火電廠人員定位系統(tǒng)技術(shù)路線設(shè)計

國能網(wǎng)信科技（北京）有限公司 陳漢章 馮孟奇

當(dāng)前火電廠作業(yè)人員管理更多采用的是監(jiān)管人員現(xiàn)場安全監(jiān)督的方式，這種方式需耗費(fèi)大量工作時間，監(jiān)管效果多為主管體現(xiàn)，同時生產(chǎn)現(xiàn)場存在作業(yè)范圍廣、作業(yè)點(diǎn)多、不能解決所有現(xiàn)場作業(yè)人員監(jiān)管的問題。

如何全方位、無死角進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管成為火電廠安全管理的現(xiàn)實(shí)需求，同時也是制約火電廠安全管理水平提升的瓶頸，包括高風(fēng)險作業(yè)管控、外委人員管理、到崗到位管理、應(yīng)急管理等。因此火電廠迫切需要一種能夠結(jié)合火電廠實(shí)際應(yīng)用場景的新技術(shù)及管理系統(tǒng)來打破僵局，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)人員的實(shí)時管理，對現(xiàn)場作業(yè)人員分布情況、現(xiàn)場作業(yè)情況、到崗到位情況、現(xiàn)場巡檢情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管，提升安全管理水平。

傳統(tǒng)電廠安全管控全靠人，安全人員需每天開安全監(jiān)督會、分配工作、現(xiàn)場盯防違規(guī)行為，該種傳統(tǒng)的安全管控模式存在以下問題：生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備錯綜復(fù)雜，同時區(qū)域分散，需現(xiàn)場人員監(jiān)督作業(yè)，無法實(shí)時獲取人員位置信息，不能監(jiān)管至每個人，監(jiān)管效率低；重大操作不能確定管理人員是否到崗到位；當(dāng)人員遇到危險時無法實(shí)時定位人員位置，無法知曉人員生命體征情況。針對上述問題，可通過建設(shè)人員定位系統(tǒng)，直觀的查看現(xiàn)場作業(yè)票分布情況、現(xiàn)場人員分布情況、高風(fēng)險作業(yè)分布情況、關(guān)鍵人是否在場情況，根據(jù)風(fēng)險等級主動關(guān)注作業(yè)情況、區(qū)域人員情況，同時可調(diào)取現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，鎖定某個作業(yè)人員定位。

從定位功能需求層次實(shí)現(xiàn)內(nèi)容包括：全廠以及外委人員實(shí)時定位功能、歷史軌跡回放功能、人員快速定位功能、視頻聯(lián)動功能、兩票數(shù)據(jù)展示功能，同時實(shí)現(xiàn)基本的電廠信息維護(hù)、人員信息維護(hù)等基礎(chǔ)功能，并可對基本信息進(jìn)行增加、修改、刪除和查詢，用戶通過簡單的操作即可實(shí)時掌握整個電廠的人員情況。

從定位精度層次實(shí)現(xiàn)內(nèi)容包括：針對鍋爐房、汽機(jī)房等設(shè)備情況復(fù)雜、人員進(jìn)出流量大的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)三維精準(zhǔn)定位、誤差小于50cm，針對廠區(qū)道路、輸煤棧橋等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)二維精準(zhǔn)定位、誤差小于100cm，針對氨區(qū)、氫站等人員作業(yè)少的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)一維區(qū)域定位，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入即定位。

1 火電廠定位技術(shù)選型

火電廠作業(yè)區(qū)域主要在鍋爐房、汽機(jī)房、輸煤區(qū)域等，大多數(shù)作業(yè)區(qū)域?qū)儆谑覂?nèi)區(qū)域，在定位技術(shù)選型時，室外常用的北斗定位受制于建筑物的影響定位精度并不理想，不適用于室內(nèi)?；诨痣姀S特殊的定位需求，更多需進(jìn)行室內(nèi)定位來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的人員進(jìn)行監(jiān)控，因此需對適合于室內(nèi)定位技術(shù)的如WiFi、藍(lán)牙、UWB、Zigbee、RFID、紅外線之間進(jìn)行技術(shù)選型。

1.1 WiFi定位技術(shù)

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是一種常見的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，WiFi定位的基礎(chǔ)方式“鄰近法”是一種搭建路徑損耗模型，通過模型對位置數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算，從而實(shí)現(xiàn)定位的目的。

