基于物聯(lián)網(wǎng)技術的位置安全預警平臺

摘 要：為保障施工現(xiàn)場人員和車輛的安全生產(chǎn)，避免其進入風險作業(yè)區(qū)域，提出了一套位置安全預警策略，并開發(fā)了相應的物聯(lián)網(wǎng)平臺。針對GPS信號，研究了基于滑動均值的濾波方式對定位數(shù)據(jù)進行去噪，通過PNPoly算法判斷去噪后的定位數(shù)據(jù)是否在劃定的判斷區(qū)域內(nèi)，并給出對應的報警提示。采用Vue+SpringBoot前后端分離架構(gòu)進行物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)，設計對應人員、車輛、定位設備的信息管理模塊、新增模塊，確保了各種基本信息的統(tǒng)一有序管理。將高德地圖導入前端界面，確保數(shù)據(jù)可視化的同時，更加真實地呈現(xiàn)了人員和車輛的定位信息。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)平臺；GPS定位；安全預警；滑動均值濾波算法；PNPoly算法；Vue+SpringBoot前后端分離架構(gòu)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-05

0 引 言

現(xiàn)場人員的安全管理一直是各類施工場景中都會面對的重大問題，如污染場地修復作業(yè)中如何避免人員進入有毒污染區(qū)域[1]，地下煤礦、地鐵施工現(xiàn)場如何保證人員在無塌方風險區(qū)域工作[2-3]，建筑工地如何保證人員遠離大型機械設備作業(yè)的危險區(qū)域[4]，等等。隨著工作環(huán)境越來越復雜、工作區(qū)域中不確定的危險因素越來越多，如何有效預防工作中因環(huán)境因素造成的人員傷亡，成為目前亟待解決的問題。

根據(jù)特定的工作場景制定符合實際情況的安全預警方案，可以有效預防并減少人員在工作中受到的傷害?，F(xiàn)如今，很多學者基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS）提供的位置信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術，通過判斷人員與劃定的安全危險區(qū)域的位置關系，給出對應的報警提示，減少了事故的發(fā)生。文獻[3]結(jié)合BIM（建筑信息模型）技術與GPS定位技術對人員的危險行為進行報警。文獻[4]提出了一種工地報警系統(tǒng)，通過PNPoly算法判斷人員是否處于危險區(qū)域，若有工人進入危險區(qū)域，則觸發(fā)報警系統(tǒng)。文獻[5]設計了一種基于GPS坐標的人員安全預警方案，利用射線法和向量叉乘，由人員的GPS坐標判斷人員是否處在或者即將處于所劃定的電子圍欄中，并對符合此情況的人員發(fā)出預警。文獻[6]提出了一種基于GPS的智能調(diào)度及安全預警管理系統(tǒng)，針對無故進入危險區(qū)域的車輛，系統(tǒng)會給出報警信號。將物聯(lián)網(wǎng)技術和GPS定位技術相結(jié)合，可以有效降低現(xiàn)場施工人員的傷亡率。然而，由于設備精度不足、定位方式不正確、衛(wèi)星信號不穩(wěn)定、缺少數(shù)據(jù)修正偏差系統(tǒng)等，GPS定位容易出現(xiàn)跳變。GPS數(shù)據(jù)跳變會造成誤報警的現(xiàn)象，這是在設計涉及位置安全監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)平臺時不可忽視的問題。

本文針對人員在劃定區(qū)域工作時的安全問題，結(jié)合GPS定位技術，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的位置安全預警系統(tǒng)。引入位置信息濾波算法，提高GPS定位數(shù)據(jù)的可靠性，降低誤報警和延遲報警的發(fā)生率。通過制定位置安全預警策略，提高處于工作區(qū)域人員的安全保障系數(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺，集中管理人員與設備的數(shù)據(jù)信息，并及時傳達相關報警指令。

