高思琪，孫建平

（華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

當(dāng)前電力生產(chǎn)中，發(fā)生人身傷亡事故的情況仍舊很多。2006年全國發(fā)生電力人身死亡事件48起，死亡人數(shù)達(dá)到106人[1]。2017年，全國發(fā)生電力人身傷亡事件53起，死亡人數(shù)達(dá)到62人。可以看出，過去10多年，全國電力安全生產(chǎn)人身死亡事故的情況雖有減少，但仍然很高，安全管理的問題沒有得到根本解決。如果通過主動、實時的安全提醒、預(yù)防和控制，建立全廠智能化本質(zhì)安全防控體系，就可避免人身傷亡事故的發(fā)生。

電力生產(chǎn)現(xiàn)場非常特殊，電廠范圍大，設(shè)備眾多，管線復(fù)雜，需要管理和維護(hù)的設(shè)備眾多。而保證電廠工作人員按照指定的規(guī)則巡檢這些設(shè)備，防止工作人員進(jìn)入危險區(qū)域，以及了解廠區(qū)工作人員的狀況，是電廠管理者急需解決的問題。其中，獲取人員的實時位置是電廠管理中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。例如，在人員管理中，通過獲取人員的位置，判斷該員工的工作狀態(tài)，了解關(guān)鍵崗位、安全相關(guān)崗位人員是否及時到崗，是否擅自離崗；通過記錄員工的運動軌跡，可以判斷員工是否巡更了設(shè)備；通過劃定危險區(qū)域電子圍欄，可以及時對進(jìn)入或接近危險區(qū)域內(nèi)的人員及時預(yù)警等。

圖1 前向測距過程Fig.1 Forward ranging process

超寬帶（UWB）技術(shù)是近年來新興的一種高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，其傳輸速度，最高可達(dá)1000Mbps以上。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢，正是這些優(yōu)點，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果，精度達(dá)到10cm級、一般遮擋30cm；它利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈、沖傳輸數(shù)據(jù)。不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射[2]。超帶寬信號的輻射非常低，其電磁波輻射通常只有手機輻射的千分之一，對人體的影響也會很小，低于WIFI。因此，在工業(yè)上應(yīng)用時，其不存在對其他儀器儀表的干擾問題，故可以大量應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的特殊實時定位需求。

本文是基于UWB定位技術(shù)所研究的電廠安全主動系統(tǒng)所應(yīng)用的定位系統(tǒng)，以室內(nèi)定位建立一個小范圍預(yù)測模型，并通過在水電廠的仿真結(jié)果證明其實效性。通過在電廠三維模型中，應(yīng)用高精度定位技術(shù)、無線通訊技術(shù)，結(jié)合視頻、門禁的聯(lián)動控制，集成設(shè)備臺賬、實時數(shù)據(jù)、工單、兩票、巡點檢等一系列設(shè)備運行和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，建設(shè)一個與電廠真實生產(chǎn)場景完全一致的虛擬空間，即信息物理融合系統(tǒng)（CPS）。在信息物理融合系統(tǒng)中建立主動安全數(shù)據(jù)庫，將人員任務(wù)與主動安全數(shù)據(jù)庫對接，在人、機、料、法、環(huán)5個維度對人員的生產(chǎn)作業(yè)的全過程進(jìn)行主動安全監(jiān)控，實現(xiàn)本質(zhì)安全管理。

1 UWB（超寬帶）定位技術(shù)

1.1 UWB定位技術(shù)原理

圖2 TDOA定位原理Fig.2 TDOA Positioning principle

超寬帶（UWB）技術(shù)，采用TOF算法和TDOA算法相結(jié)合，基于TOF測距的無線定位系統(tǒng)采用的處理策略是分布式定位。這種定位算法是在本地移動節(jié)點中實現(xiàn)的，結(jié)束運算后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)把定位結(jié)果發(fā)送到主控節(jié)點；定位測距是采取基于傳輸時間特性的TOF測距機制。TDOA測距是依據(jù)雙曲線的定位原理，測得定位目標(biāo)的UWB信號同時到達(dá)兩個接收機的時間差，時間差乘以光速就可獲得距離差[3]。因為到達(dá)兩個定點的距離差為定值的軌跡是雙曲線，根據(jù)兩個或者多個雙曲線的交點，可以求得待定位點的目標(biāo)位置。

