基于“北斗+藍(lán)牙”的核電廠基建人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)用研究

武程浩，王 亮，沈立華，宋伶才

（1.中核核信信息技術(shù)（北京）有限公司，北京 100091；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100）

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，然而環(huán)境污染、能源短缺等問(wèn)題不斷加劇，努力構(gòu)建以清潔能源為主的能源結(jié)構(gòu)是緩解人與自然之間矛盾的關(guān)鍵舉措。2020年9月，習(xí)近平總書記宣告了我國(guó)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的宏偉愿景。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中核集團(tuán)積極發(fā)揮自身完整產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，大力推動(dòng)國(guó)家核能發(fā)展和核電建設(shè)，助力我國(guó)完成“十四五”期間每年新建8 臺(tái)核電機(jī)組的目標(biāo)任務(wù)。

安全是核工業(yè)發(fā)展的生命線，如何在核電站較長(zhǎng)的建設(shè)周期中保障施工人員安全，提高安全管理水平，成為了眾多信息化工作者積極探索的方向。付志博等人[1]認(rèn)為準(zhǔn)確獲取人員位置信息是實(shí)現(xiàn)核電現(xiàn)場(chǎng)施工人員的高效管理、降低事故發(fā)生率的重要依據(jù)。葛敏婕等人[2]提出了一種基于LoRa和藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)低功耗定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)在定位環(huán)境內(nèi)部部署藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)備，進(jìn)而被動(dòng)抓取人員持有的藍(lán)牙終端所發(fā)射的Beacon 信息，再經(jīng)服務(wù)器定位結(jié)算得到被定位人員的位置信息。張張[3]充分發(fā)揮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙向通信功能，設(shè)計(jì)了一套包含移動(dòng)定位終端、安卓智能終端和系統(tǒng)服務(wù)器的人員定位追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于室外人員定位及其他相關(guān)位置服務(wù)行業(yè)。

理想的人員定位系統(tǒng)應(yīng)該具備在任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)人員精準(zhǔn)追蹤定位的能力，無(wú)論是在室外環(huán)境還是室內(nèi)環(huán)境[4,5]。核電施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，核島內(nèi)北斗信號(hào)屏蔽嚴(yán)重，核島外不具備大規(guī)模部署藍(lán)牙信標(biāo)的條件，如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外融合定位技術(shù)是解決核電站人員定位問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 “北斗+藍(lán)牙”定位系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

通過(guò)在核電現(xiàn)場(chǎng)建立室外北斗定位系統(tǒng)和室內(nèi)藍(lán)牙定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外無(wú)縫定位。室外需要根據(jù)人員分布敷設(shè)線纜，安裝通信基站，以滿足定位終端北斗通信需要；室內(nèi)核島及常規(guī)島除安裝通信基站外，還需要合理布設(shè)藍(lán)牙信標(biāo)，以滿足定位終端室內(nèi)藍(lán)牙通信需要。人員則通過(guò)佩戴定位終端實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外一張圖精準(zhǔn)定位管理，并能與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，對(duì)人員行為進(jìn)行識(shí)別，從而達(dá)到落實(shí)生產(chǎn)責(zé)任、提高安全管理水平的目的。

1.1.1 系統(tǒng)原理與架構(gòu)

室外區(qū)域采用北斗定位技術(shù)，定位終端接收天上多顆衛(wèi)星的位置信息及發(fā)送時(shí)間，用當(dāng)前時(shí)間減去發(fā)送時(shí)間，得到信息傳播的時(shí)間，再用信息傳播時(shí)間乘信息傳播的速度（光速），得出設(shè)備與衛(wèi)星的距離，最后根據(jù)設(shè)備與衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系確定設(shè)備的位置，如圖1所示。

圖1 室外定位系統(tǒng)工作原理

室內(nèi)區(qū)域采用藍(lán)牙定位技術(shù)，在該系統(tǒng)中每個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)都包含唯一的介質(zhì)訪問(wèn)控制（Medium Access Control,MAC）地址和相對(duì)坐標(biāo)信息，人員攜帶的定位終端都含有唯一的身份標(biāo)識(shí)號(hào)碼（Identity Document,ID）。服務(wù)器采用接收信號(hào)強(qiáng)度指示值（Receive Signal Strength Indicator,RSSI）測(cè)距算法，利用RSSI 值與距離的關(guān)系，得到定位終端與網(wǎng)關(guān)的距離，接著應(yīng)用多點(diǎn)定位算法[6-8]或三角定位算法[9-10]測(cè)算出定位終端的位置，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)定位系統(tǒng)工作原理