WiFi定位技術(shù)因?yàn)閺?fù)雜度的因素，不采用飛行時間進(jìn)行測距計算，通過測量終端RSSI的信號接受強(qiáng)度，在通過RSSI與距離的推算公式來進(jìn)行距離的計算，但是由于公式本身以及RSSI測量的誤差，最終都會造成WiFi的定位精度低，即便通過多次的RSSI測量也無法避免誤差大的結(jié)果，同時WiFi信號也受制于現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境，對于汽機(jī)房以及鍋爐房錯綜復(fù)雜的設(shè)備環(huán)境WiFi信號會受到較大影響，定位精度較低，一般在3～10米左右，不滿足精度要求。

1.2 藍(lán)牙定位技術(shù)

通過RSSI即測量信號強(qiáng)度進(jìn)行定位，藍(lán)牙4.0（BLE-Bluetooth Low Energy）的低功耗特性和蘋果的iBeacon發(fā)布，大大推動了藍(lán)牙技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)閕Beacon（即BLE基站）低功耗無源（僅靠一節(jié)紐扣電池供電一年以上，不用外接電源）、成本低廉，所以iBeacon可遠(yuǎn)比WiFi AP部署的密度高。藍(lán)牙定位的應(yīng)用方式首先是在定位區(qū)域內(nèi)布設(shè)藍(lán)牙定位信標(biāo)，定位信標(biāo)不間斷地向周圍發(fā)送數(shù)據(jù)信號，當(dāng)終端設(shè)備進(jìn)入藍(lán)牙信標(biāo)的覆蓋范圍時，測出該終端設(shè)備在不同信標(biāo)下的RSSI值，然后通過特定的定位算法解算終端設(shè)備的當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)定位。

藍(lán)牙定位的優(yōu)勢在于鋪設(shè)、解算方式上的便捷，藍(lán)牙定位的精度與藍(lán)牙信標(biāo)的鋪設(shè)密度呈正相關(guān)，且藍(lán)牙定位設(shè)備因功能特性的原因具有協(xié)議簡單、可深度休眠的特點(diǎn)，但對于復(fù)雜環(huán)境藍(lán)牙信號穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱，對于火電廠一些定位精度要求不高及一維存在定位區(qū)域可采用藍(lán)牙定位技術(shù)。

1.3 超寬帶UWB定位技術(shù)

高寬帶UWB技術(shù)與其他無線通信技術(shù)有較大的差異，近年來蘋果公司、三星公司、小米公司等均在UWB技術(shù)上投入資源進(jìn)行研發(fā)，是一種新興的無線通信技術(shù)。UWB技術(shù)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送的是寬頻域、窄時域脈沖信號，具備很強(qiáng)的時間、空間分辨能力，因此UWB信號的多徑分辨率很高，在抵抗室內(nèi)信號傳輸常見的多徑效應(yīng)（信號因反射造成的多路徑傳播）上表現(xiàn)優(yōu)秀，它不需使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有ns或μs級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可在較低功耗的條件下于1ns內(nèi)發(fā)送超過500MHz帶寬的脈沖信號，主要用于短距通信領(lǐng)域。

UWB定位的方式是通過在固定的定位基站與定位終端間發(fā)送無線脈沖來測量飛行時間、進(jìn)而測距，或通過定位終端到各定位基站間的飛行時間差來測距，然后通過三角定位法定位。由于UWB特有的抗多徑效應(yīng)強(qiáng)的物理特性，測距和定位精度較高。由于其特殊的信號類型及頻譜，相對于其他無線電波信號UWB信號在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下不受多路效應(yīng)的影響，并具有極佳的障礙物穿透能力，定位精度可達(dá)到10cm級別。超寬帶技術(shù)可應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度，基于技術(shù)特點(diǎn)，能夠滿足火電廠復(fù)雜環(huán)境下對于定位精度的要求。

1.4 RFID定位技術(shù)

即射頻識別技術(shù)，RFID是利用電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對定位目標(biāo)的位置感知識別，常用于自動控制領(lǐng)域。射頻(RF)即為射頻電流，波長范圍從低頻到高頻，在300kHz到300GHz之間。RFID定位系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件及計算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成。電子標(biāo)簽和讀寫器是經(jīng)由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻定位裝置放置在需定位物體或人員身上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線方式連接至數(shù)據(jù)庫。