1 位置安全預警策略

本文分別劃定了整體的工作區(qū)域以及人員和車輛各自的工作區(qū)域。要精準定位人員及車輛與劃定工作區(qū)域的位置關系，保障人員的生命安全，需要有先決的硬件條件。本文面向人員和車輛，準備了2種硬件設備：智能手環(huán)，車載GPS。方便后續(xù)統(tǒng)一管理佩戴手環(huán)的工作人員以及安裝GPS的車輛。

合理的位置安全預警策略可以提高人員的安全保障系數(shù)。圖1是本文擬定的位置安全預警策略。該預警策略結(jié)合位置信息濾波算法和PNPoly算法，判斷人員、車輛和劃定工作區(qū)域的位置關系，對符合報警情況的人員和車輛予以報警提示，具體過程如下：

（1）實時獲取人員手環(huán)、車載GPS的位置信息。

（2）對獲取到的位置信息進行濾波處理。

（3）利用PNPoly算法，基于濾波后的位置信息，判斷人員/車輛是否在工作區(qū)域內(nèi)。如果不在，設備會報警；如果在，則迭代循環(huán)，往復判斷。

為了實現(xiàn)工作區(qū)域的劃分、佩戴手環(huán)人員的管理、安裝車載GPS車輛的管理等功能，在物聯(lián)網(wǎng)平臺中開發(fā)了對應的功能模塊。除此之外，將位置信息濾波算法以及PNPoly算法模塊嵌入到物聯(lián)網(wǎng)平臺中，可以確保平臺及時發(fā)送報警指令。

2 物聯(lián)網(wǎng)平臺

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能

為實現(xiàn)對工作區(qū)域中人員和車輛的有序管理、對人員和車輛位置的精準定位、向處于各自工作區(qū)域外的人員和車輛發(fā)送報警信息等功能，本文設計了位置安全預警物聯(lián)網(wǎng)平臺，其整體架構(gòu)分為3層：感知層、網(wǎng)絡層、應用層。位置安全預警物聯(lián)網(wǎng)平臺的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

感知層包含人員手環(huán)和車載GPS感知終端設備，規(guī)定TCP/IP協(xié)議為感知層與網(wǎng)絡層之間的通信協(xié)議。網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)處理中心可以解析傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并將其存儲至數(shù)據(jù)庫中。圍繞目標需求，基于感知層的數(shù)據(jù)，在應用層對數(shù)據(jù)進行處理分析，開發(fā)了項目管理、項目人員監(jiān)測、運輸車輛管理、設置4個功能模塊，每個功能模塊又包含許多子功能模塊。本文設計的位置安全預警策略的實現(xiàn)依托物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)，在應用層的項目人員監(jiān)測模塊和車輛運輸管理模塊中開發(fā)對應子模塊，將位置信息濾波算法和PNPoly算法嵌入其中。網(wǎng)絡層會對應用層判斷出的位置信息進行處理分析，最后將報警信息及時傳遞到感知層的設備上。平臺整體的功能架構(gòu)如圖3所示。

本文重點實現(xiàn)利用物聯(lián)網(wǎng)平臺對處于各自工作區(qū)域外的人員和車輛進行報警提示。精準的位置報警需要2個功能模塊支撐：對GPS位置信息進行濾波；利用PNPoly算法判斷人員、車輛與各自工作區(qū)域的位置關系。

2.2 GPS位置信息濾波

GPS定位易出現(xiàn)跳變。其中存在的設備精度、定位方式、衛(wèi)星信號等方面的問題可以通過提高設備成本、建設地面基站等方式解決。但是，糾偏預測需要引入濾波算法才能有效解決[7]。滑動均值濾波算法，又稱滑動窗口濾波算法，可以有效去除信號中的噪聲，提高信號質(zhì)量。基本思想為：一個數(shù)的取值由當前點及其鄰域內(nèi)點的平均值替代[8]。本文采用滑動均值濾波算法，針對二維坐標點，對x（橫坐標）和y（縱坐標）單獨進行濾波。GPS位置信息濾波的流程如圖4所示。