人員攜帶的定位終端在定位信標(biāo)部署區(qū)域或者北斗信號(hào)覆蓋到的區(qū)域，會(huì)將信息無(wú)線傳輸給鈦準(zhǔn)基站（鈦準(zhǔn)基站覆蓋范圍內(nèi)），基站將唯一ID 編號(hào)及坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)定位引擎通過(guò)定位算法展開解析，從而在定位監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件端以可視化地圖的方式呈現(xiàn)出每個(gè)ID 的實(shí)時(shí)位置情況，又因?yàn)槿藛T和定位標(biāo)簽ID 是一一對(duì)應(yīng)的，所以確定了定位標(biāo)簽ID 的位置，也就實(shí)現(xiàn)了人員的實(shí)時(shí)定位，如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)整體實(shí)物架構(gòu)

定位信標(biāo)：鋪設(shè)在室內(nèi)區(qū)域、裝置區(qū)域、密閉空間，作為室內(nèi)定位基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。北斗：作為室外定位網(wǎng)絡(luò)。定位終端：接收室外北斗或室內(nèi)藍(lán)牙信號(hào)，將信息通過(guò)通信基站進(jìn)行回傳。定位與地圖服務(wù)器：提供地圖引擎和定位引擎，實(shí)現(xiàn)位置解算與地圖展示。PC 后臺(tái)：B/S 模式，通過(guò)瀏覽器進(jìn)行人員信息查詢統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)格化管理、預(yù)警管理等安全管理應(yīng)用。

1.1.2 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

室外北斗定位技術(shù)，可全方位覆蓋核島、常規(guī)島以外的廣闊施工區(qū)和辦公區(qū)。定位終端、通信基站等通信設(shè)備采用高強(qiáng)度材料，可適應(yīng)海島惡劣的室外環(huán)境。室外定位系統(tǒng)不受空間限制，通過(guò)與北斗衛(wèi)星的信息傳遞實(shí)現(xiàn)定位終端的位置測(cè)算，可貫穿核電站的整個(gè)建設(shè)周期。

室內(nèi)方面，針對(duì)核島無(wú)信號(hào)而無(wú)法精確測(cè)算難題，開發(fā)出基于低功耗藍(lán)牙室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)；基于藍(lán)牙RSSI 信號(hào)值的三角算法，提出了基于多元假設(shè)檢驗(yàn)的自適應(yīng)抗攝動(dòng)去噪方法，構(gòu)建了基于特征點(diǎn)二階分布函數(shù)的多徑與非視距誤差消除模型，攻克核電廠生產(chǎn)復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的位置感知重大瓶頸。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 藍(lán)牙信標(biāo)

如圖4和表1所示，分別為藍(lán)牙信標(biāo)的外觀展示和詳細(xì)技術(shù)參數(shù)。

表1 S3U 系列藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)參數(shù)

圖4 藍(lán)牙信標(biāo)

1.2.2 定位終端

如圖5和表2所示，分別為定位終端的外觀展示和詳細(xì)技術(shù)參數(shù)。

表2 BLT6 系列定位終端基本參數(shù)

圖5 定位終端

1.2.3 通信基站

如圖6和表3所示，分別為通信基站的外觀展示和詳細(xì)技術(shù)參數(shù)。

表3 BLG2P 系列基站技術(shù)參數(shù)（非防爆型號(hào)）

1.2.4 后臺(tái)

定位引擎采用多信號(hào)最大似然估計(jì)、粒子濾波、差分去噪等算法，有效抑制了無(wú)線定位受環(huán)境干擾引起的較大定位波動(dòng)，提升了定位精度。

地圖引擎結(jié)合AStar 等算法，采用3DMAX 數(shù)據(jù)建模，使得地圖數(shù)據(jù)輕量化，支持海量數(shù)據(jù)加載。強(qiáng)大的地圖引擎使得定位數(shù)據(jù)在2.5D 地圖、三維建模地圖、傾斜攝影地圖中都展現(xiàn)了良好效果。

2 定位系統(tǒng)在核電廠的實(shí)施與部署

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本系統(tǒng)服務(wù)于核電站核島/常規(guī)島房間、BOP 子項(xiàng)廠房和廠區(qū)及周邊海域等區(qū)域，通過(guò)融合使用物聯(lián)網(wǎng)、北斗、藍(lán)牙、高清視頻、GIS 等先進(jìn)技術(shù)，全面感知施工過(guò)程中的人員、車輛、安全等要素信息，搭建前后方網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通的移動(dòng)網(wǎng)和地面固定網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。打造基于容器、微服務(wù)的物聯(lián)感知基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，構(gòu)建室內(nèi)外一體的人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)，對(duì)違規(guī)作業(yè)、非法越界等具有安全隱患的行為進(jìn)行智能識(shí)別和自動(dòng)告警報(bào)警，滿足核電站“信息共享、安全監(jiān)控、協(xié)同作業(yè)、智能決策”的需要，確保整個(gè)施工全維監(jiān)控、管理規(guī)范、進(jìn)度可控、質(zhì)量保證、安全有序。