1.2 TOF測距

TOF測距機制采用類似于到達(dá)時間TOA傳輸時間差測距方法，距離測量是使用雙向通訊時間，傳輸時間測量機制是很精準(zhǔn)的。TOF測距可以實現(xiàn)前向和反向兩個方向的測距，在前向測距中，測距的主動節(jié)點是本地節(jié)點，在此系統(tǒng)中為移動節(jié)點。由本地節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，此系統(tǒng)中的定位錨點也就是遠(yuǎn)程節(jié)點，接收數(shù)據(jù)包馬上進(jìn)行自動響應(yīng)[4]；反向測距的主動節(jié)點是遠(yuǎn)程節(jié)點，由本地節(jié)點進(jìn)行通知，遠(yuǎn)程節(jié)點采取測距操作，再由遠(yuǎn)程節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點接收數(shù)據(jù)包再立刻進(jìn)行自動響應(yīng)[5]。如圖1所示，該圖是前向測距的進(jìn)行過程，本地節(jié)點發(fā)送測距請求，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包被遠(yuǎn)程節(jié)點接收后，對響應(yīng)幀進(jìn)行回復(fù)。

在此進(jìn)行過程中，數(shù)據(jù)幀和回復(fù)幀的發(fā)送或者接收的時刻被本地節(jié)點、遠(yuǎn)程節(jié)點記錄，然后獲取兩個時間差TTOT與TTAT。

無線電波在空氣中的單向傳輸時間如公式（1）所示：

兩節(jié)點間的距離如公式（2）所示：

1.3 TDOA定位

TDOA是指信號到達(dá)時間差，某個標(biāo)簽節(jié)點發(fā)送無線信號，利用到達(dá)不同定位基站的時間差，可以計算出標(biāo)簽節(jié)點與各個定位基站之間的距離差（通過無線信號的傳播速度）。得到的距離差符合雙曲線方程的條件，標(biāo)簽節(jié)點就在雙曲線的一個分支上，可以直接求得待定位點的目標(biāo)位置（通過利用兩個或者多個雙曲線的交點）[6]，如圖2所示。

2 UWB（超寬帶）定位技術(shù)在電廠主動安全創(chuàng)新中的應(yīng)用

2.1 在電廠安全中的應(yīng)用

行為安全通過多種在生產(chǎn)區(qū)域布置的技術(shù)裝置，對現(xiàn)場人員的工作進(jìn)行輔助、監(jiān)督與防護(hù)，通過技術(shù)手段將規(guī)章制度落實到生產(chǎn)現(xiàn)場，減少現(xiàn)場安全違章和傷亡事故[7]。人員定位技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、隧洞施工等領(lǐng)域，在電力、石化等工業(yè)行業(yè)也有試點應(yīng)用。其硬件技術(shù)目前相對成熟，技術(shù)路線主要有GPS、WIFI、UWB等，GPS、WIFI定位精度不高，其中WIFI定位可作為現(xiàn)場無線通訊的附加功能以較低成本實現(xiàn)一定功能，除此以外，GPS技術(shù)路線并不適用于工業(yè)場合。UWB技術(shù)安全可靠、定位精度高（厘米級）、成本可控，較適用于電力等工業(yè)場景，UWB也是目前礦業(yè)人員定位的主流技術(shù)路線[8]。

該項技術(shù)的應(yīng)用核心在于在發(fā)電行業(yè)中的具體應(yīng)用功能，目前主要總結(jié)如下：

1）人員考勤及人員進(jìn)出生產(chǎn)區(qū)管理。

2）人員實時定位與軌跡管理。

2.2 關(guān)鍵模塊功能設(shè)計

2.2.1 關(guān)于基站設(shè)計

1）無線發(fā)射芯片：DW1000，設(shè)計通訊距離 300m～500m

2）CPU： STM32L051單片機（低功耗）為主控芯片。通過SPI，讀寫DW1000模塊[9]。

3）UWB通訊距離（無遮擋）：＞300m

4）穩(wěn)定有效覆蓋半徑：150m～300m

5）定位精確度誤差（空曠/復(fù)雜）：＜10m～30cm

6）支持遠(yuǎn)程固件升級：基站安裝位置比較高，施工調(diào)試需及時方便，需遠(yuǎn)程升級及參數(shù)設(shè)置。

7）基站間通訊：視現(xiàn)場環(huán)境，可選擇POE交換機網(wǎng)絡(luò)或者WIFI環(huán)境，考慮不依賴性通訊設(shè)計，自組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

8）為組網(wǎng)方便，支持WIFI接入。

9）WIFI模塊采用MXCHIP EMW3162。內(nèi)置高性能低功耗Cortex-M3微控制器、128KB RAM + 1MB Flash[10]?？梢岳肕iCO的 TCP/IP協(xié)議棧、多種安全加密算法來實現(xiàn)各種嵌入式Wi-Fi，內(nèi)置WIFI瘦AP。

