基于北斗高精度定位的安全智能管控技術(shù)研究

朱曉偉，劉成峰，吳榮基，許智賢， 伍中校

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東 陽江 529500)

采取有效手段及措施做好對大型工程安全的全面和及時管控是工程領(lǐng)域的一項重大任務(wù)。近年來，智能建造[1]、智慧企業(yè)[2]、智能建設(shè)[3]等智慧化的管理理念發(fā)展迅速，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，同時工程質(zhì)量及進(jìn)度等相關(guān)目標(biāo)正逐漸加快由數(shù)字化管理向智能化管控的轉(zhuǎn)變。在此背景下，工程安全管理更要與智能管理概念相結(jié)合，在實(shí)際需求的導(dǎo)向作用下，基于先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的支持，實(shí)現(xiàn)工程安全由數(shù)字化管理向智能化管理的轉(zhuǎn)型。作為一種智慧管理手段[4]，智能安全帽對定位[5]、識別[6]以及預(yù)警[7]等相關(guān)功能進(jìn)行有效集成，將它們統(tǒng)一應(yīng)用于工程領(lǐng)域，為工程安全管控目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)打下良好的基礎(chǔ)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制、具有完全知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在其飛速發(fā)展的背景下，現(xiàn)“北斗+”服務(wù)得到愈發(fā)廣泛的應(yīng)用[8]。BDS具有穩(wěn)定、可靠的性能[9]，本文基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)設(shè)計一種安全帽系統(tǒng)，并分析系統(tǒng)中的安全智能管控技術(shù)，以期為大型工程現(xiàn)場安全運(yùn)行提供切實(shí)保證。

1 基于北斗高精度定位安全帽的安全智能管控框架

圖1所示為安全智能管控框架示意圖。基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，將目標(biāo)定位為工程現(xiàn)場的安全管控，安全帽系統(tǒng)與工程現(xiàn)場的各種類型風(fēng)險相結(jié)合，執(zhí)行對動態(tài)電子圍欄的構(gòu)建任務(wù)，針對現(xiàn)場風(fēng)險巡查路徑構(gòu)建靜態(tài)電子圍欄，通過對定位技術(shù)的合理運(yùn)用，對成功佩戴北斗高精度定位智能安全帽的人員進(jìn)行實(shí)時定位，同時基于5G移動通信技術(shù)，達(dá)到準(zhǔn)確與實(shí)時傳輸定位信息的目的；在對人員定位和各類型電子圍欄空間狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，達(dá)到對人員及現(xiàn)場安全智能化巡查的目的，在安全帽相關(guān)語音信息的支持下，針對現(xiàn)場安全管控進(jìn)行高效把控。

圖1 基于北斗高精度定位安全帽的安全智能管控框架示意圖

2 安全智能管控技術(shù)

2.1 安全帽全過程北斗高精度定位

采用北斗高精度定位技術(shù)進(jìn)行定位，通過建設(shè)北斗高精度GNSS監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域全覆蓋定位。另外，以5G移動通信網(wǎng)絡(luò)為支持實(shí)現(xiàn)對北斗高精度智能安全帽定位信息的實(shí)時傳輸，基于相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，達(dá)到對定位數(shù)據(jù)的集成與整合目的。圖2所示為安全帽全過程北斗高精度定位示意圖。

圖2 安全帽全過程北斗高精度定位示意圖

北斗高精度GNSS監(jiān)測站的監(jiān)測設(shè)備主要是北斗GNSS檢測儀，其包括GNSS定位天線、太陽能電池板以及主機(jī)箱3大部分。儀器最頂端是GNSS定位天線，功能為接收北斗定位信號，位于下端的是太陽能電池板，再往下即主機(jī)箱，內(nèi)有蓄電池、北斗定位模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)天線等。在數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)部有一張5G SIM卡，通過數(shù)據(jù)天線的協(xié)同作用，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。

2.2 基于5G的信息傳輸

5G移動通信是通過相應(yīng)的鏈接進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)、近程的實(shí)時控制以及大量數(shù)據(jù)的傳送。一條5G通信鏈路中主要包括3個模塊，分別為5G通信網(wǎng)、地面通信方艙車以及通信指揮中心。

5G通信網(wǎng)主要用于5G通信，此模塊的任務(wù)載荷可進(jìn)一步劃分為3個子模塊，分別為5G通信、組網(wǎng)以及能量管理。其中，5G通信子模塊采用的技術(shù)主要有2種，即全雙工雙向中繼技術(shù)以及定向天線覆蓋技術(shù)，從基礎(chǔ)層次上對5G信號進(jìn)行覆蓋；組網(wǎng)子模塊對組網(wǎng)功能進(jìn)行集成，以全向天線技術(shù)[10]為支持，建立組網(wǎng)鏈路和智能組網(wǎng)；能量管理子模塊則主要用于供電。

地面通信方艙車針對5G宏基站以及5G核心網(wǎng)設(shè)備等作具體的配置，對二者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，前者會借助于光纖向后者接入回程信號，后者則利用光纜連接最近的通信臺。

通信指揮中心包括5G網(wǎng)關(guān)與通信保障子模塊，前者采用的架構(gòu)為B/S架構(gòu)，在用戶將正確的用戶名和密碼輸進(jìn)去之后，可實(shí)現(xiàn)登錄功能，進(jìn)而執(zhí)行對相關(guān)數(shù)據(jù)的通信和調(diào)度任務(wù)；后者的重要功能則在于為指揮中心的正常通信提供保障。

