基于UWB定位技術的作業(yè)風險管控智能終端設備研究

曾紀鈞,沈桂泉,張金波

(廣東電網有限責任公司,廣州 510600)

0 引 言

電網在發(fā)展的過程中,設備越來越多,危險點的區(qū)域也相應地增多,給現(xiàn)場檢修人員的安全帶來了隱患,在工作中不加小心,就容易引起人身事故和電網設備的損壞[1]。為了防止現(xiàn)場維護人員誤入危險點,需要實時掌握維護人員的位置并在靠近危險點時自動發(fā)出告警。然而在室內環(huán)境中,GPS信號的強度很弱,不能夠精準定位現(xiàn)場運行人員的位置,因此,室內定位作業(yè)風險管控智能終端的研究有重要意義。

現(xiàn)階段公司現(xiàn)場作業(yè)風險基本由現(xiàn)場人員經驗發(fā)現(xiàn),缺乏相關的信息化工具進行輔助。人工識別的作業(yè)風險點往往存在風險點、風險等級識別不準確,風險點缺失,預防措施錯漏等問題,給現(xiàn)場安全管理帶來隱患。而定位技術的發(fā)展和應用為解決上述問題提供了方向。通過對比,UWB定位技術相較于其他定位技術具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高、響應速度快以及定位精度高的優(yōu)點。在室內定位中應用較多?，F(xiàn)在已有研究人員進行了相關研究,文獻[2]針對環(huán)境中引起的定位誤差,提出了測距誤差估計和補償?shù)乃惴?文獻[3]以最小成本和最大精度為優(yōu)化目標,對UWB空間基站安裝位置進行了優(yōu)化部署;文獻[4]為解決在非視距傳輸環(huán)境下精確地低的問題,在UWB算法中引入神經算法。以上研究主要從算法方面改進,沒有從設備實際應用進行設計。因此,文中通過智能穿戴設備的應用,輔助現(xiàn)場人員在提前發(fā)現(xiàn)風險、作業(yè)中有效規(guī)避風險,同時能夠與安全生產子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接,減少現(xiàn)場錄入工作量,提升工作效率同時有助于提升現(xiàn)場風險管理水平[5]。

文中重點研究業(yè)風險管控智能終端設備的設計,包括智能頭盔和室內定位系統(tǒng)。首先,比較了不同定位技術的優(yōu)缺點,介紹UWB室內定位技術原理。設計了智能頭盔,給出了設計參數(shù)和應用功能;進一步設計了室內定位系統(tǒng)配合智能頭盔的使用。對UWB室內定位技術方案進行研究測試,包含定位模塊集成、室內地圖測繪、基站部署和電子圍欄。

1 定位技術選擇

為了提高現(xiàn)場作業(yè)人員的安全性,防止誤入帶電間隔,需要精準掌握現(xiàn)場人員的實時位置。目前應用比較普遍的定位技術有WIFI、RFID、藍牙、UWB等技術,以下是這幾種技術的選型分析。

(1)WIFI定位技術

WIFI定位[6-7]需要的硬件設備為無線傳輸?shù)幕?需要確定位置的設備發(fā)出信號,而無線基站通過接收到的信號并結合自身的網絡結構,綜合確定待定位 WIFI 設備的坐標。WIFI 定位技術目前相對來說設備比較成熟,可以在現(xiàn)有設備的基礎上實現(xiàn),但由于 WIFI 的安全性較差,功耗較高,能夠利用的頻譜段也越來越少,因此,一般現(xiàn)在變電站、電廠等區(qū)域內不再使用。

(2)RFID定位

RFID,即射頻識別技術[8-9],利用無線在比較短的距離內發(fā)現(xiàn)標簽,距離的范圍相對較廣,幾厘米 延長到十幾米的距離。RFID[10]目前應用的領域還是主要以公司系統(tǒng)中人員的考勤為主。為了確定人員是否位于某個區(qū)域內,對于位置的傳輸定位不能做到實時的傳輸。目前應用也沒有統(tǒng)一的規(guī)范標準,想要應用于變電站等環(huán)境復雜的地域,難度系數(shù)較大。

(3)藍牙定位

藍牙定位[11-12]基于RSSI(信號強度)值,通過三角定位原理進行定位。藍牙定位的缺點是收環(huán)境因素的影響很大,因為藍牙信號的頻率很高,穿透能力很差。得到的RSSI 值存在著很大的誤差,為了使測得的結果盡可能的準確,就只能通過算法來實現(xiàn),但算法的使用,增加了CPU的負擔,從而使定位容易產生延時。另外變電站等場地較大,想要實現(xiàn)信號的全覆蓋,需要布置較多的基站從而增加投資成本。