2.2.2 關(guān)于標(biāo)簽設(shè)計

1）主控制器：TI-CC2640(STM32L051)。支持藍(lán)牙，全區(qū)域覆蓋性定位中針對小辦公區(qū)域環(huán)境的存在性檢測需求，增加擴(kuò)展性，支持多種基站并存情況下的低成本應(yīng)用[11]。

2）廣播數(shù)據(jù)報：可設(shè)定時間間隔發(fā)送廣播數(shù)據(jù)報，兩幀數(shù)據(jù)報作為完整廣播數(shù)據(jù)報文分析。

3）有源低功耗設(shè)計：鋰電池1000mah，預(yù)計工作30天。

4）內(nèi)置十軸傳感器：監(jiān)測人員、設(shè)備姿態(tài)；支持人員、設(shè)備的安全性監(jiān)測，針對單基站模式，提供運動方向角，作為計算中參考使用。

圖3 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)Fig.3 Wired network transmission architecture

5）緊急報警按鈕：雙鍵按鈕，緊急情況下通過按紐向監(jiān)控中心報送[12]。

6）天線：陶瓷板載天線。

2.2.3 關(guān)于定位模式設(shè)計

1）依據(jù)不同現(xiàn)場環(huán)境，支持單基站、雙基站、多基站定位實時精確定位。

2）支持TOF、TDOA混合實時精確定位計算。

3）支持低成本存在性實時定位監(jiān)測。

3 利用定位技術(shù)可在電廠主動安全通訊應(yīng)用中達(dá)成效果

3.1 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)

定位基站通過POE交換機進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，將二者合二為一。如圖3所示。

3.2 應(yīng)用實例

對核島建設(shè)現(xiàn)場安放一定數(shù)量的定位基站，對現(xiàn)場3000多名作業(yè)人員實行精確定位，對施工現(xiàn)場人員數(shù)量、人員位置完成了實時監(jiān)控。考勤報表如圖4所示。

軟件可以顯示人員的實時位置，有平面和列表兩個方式，有助于管理者對人員狀態(tài)的了解[13]，在統(tǒng)計人數(shù)時可分區(qū)域。如圖5所示。

軟件對員工的運動軌跡會自動保存，管理者可以查看員工在某一時間段的運動軌跡，并查找姓名或工號。如圖6所示。

系統(tǒng)通過軟件可以設(shè)定或者刪除電子圍欄，可以通過設(shè)置員工的進(jìn)入權(quán)限和安全距離達(dá)成電子圍欄功能。如圖7、圖8所示。

員工如果遇到緊急突發(fā)情況，通過長按卡上面的“呼救”按鈕，可以立刻發(fā)送求救命令；現(xiàn)場發(fā)生災(zāi)情時，管理人員可立即發(fā)出指令撤離并選定撤離區(qū)域，軟件會向在該區(qū)域的員工發(fā)出撤離命令。如圖9所示。

圖4 核島建設(shè)現(xiàn)場的考勤報表Fig.4 Attendance report on the nuclear island construction site

圖5 人員實時位置圖Fig.5 Real-time location map

圖6 員工實時運動軌跡圖Fig.6 Employee real-time motion trajectory

圖7 電子圍欄示意圖Fig.7 Electronic fence diagram

圖8 報警界面Fig.8 Alarm interface

圖9 撤離區(qū)域顯示圖Fig.9 Evacuation area display

4 結(jié)論

利用UWB定位技術(shù)，實現(xiàn)了人員在室內(nèi)、地下通道、地下廠房等處更精確的實時定位功能，解決了GPS在室內(nèi)或環(huán)境復(fù)雜地方不能工作的問題。定位系統(tǒng)的功能包括實時監(jiān)控、事件告警等[14]。針對電廠夜間值班人員少，工作強度大的特點，設(shè)計了符合電站特點的無線定位系統(tǒng)，實時監(jiān)控人員動態(tài)。基于UWB定位技術(shù)繼續(xù)深層次研究，擴(kuò)大功能實現(xiàn)，將可以實現(xiàn)實時Wi-Fi人員定位、設(shè)定Wi-Fi無線巡檢、實時Wi-Fi語音調(diào)度3大功能，非常適合電廠的現(xiàn)場特點、工作環(huán)境和運行管理需求[15]。在電廠實現(xiàn)高效智能人員定位管理、無線巡檢、語音調(diào)度等方面具有新的突破?？蔀榻窈笤诎l(fā)電廠全部區(qū)域內(nèi)搭建基于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的無線人員定位、無線人員巡檢、無線語音調(diào)度的綜合平臺提供技術(shù)支撐，為電廠完善管理手段、主動防范事故、提升安全管理水平創(chuàng)造有利條件，將為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。