RFID定位的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)傳輸速率較高、安全性好，并不受非視線通信問題困擾；缺點(diǎn)在于需在定位區(qū)域內(nèi)部署大量的RFID通訊定位設(shè)備，且需定位人員佩戴RFID定位標(biāo)簽，基于此原因RFID定位技術(shù)并不適用電廠應(yīng)用場景。

1.5 超聲波定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)

該定位方式是在室內(nèi)安裝超聲波揚(yáng)聲器，發(fā)射能被定位終端檢測到的超聲波信號，通過聲波的到達(dá)時間差推測出終端的位置，此定位技術(shù)需在現(xiàn)場安裝大量揚(yáng)聲器，同時易受室內(nèi)多徑效應(yīng)的影響，定位效果不穩(wěn)定，不能滿足火電廠定位要求。

紅外定位技術(shù)通過紅外發(fā)射裝置與接收裝置來完成定位，將紅外發(fā)射裝置安裝到需定位的人員或設(shè)備上，發(fā)射具有唯一性的紅外信號，通過在區(qū)域內(nèi)安裝紅外接收器，并將所有接收器與控制終端相鏈接，經(jīng)過控制終端進(jìn)行信號數(shù)據(jù)解算，從而完成人員、設(shè)備的定位。紅外線定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于定位誤差小，缺點(diǎn)在于發(fā)射距離短且難以穿透墻體，不適用于火電廠復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境。

綜上所述，由于UWB穩(wěn)定性好、定位精度高以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足火電廠復(fù)雜環(huán)境下的定位高精度要求，同時針對不同精度要求的定位區(qū)域可結(jié)合藍(lán)牙定位方式進(jìn)行輔助定位，因此最終可確定采用UWB+藍(lán)牙雙定位技術(shù)。

2 定位算法選型及定位功能設(shè)計

基于超寬帶（UWB技術(shù)）能及其準(zhǔn)確地測量無線電信號的飛行時間，從而實(shí)現(xiàn)厘米精度的位置測量，在現(xiàn)有的UWB定位系統(tǒng)中存在多種基于測距的定位方法，每種定位方法都對應(yīng)著多種不同的解算定位的算法，在UWB技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的是飛行時間測距法（TOF）和到達(dá)時間差法（TDOA）。從定位方式來看兩種方式均屬于多點(diǎn)定位，即確定標(biāo)簽與多個已知坐標(biāo)點(diǎn)的相對位置關(guān)系定位。

TDOA定位是一種利用時間差進(jìn)行定位的方法，通過測量信號到達(dá)監(jiān)測站的時間可確定信號源的距離。利用信號源到各個監(jiān)測站的距離(以監(jiān)測站為中心，距離為半徑作圓)就能確定信號的位置。但是絕對時間一般比較難測量，通過比較信號到達(dá)各個監(jiān)測站的絕對時間差，就能做出以監(jiān)測站為焦點(diǎn)、距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是信號的位置。

TOF測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在兩個異步收發(fā)機(jī)(Transceiver)或被反射面之間往返的飛行時間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離，適合環(huán)境較為復(fù)雜的應(yīng)用場景，如制造型工廠、電廠、化工廠、辦公樓等。TDOA適合環(huán)境空曠較為簡單的應(yīng)用場景，如戶外運(yùn)動、倉庫等。通過對比分析施工成本、硬件成本、應(yīng)用場景、續(xù)航能力、標(biāo)簽支持容量等多角度分析，發(fā)電廠應(yīng)采用TOF定位算法更加符合要求。

以UWB技術(shù)為基礎(chǔ)、TOF為核心算法建立的火電廠人員定位系統(tǒng)，核心功能在于安全管理?；诎踩芾淼幕驹瓌t，應(yīng)包含如下功能：