(4)UWB定位

UWB(Ultra Wideband),即超寬帶定位,利用時間周期很短的非正弦波進行數(shù)據(jù)的傳遞,作為一種無載的傳輸技術而被人們使用。UWB[13-14]調制同樣采用納秒級別的相當窄的脈沖性質的信號,包含的范圍相對較廣,可以實現(xiàn)從直流到達交流的程度,生成的脈沖則通過天線向外發(fā)射。UWB具有輻射性相對較低從而不影響其他電子通信設備、響應速度快、抵御其他信號擾動能力強的優(yōu)點。

不同定位技術的比較在表1中給出,從抗干擾性、穩(wěn)定性、響應速度以及定位精度綜合考慮之后,決定采用UWB室內定位技術。

表1 多種定位技術的性能比較

2 UWB定位技術理論

UWB[15-16]測距使用的為飛行時間技術(Time of Flight, TOF),為了測得現(xiàn)場工作人員的位置,需要至少三個錨點(空間基站)和一個安裝于智能頭盔上的標簽。根據(jù)電磁波在錨點和智能頭盔之間的傳輸時間,得到傳輸距離,從而進行定位。文中采用往 返飛行時間(Two Way-Time of Flight, TW-TOF),此種算法不受空間基站和智能頭盔上標簽時間同步性的影響,只需測得電磁波在之間的時間差即可[17-18]。TW-TOF測量原理如圖1所示。

圖1 TW-TOF測量模型

根據(jù)TW-TOF測量原理,對頭戴智能頭盔的現(xiàn)場巡視人員的定位步驟如下：

(1)根據(jù)電磁波在空間基站到頭戴智能頭盔的現(xiàn)場巡視人員之間傳輸?shù)臅r間得到空間基站到運維人員之間的距離,計算公式如式(1)[19]所示：

(1)

(2)在室內環(huán)境中,不可避免的會出現(xiàn)遮擋物,而遮擋物對電磁波的傳播有較大的影響,產生的誤差符合非高斯分布,考慮到誤差原因,頭戴智能頭盔的現(xiàn)場巡視人員與空間基站的距離[19]為：

Di=DTOF-DNLOS

(2)

(3)同樣的原理,可以得到頭戴智能頭盔的現(xiàn)場巡視人員到其他兩個空間基站的距離。空間基站的位置坐標在裝設的時候已經給定,以現(xiàn)場人員到各個基站之間的距離Di為半徑畫圓,三個圓的交點即為現(xiàn)場人員的位置,計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

3 智能頭盔設計功能

3.1 智能頭盔設計

智能頭盔采用一體化設計,具備定位功能。帶旋轉臂,支持上下90°調整攝像頭、照明燈。核心主板處理器ARM八核、2.0 GHz,安裝內存(RAM)2 G/4 G,機身內存16 G/32 G/64 G,支持T-Flash卡,可擴展至128 G。電池容量5 400 mAh,默認2 A充電,支持qc3.03.5 A快充,配備1個Type-c口,支持USB接口雙面插入,1個sim卡口和一個耳機插口。視頻編解碼支持4K@30fps、1080p60、H2.64、H2.65、VP8。工作環(huán)境為-20 ℃～60 ℃。智能頭盔結構圖如圖2所示。

圖2 智能頭盔結構圖

3.2 智能頭盔功能

智能頭盔主要功能為定位功能,同時集成視頻采集、AR眼鏡、多種功能模塊,包括拍照、錄像、照明、對講、實時視頻、GPS定位、軌跡記錄、人臉識別、行為分析等。并能夠使用智能手表、智能手機或者平板等智能終端通過藍牙對頭盔進行操控。

(1)通信功能

通信功能包含語音對講、打電話、wifi、藍牙、2 G/3 G/4 G網絡、實時語音通信功能,數(shù)據(jù)通道主要包括采用2 G/3 G/4 G技術的APN專用通道、無線局域網等。

(2)實時監(jiān)控模塊[20]

管理者可以通過后臺,實時查看前端作業(yè)現(xiàn)場的情況,并且可以對現(xiàn)場進行可視化溝通、指導。實時掌握現(xiàn)場工作的最新進展,便于第一時間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場的特殊問題。

(3)AR功能

關聯(lián)設備臺賬信息,通過頭盔采集的設備銘牌、標識牌信息進行后臺算法分析,設備信息以文本方式顯示于AR眼鏡上,可以直觀地了解設備基本情況及歷史缺陷等。

(4)行為識別功能

可通過證件照及人臉識別判斷目標資質,將判斷結果進行語音播報或通過AR眼鏡顯示?？赏ㄟ^智能頭盔攝像頭識別作業(yè)人員是否佩戴安全帽,是否穿工作服,是否攀高以及判斷是否跌落,識別結果可通過后臺進行告警以及語音播報。智能頭盔可實現(xiàn)語音指令輸入,可進行語音—文本相互轉換操作,實現(xiàn)表單業(yè)務語音錄入功能,可結合電子圍欄進行隱患推送,當作業(yè)人員靠近危險區(qū)域時,頭盔進行語音播報提醒。