本文根據(jù)實際GPS設備噪聲等級進行了濾波效果仿真實驗。擬定采樣數(shù)據(jù)為110個，以經(jīng)緯度坐標[39°3' 36''，117°7' 44'']為基準點，在秒位置上下分別增大和減少2''，以4個頂點圍成的區(qū)域作為生成隨機數(shù)的范圍。擬定滑動窗口大小為N，采樣的前N個位置點不參與濾波計算，在第N+1個位置點開始進行濾波處理。本文對位置點的x、y坐標單獨進行濾波，然后計算坐標點與參考點之間的差值，并去掉差值中最大值和最小值對應坐標點的x、y值，計算剩余數(shù)據(jù)的均值后將其輸出作為當前位置點的濾波結(jié)果。本文選取N=10和N=14的滑動窗口進行濾波計算。通過計算位置點的離散程度，對比濾波前后數(shù)據(jù)的定位精度和不同窗口大小對定位精度的影響。N=10時，原始位置點的散點圖如圖5所示，濾波后位置點的散點圖如圖6所示；N=14時，濾波后位置點的散點圖如圖7所示。

根據(jù)圖5～圖7的散點圖可得，N=14時的滑動窗口濾波效果比N=10時的效果好。為了更好地驗證結(jié)果的準確性，選取每組數(shù)據(jù)的參考點，計算每個位置點到參考點的距離，進而計算距離的標準差，標準差越小，位置點的離散程度越小。經(jīng)過計算，N=10的滑動窗口濾波前數(shù)據(jù)的標準差為б=0.000 160 9，濾波后數(shù)據(jù)的標準差為б= 0.000 077 9。N=14的滑動窗口濾波后的標準差為б=0.000 062 9?；谒脴藴什睿梢则炞C散點圖直觀反映的結(jié)論：N越大，濾波效果越好，點的離散程度越小。

2.3 位置區(qū)域判定及報警

通過本文的平臺對工作人員和車輛進行位置判定，對處于工作區(qū)域外的人員和車輛給予報警提示。本文的工作區(qū)域劃定以2.2節(jié)提到的位置點為基礎，在秒位置上下分別增加和減少4''，4個頂點圍成的區(qū)域即為工作區(qū)域。為了避免因誤差或其他不確定因素導致延遲報警現(xiàn)象的出現(xiàn)，判斷區(qū)域?qū)⒃谠脊ぷ鲄^(qū)域基礎上，在秒位置減少2''，以4個頂點圍成的新區(qū)域作為判斷區(qū)域；且本文規(guī)定，給定目標點在劃定的判斷區(qū)域的頂點或者邊界都視為在判斷區(qū)域內(nèi)。PNPoly算法可以通過判斷目標位置點與給定多邊形的位置關系，判定目標點是否在判斷區(qū)域內(nèi)[9]。PNPoly算法的原理：從一個目標點引出一條射線，若射線與多邊形的交點個數(shù)為奇數(shù)，判定目標點在多邊形內(nèi)部，反之，判定目標點在多邊形外部[10]。PNPoly算法的偽代碼如下：

1：method isPointInPolygon（polygon， point）：

2：path = createPath（polygon）

3：return path.contains（point）

4：method createPath（polygon）：

5：path = Path（）

6：for vertex in polygon：

7：path.lineTo（vertex.x， vertex.y）

8：path.closePath（）

9：return path

3 平臺設計開發(fā)

本文采用Vue+SpringBoot前后端分離架構(gòu)進行物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)。設計了項目管理、項目人員監(jiān)測、運輸車輛管理、設置4個模塊，每個模塊又包含許多具有專門功能的子模塊。借助物聯(lián)網(wǎng)平臺，不僅可以實現(xiàn)對進入工作區(qū)域的人員和車輛以及對應佩戴的GPS定位設備的統(tǒng)一管理，還可以依據(jù)實際工況，增加相應的人員、車輛、定位設備以及工作區(qū)域的信息。此外，本文將高德地圖引入到HTML網(wǎng)頁中，直觀展示了定位情況。

3.1 信息管理模塊

圖8所示為人員信息管理模塊。依據(jù)此模塊，可以得到人員姓名、所屬項目和單位名稱、性別、聯(lián)系方式以及所處崗位等信息。操作欄中設計了修改和刪除功能，針對單條信息可以對其進行修改和刪除。通過下拉框的內(nèi)容，可以搜索指定的人員信息。