人員實(shí)時定位功能，即安全監(jiān)管人員可實(shí)時查看現(xiàn)場作業(yè)人員位置；電子圍欄功能，將全廠各風(fēng)險區(qū)域按照危險等級進(jìn)行劃分，設(shè)置不同權(quán)限，當(dāng)電子圍欄內(nèi)出現(xiàn)不規(guī)范行為時進(jìn)行系統(tǒng)告警；歷史軌跡回溯功能，當(dāng)安全監(jiān)管出現(xiàn)遺漏時可進(jìn)行人員行走軌跡的回溯，從而保證安全監(jiān)管的全面性；巡檢管理功能，系統(tǒng)也需配備智能巡檢路線規(guī)劃功能，用于輔助巡檢人員更高效、更安全的完成日常巡檢工作；兩票數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)統(tǒng)計全廠各區(qū)域兩票數(shù)量、類型、風(fēng)險等級，實(shí)時監(jiān)控票面人員與作業(yè)信息是否一致，實(shí)時監(jiān)督管理現(xiàn)場作業(yè)；高風(fēng)險作業(yè)管理，集中展現(xiàn)高風(fēng)險作業(yè)數(shù)量及內(nèi)容，實(shí)時掌握高風(fēng)險作業(yè)進(jìn)度及人員情況；到崗到位管理，通過配置到崗到位區(qū)域及規(guī)則，系統(tǒng)自動記錄安全監(jiān)察、高風(fēng)險作業(yè)監(jiān)督、工作負(fù)責(zé)人監(jiān)票到崗到位情況，確保安全管理流程落實(shí)。

除上述功能外，將大數(shù)據(jù)分析功能與定位系統(tǒng)相融合，將安全管理數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化應(yīng)用，也是提升安全管理的重要手段之一。

3 定位區(qū)域與定位精度規(guī)劃

根據(jù)火力發(fā)電廠的業(yè)務(wù)需求及各區(qū)域場景的特點(diǎn)，推薦各區(qū)域采用的定位方式及定位精度如下：

廠區(qū)道路：根據(jù)火電廠情況對于辦公樓到廠房的常走的道路采用三維精準(zhǔn)定位，定位精度在0～50cm，偏僻或不常用的道路采用二維線性定位方式，定位精度在100cm以內(nèi)即可，定位技術(shù)選用UWB定位技術(shù)；汽機(jī)房區(qū)域：汽機(jī)房各層的主設(shè)備區(qū)采用三維精準(zhǔn)定位，汽機(jī)房屬于需要精準(zhǔn)定位的區(qū)域，定位精度應(yīng)在30cm以內(nèi)；電子間、勵磁間、定子水間、主控室房間內(nèi)采用存在定位，無定位精度要求，僅表示人員存在于該區(qū)域即可；凝汽器底部、凝泵坑、操作平臺、樓梯不定位，對于存在性定位區(qū)域采用藍(lán)牙定位技術(shù)。

鍋爐房區(qū)域：其與汽機(jī)房區(qū)域類似，其中1層和12米平臺層采用三維精準(zhǔn)定位，定位精度在30cm以內(nèi)，其他電梯層采用二維線性定位，夾層和小操作平臺不定位，定位技術(shù)選用UWB定位技術(shù)；輸煤區(qū)域：封閉煤場道路采用二維線性定位、進(jìn)出口采用一維存在定位，對于輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運(yùn)站采用二維線性定位，二維定位區(qū)域選用UWB定位技術(shù)，一維存在性定位選用藍(lán)牙定位技術(shù)，輸煤區(qū)域整體定位精度應(yīng)在0～100cm范圍內(nèi)，以滿足實(shí)際定位需求；危險區(qū)域：對于氨區(qū)、氫站等危險區(qū)域采用一維存在性定位，采用藍(lán)牙定位技術(shù)，該區(qū)域內(nèi)不做定位精度要求，僅需表現(xiàn)人員存在即可。

4 結(jié)語

人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用將改變傳統(tǒng)人員安全管理模式，實(shí)現(xiàn)對高風(fēng)險作業(yè)有效管控、外委人員的有效管控、突發(fā)事件應(yīng)急處理、安全事故全方位回顧、到崗到位監(jiān)督、巡點(diǎn)檢監(jiān)測等，可實(shí)時了解人員位置及全廠作業(yè)情況并智能推薦關(guān)注區(qū)域，同時根據(jù)人員及作業(yè)的分布可快速聯(lián)動查看實(shí)際情況，無需去現(xiàn)場就對現(xiàn)場情況一目了然。