史雷冰 郝建樓
(華電忻州廣宇煤電有限公司,山西忻州034000)
電力生產現(xiàn)場非常特殊,電廠范圍大,設備眾多,管線復雜,需要管理和維護的設備眾多。而保證電廠工作人員按照指定的規(guī)則巡檢這些設備,防止工作人員進入危險區(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,獲取人員實時位置是電廠管理中的關鍵環(huán)節(jié)[1]。
隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展,越來越多的新技術和新產品被運用到火力發(fā)電廠運行和管理中,火力發(fā)電廠的自動化水平和運行管理水平隨之提高[2]。人員定位作為-種日益成熟的定位技術,已經走出試驗室,被越來越廣泛地應用到各行各業(yè)。超寬帶(UWB)定位技術是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術有極大差異的新技術,它具有吉赫茲量級的帶寬,因此穿透力強、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低[3]、定位精度可達厘米級,應用前景廣闊[4]。
發(fā)電廠廠內轉動機械多,干擾大,設備數(shù)量多,遮擋嚴重,安全要求高,即使在當前嚴格的發(fā)電廠生產管理制度的管理下,每年也會發(fā)生很多人身安全事故??梢?,在發(fā)電廠采用人員定位技術加強電廠人員的安全管理還是有必要的。
人員定位系統(tǒng)主要由人員攜帶的定位標簽、接收信息的定位基站、傳輸和供電的網線及POE交換機、上位機及定位軟件等組成,系統(tǒng)總體框架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框架圖
定位標簽和定位基站是系統(tǒng)最重要的設備。定位標簽用于尋找定位基站和發(fā)射UWB無線脈沖定位信號;定位基站分為主定位基站和從定位基站,主基站用于定位標簽搜索、切換基站搜索/UWB等多工作模式、主基站和從基站的同步、接收無線脈沖UWB定位信號、定位信息數(shù)據(jù)上傳等,普通基站只具有被動同步、接收無線脈沖UWB定位信號、定位信息數(shù)據(jù)上傳的功能。定位基站將接收到的定位信號通過網線和POE交換機上傳到上位機,置于上位機的定位軟件,將不同基站的定位信息解碼,進而通過定位算法,依據(jù)解碼后的原始定位信息計算出移動目標——標簽的具體定位結果。
TDOA定位類似TOA,但是TDOA不像TOA那樣對目標與微機站之間有嚴格的時鐘同步,因此得到了廣泛應用。TDOA定位通過計算時間差的原理進行定位,最能突出UWB信號時間分辨率高的優(yōu)點?;诘竭_時間差,TDOA定位算法的實現(xiàn)過程主要分為三步:一是根據(jù)時延估量標簽發(fā)送UWB信號到達基站的測量值T;二是根據(jù)TDOA計算距離d然后聯(lián)立方程組;三是采取球體定位方法計算待定位標簽的位置[5]。
本系統(tǒng)采用少基站幾何定位TDOA算法。以二維定位為例,令(x0,y0)為需要定位的標簽的坐標,(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)分別為三個基站的坐標。d10、d20、d30為各基站與標簽的距離,根據(jù)以上定義,可以得到如下基本關系公式:
后面的方程減去前面的方程,并且令d21、d31為到達時間差,則d21=d20-d10,d31=d30-d10,進而得到以下關系:
式中:d21、d31為標簽信號達三個基站的時間差,可由標簽—定位測量獲得實際數(shù)據(jù)。
若進行如下定義:
將此式代入公式(1),則得到關于d1的一元二次方程式,然后通過求解關于d1的一元二次方程,獲得d1的數(shù)值,再將d1代入式(11),則獲得定位的結果。因一元二次方程式有兩個結果,選擇相對誤差偏小的結果,從而獲得定位標簽的具體定位。
圖2是在發(fā)電廠汽機房進行定位測驗的結果。
圖2 幾何TDOA算法定位結果
圖中的方格間距為1 m,用于測量定位結果的誤差;“A”樣的標志為基站;疊加在底圖的曲線為標簽移動時產生的軌跡線。由定位結果可知,少基站幾何定位TDOA算法結果波動較小,定位誤差波動程度小,可作為人員定位算法的基礎。