(5)現(xiàn)場記錄

智能頭盔內置16 G至64 G內存,支持T-Flash卡擴展(最大支持128 G)。智能頭盔本地可保持現(xiàn)場的記錄包含錄像、錄音、拍照、對講記錄、電話記錄、模塊運行記錄、電池電量記錄、流量記錄、警報信息記錄、硬件狀態(tài)信息等。

(6)定位功能

智能頭盔可實現(xiàn)室內外精確定位,同時支持GPS定位和北斗定位,支持擴展室內采用UWB定位技術誤差可控制在厘米級別。UWB人員定位拓撲如圖3所示。位置感知層通過空間基站和頭盔中的定位標簽確定現(xiàn)場人員的實時位置,網絡傳輸層將測得的現(xiàn)場人員實時位置傳輸至應用層,將位置在顯示屏上實時顯示。

圖3 UWB人員定位拓撲圖

4 UWB定位技術研究測試

4.1 定位設備設計

對UWB室內定位技術方案進行研究測試,包含定位模塊集成、室內地圖測繪、基站部署和電子圍欄。

(1)定位模塊集成

定位模塊集成是指將定位芯片集成到頭盔,主要考慮到核心板結構更改,外觀結構設計,以及定位天線與原有4G、wifi、gps等天線是否有干擾。采用實時定位測距功能的無線傳輸模塊dwm1000,定位的原理為通過標簽發(fā)送和接收到時間差來確定空間基站到現(xiàn)場人員智能頭盔上標簽之間的距離。dwm1000模塊功耗低,接口為slave-only模式的spi接口,無線收發(fā)模塊為cmos大規(guī)模集成電路單芯片usb模塊。dwm1000模塊的結構如圖4所示。芯片內部包含模擬接收器,模擬發(fā)射器,狀態(tài)控制器等。Dw1000與外接天線構成了完整的dwm1000模塊。單片機作為通訊主機起著提供串行時鐘信號的作用。Cs作為片選信號,當存在多個spi時可以在通訊設備中進行挑選。Miso用于發(fā)送需要傳輸?shù)男盘?plo定義總線空閑電平的數(shù)值,pha用于確定在不同時鐘邊沿觸發(fā)的點。

圖4 dwm1000模塊結構

(2)室內地圖測繪

室內地圖的測繪,包含室內地圖的繪制與測量,室內地圖的繪制,使用普通平面圖即可,繪制完之后,需要使用激光測距儀[21]等尺寸測量工具,校準平面圖的精度,這個精度最終會影響室內定位的效果呈現(xiàn)。試驗地圖及基站標注如圖5所示。

圖5 試驗地圖及基站標注示意圖

(3)基站部署

通過室內平面圖,選擇基站最佳部署位置,充分了考慮室內環(huán)境(混凝土墻、障礙物等因素),根據(jù)環(huán)境調整基站位置,確定好基站位置之后,進行基站的安裝,同時測量基站的位置,將基站的坐標存入數(shù)據(jù)庫。基站坐標配置如表2所示。

表2 基站坐標配置

定位系統(tǒng)參數(shù)配置如圖6所示。參數(shù)主要包含基站的通用配置,靜態(tài)IP配置等,一方面,檢測基站的狀態(tài);另一方面,配置好數(shù)據(jù)傳輸通道。

圖6 定位系統(tǒng)參數(shù)配置圖

定位數(shù)據(jù)的傳送,通過udp或者tcp協(xié)議,具體數(shù)據(jù)字段如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)字段描述

(4)電子圍欄

電子圍欄功能如圖7所示。在室內地圖上圈定范圍,借助定位引擎返回的坐標,與電子圍欄范圍進行比較,不斷計算目標是否落入該范圍,只要落入該范圍則進行告警。

4.2 實際應用

為了檢驗所設計基于UWB定位技術的作業(yè)風險管控智能終端設備室內定位的準確性。選擇了兩個實驗人員佩戴智能頭盔在搭建的作業(yè)現(xiàn)場,如圖8所示。圖中紅色的三角標記為實驗人員的位置。從圖中可以看到兩個實驗人員的實時位置坐標,經過驗證,誤差率保證在厘米級別。

圖8 室內定位示意圖

5 結束語

文中重點研究智穿戴設備在電網現(xiàn)場作業(yè)風險管理中的應用,探索新型的現(xiàn)場風險管理可能性,融入現(xiàn)代科技,輔助現(xiàn)場管理人員開展安全作業(yè)管理。主要研究成果如下：

(1)對比了不同定位技術之間的性能,介紹了UWB在現(xiàn)場定位技術中的應用原理;

(2)設計了智能頭盔,實現(xiàn)現(xiàn)場工作人員定位、視頻采集、AR眼鏡、多種功能模塊,包括拍照、錄像、照明、對講、實時視頻等功能;

(3)對UWB室內定位技術方案進行研究測試,包含定位模塊集成、室內地圖測繪、基站部署和電子圍欄。