在構(gòu)建安全帽全過程北斗高精度定位信息5G通信網(wǎng)時，采用高低頻協(xié)作組網(wǎng)方式，以達(dá)到有效覆蓋5G基礎(chǔ)信號的目的，同時可規(guī)避頻率干擾情況的發(fā)生。通信鏈路的頻率設(shè)定為3.5 GHz，用以對5G信號進(jìn)行覆蓋，組網(wǎng)鏈路則借助于5.8 GHz的頻率達(dá)到組網(wǎng)的目的。

2.3 動靜態(tài)電子圍欄智能生成

1)靜態(tài)電子圍欄的構(gòu)建。以對安全風(fēng)險距離和定位精度的全方位掌控為基礎(chǔ)，得到靜態(tài)電子圍欄安全智能管控區(qū)域半徑計算公式：

(x-a)2+(y-b)2=r2

(1)

式中：x，y為基于靜態(tài)電子圍欄安全智能管控區(qū)域半徑坐標(biāo)軸的橫、縱坐標(biāo)；(a,b)為風(fēng)險源的實(shí)際坐標(biāo)；r為靜態(tài)電子圍欄安全智能管控區(qū)域的半徑。

2)動態(tài)電子圍欄的構(gòu)建。以現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，基于分級預(yù)警狀態(tài)獲取動態(tài)電子圍欄。安全監(jiān)測平臺將數(shù)據(jù)異常設(shè)備坐標(biāo)、風(fēng)險類型與等級等風(fēng)險預(yù)警信息發(fā)送至智能安全帽，待安全帽獲取預(yù)警信息之后，自動構(gòu)建電子圍欄，動態(tài)電子圍欄安全智能管控區(qū)域半徑計算公式為：

(x-a′)2+(y-b′)2=r′2

(2)

式中：(a′,b′)為異常設(shè)備的具體坐標(biāo)；r′為動態(tài)電子圍欄安全智能管控區(qū)域半徑。

針對不同的風(fēng)險等級，可進(jìn)行不同范圍告警區(qū)域的設(shè)置，公式為：

(3)

式中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示一級、二級、三級預(yù)警。電子圍欄的范圍會隨著預(yù)警等級的上升而擴(kuò)大。待風(fēng)險解除之后，電子圍欄也會隨之自動解除，在此過程中，亦可采用人工方式將電子圍欄解除。

2.4 基于電子圍欄的危險源巡查技術(shù)

1)安全監(jiān)管人員固定巡查。應(yīng)用北斗高精度定位技術(shù)實(shí)時統(tǒng)計并分析人員進(jìn)出電子圍欄的具體時間，同時構(gòu)建履職監(jiān)督指標(biāo)體系，以完成對有效工作天數(shù)以及月總工作時間的智能化分析任務(wù)。

月有效工作天數(shù)D以及總工作時間T計算公式分別為：

(4)

(5)

通過對上述指標(biāo)的統(tǒng)計分析，可以得到安全監(jiān)管人員的工作情況，工作狀態(tài)S計算公式為：

S=(D≥22)∧(T≥22×5)

(6)

如果S為true，意味著工作狀態(tài)為正常，如果S不為true，即為不正常。由此可得到安全監(jiān)管人員工作情況的智能統(tǒng)計結(jié)果。

2)危險源巡查率指標(biāo)構(gòu)建。以危險源責(zé)任清單為依據(jù)，進(jìn)行巡查點(diǎn)位和路線圖以及動態(tài)電子圍欄的構(gòu)建，通過對人員巡查到位與否的判斷，執(zhí)行預(yù)警分析任務(wù)。以定位信息為基礎(chǔ)的危險源巡查率指標(biāo)構(gòu)建如公式(7)所示：

(7)

式中：p為危險源巡查率；N為等待巡查的危險源的總數(shù)量；m為已經(jīng)巡查完畢的危險源的數(shù)量。若p<1，意味著巡查工作沒有到位，發(fā)出相應(yīng)的提示或告警信息。

2.5 安全信息預(yù)警

如果定位信息滿足如公式(8)所示條件：

(x-a)2+(y-b)2≤r2

(8)

則意味著基于北斗高精度空間定位技術(shù)的智能安全帽平臺監(jiān)測到有佩戴安全帽的人員闖進(jìn)電子圍欄，此時平臺會通過安全帽將警告信息發(fā)送給闖入人員，以語音播報的形式提醒其快速撤離現(xiàn)場。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

在2中所述技術(shù)的支持下，以電力工程為例，面向安全管理人員進(jìn)行安全智能管控系統(tǒng)的構(gòu)建，表1所示為基于北斗高精度定位技術(shù)的智能安全帽參數(shù)。基于對系統(tǒng)的應(yīng)用，電力工程安全管理人員工作到位情況得到了切實(shí)的保證，人員工作效率增加了18%，對安全隱患的排查覆蓋率也達(dá)到100%。

表1 基于北斗高精度定位技術(shù)的智能安全帽參數(shù)

4 結(jié)束語

本文基于北斗高精度定位技術(shù)，將智能安全帽作為載體，完成了對人機(jī)交互式安全管理預(yù)警模型的設(shè)計。借助于北斗高定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能安全帽定位；通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集，完成了對動靜態(tài)電子圍欄的構(gòu)建；通過對現(xiàn)場人員的智能監(jiān)管，進(jìn)行安全預(yù)警體系的構(gòu)建，最終實(shí)現(xiàn)對工程現(xiàn)場安全的智能與高效管理及控制。由于北斗高精度定位是一項復(fù)雜的前沿技術(shù)，因此要求展開更加細(xì)致、深入和系統(tǒng)化的研究，持續(xù)性地對相關(guān)模型予以優(yōu)化。在今后研究過程中，北斗高精度定位應(yīng)將更高的準(zhǔn)確性以及實(shí)效性作為其不斷追求的目標(biāo)。