)自動統(tǒng)計和超時報警等功能。

5)視頻智能識別。實時采集關(guān)鍵崗位視頻影像數(shù)據(jù)，并使用生物特征識別技術(shù)鑒別人員身份以及判定佩戴個人防護器具的情況，在發(fā)現(xiàn)異常時告警。

6)告警實時監(jiān)測終端展示?；诂F(xiàn)場二維或三維地圖等多種方式，實時展示生產(chǎn)區(qū)、高風險作業(yè)區(qū)、重點監(jiān)控區(qū)等區(qū)域一鍵求救告警、區(qū)域人員告警，并可以聯(lián)動實時視頻。

7)應(yīng)急管理。當遇到險情時，現(xiàn)場人員可通過定位卡一鍵求救按鈕，及時發(fā)出求救報警信息，管理人員收到報警信號后[10]，通過視頻監(jiān)控和人員定位功能確定涉險人員位置，查看現(xiàn)場畫面，實施現(xiàn)場應(yīng)急處置。

8)數(shù)據(jù)查詢分析功能?？砂磪^(qū)域、類別、時間等條件組合查詢當前人數(shù)、所處位置、人員及車輛軌跡等信息。查詢結(jié)果可用表格、圖形、曲線等方式呈現(xiàn)，人員、車輛信息可顯示在廠區(qū)、裝置區(qū)的地圖上，多層裝置能分層顯示。

1.2 定位技術(shù)

當前主流定位技術(shù)包括： 超寬帶定位技術(shù)(UWB)、北斗定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)、WIFI定位技術(shù)和綜合定位技術(shù)，其技術(shù)參數(shù)對比見表1所列。

表1 當前主流定位技術(shù)參數(shù)對比

1)藍牙定位技術(shù)。服務(wù)器布置在中心控制室，現(xiàn)場布置約2個定位基站，定位基站和服務(wù)器之間通過光纖鏈接，在現(xiàn)場的路邊、樓梯處、護欄等處布置定位信標，該信標無需供電，壽命約7～8 a。當人員佩戴著胸卡型定位標簽(該標簽需要充電一次可工作12～15 d)在現(xiàn)場移動時，通過胸卡和定位信標之間的通信信號強弱判斷人員位置，實時通過定位基站上傳給服務(wù)器，展示在定位平臺三維立體地圖上。藍牙定位技術(shù)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 藍牙定位技術(shù)架構(gòu)示意

2)北斗定位技術(shù)。該定位技術(shù)是依靠手持終端和北斗衛(wèi)星實時進行平面位置數(shù)據(jù)交換，高度位置依靠安裝在現(xiàn)場的差分基站來確定。該技術(shù)的特點是現(xiàn)場基本無施工，差分基站覆蓋面大，可以融合5G網(wǎng)絡(luò)，具有定位精度較高、實時性好等優(yōu)點，也可以擴展為實時對講、視頻監(jiān)控終端等功能。但是每年衛(wèi)星租賃使用費為建設(shè)成本的10%～20%，綜合全生命周期成本較高。

3)UWB定位技術(shù)。該定位技術(shù)架構(gòu)和藍牙定位技術(shù)相似，但取消了現(xiàn)場定位信標，依靠3個或4個定位基站確定人員位置。該定位技術(shù)優(yōu)點是定位精度高、后期基本無費用、抗干擾能力強。缺點是前期建設(shè)成本比藍牙定位高20%～30%，施工難度較大。

2 超寬帶定位技術(shù)原理

UWB定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的基站點，與新加入的信標點進行通信，并利用三角定位方式來確定位置。其定位信號采用UWB脈沖信號，由3個及以上的傳感器分析標簽位置[11]。UWB通信不需要使用傳統(tǒng)通信中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，因此具有GHz量級的帶寬[12]。該定位技術(shù)具有穿透力強、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位等優(yōu)點。

UWB技術(shù)中一種核心算法——TOF測距方法，是根據(jù)時間飛行測距原理，確切的是指一個物體或粒子或聲波或電波等其他波類在某種介質(zhì)內(nèi)穿越一段距離所用的時間[13]。時間飛行測距原理可以理解為飛行時差測距方法，傳統(tǒng)的測距技術(shù)分為雙向測距和單向測距[14]。TOF 測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在2個異步收發(fā)機之間往返的飛行時間來測量節(jié)點間的距離。TOF測距方法原理如圖3所示。