本系統(tǒng)通過融合應用多種無線通信和傳感技術,實現(xiàn)電廠中人員、設備、環(huán)境的全過程、多維度狀態(tài)感知、態(tài)勢分析和實時管控。其功能如下:
系統(tǒng)可通過平面、立體和列表三種視圖方式實時顯示現(xiàn)場作業(yè)人員(標簽)的實時位置,方便管理者隨時了解現(xiàn)場作業(yè)人員實時狀態(tài),可以分區(qū)域統(tǒng)計人數(shù)。
系統(tǒng)會自動保存現(xiàn)場作業(yè)人員的運動軌跡,管理者可以通過姓名或者卡號查看現(xiàn)場作業(yè)人員在某個時間段內的運動軌跡,運動軌跡數(shù)據(jù)保存時長(自動保存多少天的數(shù)據(jù))可根據(jù)客戶需求定制。
系統(tǒng)可自動生成某個時間段的考勤報表,通過姓名和卡號可以進行查詢,導出個人的考勤記錄;可以通過圖表的方式直觀查看出勤率和出勤人數(shù)。
通過人員管理可以新增、刪除人員,也可以通過Excel文件(xls、xlsx等格式)批量導入、導出人員信息;可以通過人員姓名查詢人員狀態(tài);可以管理各類人員出入時間。
系統(tǒng)提供電子圍欄的功能,將敏感區(qū)域、危險源以及特殊區(qū)域進行電子隔離,并設置每位員工進出或靠近的權限。區(qū)域被劃定后,僅具有權限的人員才可進出或靠近,系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)有未授權的員工進出或靠近,系統(tǒng)將立即在客戶端上進行報警,第一時間告知管理者出現(xiàn)危險情況,使管理者及時應對。同時,系統(tǒng)通過基站對誤入電子圍欄區(qū)域員工發(fā)送報警指令,提醒員工盡快離開無權限電子圍欄區(qū)域。
當工作區(qū)域某處發(fā)生危險(火災、爆炸等)時,管理人員通過管理系統(tǒng)下發(fā)撤離命令,系統(tǒng)會第一時間發(fā)出警報并通知危險區(qū)域內的人員進行撤離;現(xiàn)場人員可以通過標簽卡向控制中心發(fā)出求救信號,管理人員收到求救后可通過視頻聯(lián)動功能實時定位到現(xiàn)場畫面,從而快速處理求救,避免事故擴大。
管理監(jiān)控系統(tǒng)除保證員工的安全作業(yè)外,也具有保護貴重物資、防護危險品的功能。對于需要保護或防護的物資,將定位標簽安裝在需要監(jiān)控的物體上,標簽卡具有防拆功能,若被拆下,則標簽卡自動上傳強拆信號,標簽卡和管理軟件同時報警。管理者可通過系統(tǒng)軟件設置每個被監(jiān)控物體的安全區(qū)域,若發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控物資被移出安全區(qū)域,管理軟件將進行聲光報警;同時,系統(tǒng)會給被移動物資上的標簽卡下發(fā)報警指令,標簽卡收到指令后也會聲光報警,提醒違規(guī)操作者;系統(tǒng)同時啟動視頻聯(lián)動,實時對物資所在區(qū)域現(xiàn)場畫面進行記錄保存。
華電忻州廣宇煤電有限公司為了響應集團的智能化發(fā)展,建設了基于虛擬信息物理融合技術的智能風險預控管理系統(tǒng),其中一個重要部分就是人員定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過融合應用多種無線通信和傳感技術,實現(xiàn)電廠中人員、設備、環(huán)境的全過程、多維度狀態(tài)感知、態(tài)勢分析和實時管控。
POE定位基站性能指標如表1所示。
定位標簽參數(shù)如表2所示。
定位將采用超寬帶(UWB)無線通信技術,依據(jù)定位精度要求的不同,采用不同策略,實現(xiàn)人員分類、位置顯示、軌跡查詢、設置權限和危險呼叫等功能。
主廠房0 m,總共布置86臺室內型定位基站,實現(xiàn)對汽機側重點區(qū)域的二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
主廠房6.9 m,總共布置90臺室內型定位基站,實現(xiàn)對汽機側重點區(qū)域的二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