圖9所示為車輛信息管理模塊。從該模塊中，可以得到工作車輛的車牌號、項目單位和名稱、作業(yè)類型、載重量、司機電話以及車輛參加工作的起始和結(jié)束時間。同樣也可以根據(jù)實際工況，對單輛車的信息進行修改和刪除。根據(jù)下拉框的指定選項，可以搜索車輛的具體信息。

圖10、圖11所示分別為人員和車輛佩戴的GPS定位設備信息管理模塊。2個定位設備管理信息基本相同，可以顯示定位設備的ID編號、設備名稱、是否啟用的狀態(tài)，可以通過修改和刪除功能對單條信息進行修改。不同點是車輛定位設備多顯示了一個所處時區(qū)的信息。

3.2 新增功能模塊

針對項目中進出的人員、車輛以及佩戴的定位設備的不固定性，本文將新增功能封裝成為一個模塊，方便管理人員添加新員工、車輛和定位設備信息。圖12所示為增加人員信息的界面，圖13所示為增加車輛信息的界面，圖14所示為增加人員定位設備信息的界面。增加的信息需與人員、車輛、定位設備信息管理模塊中的信息一致。

3.3 定位信息展示模塊

通過JS將高德地圖引入到HTML網(wǎng)頁中，可以更真實地展示人員、車輛的位置信息和路線以及對應運動軌跡。本文中人員、車輛的定位設備均為GPS定位系統(tǒng)，GPS定位所在坐標系是WGS國際通用地心坐標系。然而，高德地圖主要使用的是GCJ坐標系。因此，將GPS的定位數(shù)據(jù)在高德地圖上準確顯示需要進行坐標系的轉(zhuǎn)換，否則會出現(xiàn)誤差。圖15所示為未進行坐標系轉(zhuǎn)換的車輛運動軌跡，圖16所示為轉(zhuǎn)換坐標系之后的車輛運動軌跡。

對于定位到的人員和車輛信息，單擊圖標可以顯示設備傳輸?shù)木唧w數(shù)據(jù)，圖17所示為人員定位信息的展示，圖18所示為車輛定位信息的展示。

采用高德地圖的標記區(qū)域功能，可以直觀地呈現(xiàn)劃定的工作區(qū)域與判斷區(qū)域。圖19所示為本文劃定的工作區(qū)域。其中外圍區(qū)域是正常的工作區(qū)域。為了對有出工作區(qū)域邊界傾向的人員和車輛及時給予報警提示，在劃定的工作區(qū)域基礎上，縮小一定的范圍作為報警提示的判斷區(qū)域，避免因誤差導致的人員已出工作區(qū)域但設備未報警現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié) 語

針對管理人員、車輛在施工現(xiàn)場劃定的工作區(qū)域安全生產(chǎn)的需求，本文提出了一種位置安全預警策略，并開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)平臺。首先，通過定制的滑動均值濾波算法對GPS定位信號進行了去噪。其次，通過PNPoly算法判斷GPS設備是否在劃定的判斷區(qū)域內(nèi)，對于越界的設備，平臺將及時發(fā)送報警信息。此外，在物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)的各個信息管理模塊、新增功能模塊，可以幫助管理人員進行基本信息的查看、修改、刪除和新增等操作。同時，將高德地圖導入到前端界面，實現(xiàn)人員、車輛在某一時刻的定位信息的直觀展示。

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作者簡介：史勝男（1999—），女，碩士，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、機器學習、氣固兩相流仿真建模。

劉 斌（1983—），男，博士，教授，研究方向為人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術。

收稿日期：2023-11-07 修回日期：2023-12-05

基金項目：天津市“項目+團隊”重點培養(yǎng)專項（XC202054）；天津市互聯(lián)網(wǎng)跨界融合創(chuàng)新科技重大專項項目（18ZXRHSF00240）；天津市科技支撐計劃項目（22YFZCSN00220）