圖3 TOF測距方法原理示意

UWB設(shè)備分為定位標簽和定位基站。例如在人員定位場景，每人會佩戴有一個標簽，基站分布在被定位區(qū)域的多個位置。當標簽在系統(tǒng)中運動時，移動標簽首先向區(qū)域內(nèi)所有UWB定位基站發(fā)送測距請求，基站端收到測距請求進行處理。經(jīng)過一小段時間后向定位標簽回復(fù)確認信息，將定位標簽端發(fā)出信號和接收回應(yīng)的時間間隔記為tToT，定位基站端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時間間隔記為tTAT。信號在空中的單向飛行時間記為tTOF，計算如式(1)所示：

(1)

標簽和基站之間會通過無線信號收發(fā)至少3次，然后根據(jù)信號在空中的單向飛行時間和速度，可以得到標簽和基站之間的距離信息。

UWB技術(shù)中另一種核心算法是到達時間差技術(shù)，又稱TOA測距方法，其測距原理如圖4所示。標簽將數(shù)據(jù)包發(fā)送到被基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)，附近的所有基站都會收到標簽的無線信號，但不會返回任何無線信號[15]。由于各基站與標簽的距離不同，因此消息到達每個基站的時間不同。信號到達不同基站的時間差乘以空間中恒定的光速得到標簽和基站之間的距離差，可以形成多點定位計算的基礎(chǔ)，從而確定標簽的相對坐標。另外該技術(shù)的決定性因素是所有基站必須被同步。

圖4 TOA測距方法原理示意

TOA方法功耗較低，算法復(fù)雜，對設(shè)備要求較高，但是綜合考慮后發(fā)現(xiàn)該方法會優(yōu)于TOF測距法。由于TOF測距法流程簡單，所以相對TOA方法來說更容易開發(fā)，對功耗沒有要求的場景完全可以滿足。

3 超寬帶技術(shù)部署方案

某公司罐區(qū)主要儲存裝置生產(chǎn)原料液化烴，由多個大容量的球罐組成，附帶槽車卸料、壓縮機、輸送泵、卸放設(shè)施、機柜間和配電站等輔助設(shè)施。大部為平面結(jié)構(gòu)，局部為多層結(jié)構(gòu)，有三個樓梯。

采用UWB技術(shù)人員在崗在位管理系統(tǒng)在現(xiàn)場布置27個有線定位基站，給其提供24 V供電，數(shù)據(jù)通過光纖回傳至電信機房的服務(wù)器。

一層平面采用二維定位，實時定位人員的具體位置，并輸出地面高度信息，定位基站安裝于圍墻或管架上。圍墻上的基站天線需與墻壁保持一定距離，一般高出圍墻2～3 m；管架上基站固定于管架上，將天線支出管架，盡量避免遮擋。二層平面采用二維定位，定位人員位置，并輸出二層高度信息，安裝位置可固定于二層圍欄桿上。樓梯采用三維定位，豎向安裝2臺基站，以輸出標簽的高度信息。定位基站測試時需將基站信號測試臺擺放在基站部署點位，使用定位標簽實際測量點位的覆蓋范圍與信號死角，調(diào)整基站、天線方向，確保信號覆蓋。

現(xiàn)場基站布置好后，通過無人機測繪3D和2D分層地圖，并將具體的定位基站信息固定在地圖上，這樣就可以根據(jù)各個定位標簽和基站的距離計算出位置信息，以固定的頻率上傳至服務(wù)器達到定位的目的。

4 結(jié)束語

隨著化工裝置安全要求的逐步提高，5G技術(shù)的普及、數(shù)字工廠和智能化工廠建設(shè)需求的增加，建設(shè)一個覆蓋全廠的安全管控平臺已是迫切的需求。相信在不遠的將來，必將有更先進的室內(nèi)外人員定位技術(shù)，可以指導(dǎo)和保障危險化學品生產(chǎn)、運輸和儲存企業(yè)的安全性和可靠性。