主廠房12.6 m層,總共布置24臺室內型定位基站,實現(xiàn)對汽機側區(qū)域的二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
熱網站0 m層,總共布置20臺室內型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位和一維定位。
熱網站7 m層,總共布置20臺室內型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位和一維定位。
熱網站12 m層,總共布置20臺室內型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位和一維定位。
升壓站室外區(qū)域布置16臺室外型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位。
空冷配電間及網絡控制樓0 m層,總共布置16臺室內型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
空冷配電間及網絡控制樓6.9 m層,總共布置16臺室內型定位基站,實現(xiàn)二維精確定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
化學水車間區(qū)域總共布置58臺室內型定位基站,實現(xiàn)重點區(qū)域二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
煤場及輸煤區(qū)域總共布置84臺室外型定位基站,實現(xiàn)重點區(qū)域二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位;為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響,電子間不安裝定位基站。
廠區(qū)主要道路總共布置50臺室外型定位基站,實現(xiàn)重點區(qū)域二維精確定位、次重點區(qū)域的一維定位、非重點區(qū)域的零維定位。
表1 POE定位基站性能指標
表2 定位標簽參數(shù)
系統(tǒng)基于超寬帶(UWB)無線通信技術的亞納秒級超窄脈沖對現(xiàn)場操作人員的厘米級精確定位,實現(xiàn)現(xiàn)場人員行為實時感知和關鍵位置的安全圍欄,同時對異常行為通過聯(lián)動視頻進行全程監(jiān)控和管理;系統(tǒng)通過基站內置的多類型環(huán)境監(jiān)測無線傳感器實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠、實時采集;系統(tǒng)中的設備運行狀態(tài)監(jiān)測傳感器群與基站進行無線組網,對設備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集和傳輸;上述人—機—環(huán)境數(shù)據(jù)通過基站上報到主控平臺并進行綜合化分析和決策,實現(xiàn)廠內人員異常行為管控,以及設備狀態(tài)和環(huán)境變化的態(tài)勢分析和預警。與此同時,廠內巡檢人員可通過手持終端根據(jù)需要對設備運行狀態(tài)進行現(xiàn)場采集,并通過廠內基站網絡進行數(shù)據(jù)上報,實現(xiàn)人工巡檢和狀態(tài)檢修相結合的高效、靈活的運維模式。
由上文所述可以看出,在物聯(lián)網技術大發(fā)展的背景下,發(fā)電廠可以考慮部署人員定位系統(tǒng)以提高企業(yè)安全管理水平,實現(xiàn)安全生產。采用人員定位系統(tǒng),輔加電廠可視化三維系統(tǒng),發(fā)電廠可直觀地監(jiān)管人員軌跡,提高事前預測、事后追溯、應急響應的水平,可用于電廠日常巡檢人員監(jiān)控和檢修期間的人員管理,如進一步與視頻監(jiān)控、人臉識別、安全報警等結合,此系統(tǒng)將大幅度提升發(fā)電廠人員管理和生產監(jiān)控的安全水平。
人員定位技術在發(fā)電廠的應用方興未艾,隨著安全事故成本的增加、物聯(lián)網技術的成熟,越來越多的發(fā)電廠將可采用先進的安防科技,在已有安全管理制度的基礎上,利用人員定位等技術提升發(fā)電廠的本質安全管理水平。通過人員定位技術提高發(fā)電廠生產安全保障水平,必將逐漸成為行業(yè)共識。