圖7 人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 定位終端管理方案

為確保終端發(fā)放高效、準(zhǔn)確，各家施工單位上報(bào)的員工信息應(yīng)該包含詳細(xì)的四級(jí)組織。同時(shí)，每個(gè)定位終端都有唯一的編號(hào)，將終端編號(hào)掃碼錄入員工信息表格從而實(shí)現(xiàn)人員與終端的綁定。最后，將表格上傳至智慧工地平臺(tái)完成信息錄入，將終端粘貼姓名標(biāo)簽完成終端逐級(jí)有序發(fā)放。

在終端的日常維護(hù)管理中，由施工單位指派專人負(fù)責(zé)，在現(xiàn)有的人員離職和入職工作流程中，加入人員離場(chǎng)（收終端）和人員進(jìn)場(chǎng)（發(fā)終端）操作，確保終端領(lǐng)用率和在線率。同時(shí)，發(fā)布每日低電量清單，提醒員工及時(shí)充電。

3 定位系統(tǒng)在核電廠的應(yīng)用效果分析

3.1 人員軌跡查詢與實(shí)時(shí)跟蹤

定位系統(tǒng)可用于追蹤人員歷史位置和某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的行動(dòng)軌跡，軌跡室內(nèi)外連續(xù)，支持倍速播放，播放時(shí)室內(nèi)外自動(dòng)切換，如圖8所示。該功能有助于管理者對(duì)人員活動(dòng)行為進(jìn)行分析，一旦有異常情況，可以提供數(shù)據(jù)支持。

圖8 人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)軌跡查詢展示

在搜索框輸入人員名稱，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單一人員的位置跟蹤，并展示該人員的相關(guān)信息。跟蹤狀態(tài)下僅顯示被定位跟蹤對(duì)象，地圖自動(dòng)聚焦，跟隨被定位對(duì)象。當(dāng)其進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，地圖自動(dòng)進(jìn)入室內(nèi)地圖對(duì)其持續(xù)跟蹤。此外，當(dāng)被跟蹤人員進(jìn)入攝像機(jī)的監(jiān)控畫面時(shí)，大屏監(jiān)測(cè)中心會(huì)自動(dòng)拉起實(shí)時(shí)視頻流，實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)動(dòng)，有效支持復(fù)雜安全事務(wù)管理，如圖9所示。

圖9 人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)視頻聯(lián)動(dòng)展示

3.2 網(wǎng)格化管理

人員定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格、區(qū)域的定位人數(shù)，定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，有效掌握各工作面和各時(shí)段的人數(shù)、工種分布，滿足核電廠尤其是核島內(nèi)部的網(wǎng)格化管理需要，如圖10所示。

圖10 人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)格化管理展示

3.3 施工人員與施工作業(yè)安全管理

核電現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜，核島內(nèi)部房間眾多，發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，施工人員可觸發(fā)定位終端的一鍵報(bào)警功能，使系統(tǒng)管理員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)處于報(bào)警中的人員和位置，進(jìn)行快速處置，有效保障現(xiàn)場(chǎng)施工人員的人身安全。

此外，核電人員定位系統(tǒng)還可提供施工作業(yè)安全管理功能，預(yù)設(shè)七大危險(xiǎn)作業(yè)（動(dòng)火作業(yè)、斷路作業(yè)、維修作業(yè)、高處作業(yè)、受限空間作業(yè)、吊裝作業(yè)和盲板抽堵作業(yè)），繪制作業(yè)區(qū)域在地圖中顯示，針對(duì)各危險(xiǎn)作業(yè)設(shè)置作業(yè)人員離開報(bào)警和非作業(yè)人員闖入報(bào)警，業(yè)務(wù)技術(shù)深度融合，提升現(xiàn)場(chǎng)安全管控水平，如圖11所示。

圖11 人員定位安全監(jiān)管系統(tǒng)施工作業(yè)管理展示

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)針對(duì)核電廠全域高精度定位需求，采用“室外北斗+室內(nèi)藍(lán)牙”融合定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外定位無(wú)縫銜接。大屏監(jiān)測(cè)畫面可提供精準(zhǔn)的定位顯示和軌跡查詢服務(wù)，實(shí)時(shí)跟蹤、一鍵報(bào)警、網(wǎng)格化管理、作業(yè)安全管理等功能可以較好地滿足核電廠高質(zhì)量、精細(xì)化管理需要。與傳統(tǒng)的監(jiān)管方式相比，該系統(tǒng)可有效節(jié)約人力資源成本，服務(wù)核電現(xiàn)場(chǎng)管理，具有較高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為武程浩。