國家能源集團(tuán)國源電力有限公司 李建明 王朝飛

安全生產(chǎn)作為電廠管理的重要環(huán)節(jié)，人員安全問題更為凸顯，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等前沿技術(shù)輔助安全管理成為了趨勢，因此急需研究一套發(fā)電企業(yè)移動人員快速定位方法。

發(fā)電企業(yè)定位人員主要包括電廠職工以及外委人員，對于現(xiàn)場錯綜復(fù)雜的設(shè)備環(huán)境，人員稍有不慎即有可能發(fā)生人身安全問題，尤其檢修期間，外委人員數(shù)量多、人員素質(zhì)低、安全培訓(xùn)不到位等各種情況而導(dǎo)致發(fā)生人員安全事件，因此需要對現(xiàn)場作業(yè)人員的工作位置進(jìn)行實時監(jiān)控，同時對于人員歷史軌跡情況、現(xiàn)場視頻監(jiān)控情況、重大危險源區(qū)域非法闖入情況、到崗到位情況進(jìn)行監(jiān)控與監(jiān)督，以保障現(xiàn)場人員的安全問題。定位系統(tǒng)可結(jié)合目前已完成建設(shè)的視頻系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、兩票等系統(tǒng)，真正實現(xiàn)與安全生產(chǎn)的緊密結(jié)合。

1 人員定位技術(shù)選型

目前針對室外定位來說，更多的應(yīng)用于GPS 進(jìn)行實時定位，包括對人員、車輛等，對室外信號強度要求高，但是針對發(fā)電企業(yè)來說，更多的是要對室內(nèi)場景如鍋爐房區(qū)域、汽機(jī)房區(qū)域等生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行實時定位，因此GPS 定位方式不太適用。

針對室內(nèi)定位目前比較常見的技術(shù)主要有WIFI、藍(lán)牙、Zigbee、UWB 等技術(shù)，工業(yè)場景的安全定位服務(wù)主要針對的是人員與設(shè)備，但是對于現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境而言，UWB 其抗干擾性、穩(wěn)定性、定位準(zhǔn)確性的特點，同時UWB 技術(shù)提供厘米級的定位精度使得此技術(shù)更加適用于發(fā)電企業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的定位要求，因此基于以上UWB 的各種優(yōu)點，選擇采用UWB 超窄脈沖的厘米級無線定位技術(shù)[1]，從根本上解決了這一問題，同時針對業(yè)務(wù)場景可設(shè)置多維度的定位應(yīng)用。

存在定位（零維定位）：即我們所認(rèn)知的進(jìn)入檢測，通過感知被定位的標(biāo)簽信號強度和精確距離來判斷目標(biāo)是否進(jìn)入了識別區(qū)域，通常應(yīng)用于不需要精準(zhǔn)定位的辦公樓、控制樓、小房間等場景。

線性定位（一維定維）：在某些狹長的區(qū)域或場景下，管理人員更關(guān)注被定位的目標(biāo)在線型道路上的移動軌跡，常用的場景有走廊、通道、道路、輸煤棧橋等。

精準(zhǔn)定位（二/三維定維）：該種定位模式一般適用于大面積、開闊的場景下，它能提供被定位目標(biāo)精準(zhǔn)的位置坐標(biāo)（X,Y），同時還能提供樓層高度。常用的場景有汽機(jī)房、鍋爐房等。

2 定位算法的選擇

發(fā)電企業(yè)不同于一般的工廠，具有設(shè)備多、復(fù)雜，危險系數(shù)高等特點，此時不僅需要二維空間定位，更需要三維空間定位，例如電廠的鍋爐普遍都有十幾層樓房高，二維定位便不能滿足定位需求，而UWB 定位技術(shù)通常情況下有如下幾種算法：

TDOA（Timedifferent of arrival，時間差定位法）：采用到達(dá)時間差進(jìn)行定位時，通過測量被定為標(biāo)簽信號到達(dá)不同基準(zhǔn)站的時間差，利用多組時間差，通過二次函數(shù)相交解算算法，就能確定信號發(fā)射源（標(biāo)簽）的位置[2]。

TOF（Time offlight，飛行時間法）：基于測距的定位方式，需要被定位的標(biāo)簽和每個基站發(fā)起測距，測距完成后進(jìn)行位置計算。零維模式下只需要和一個基站測距即可；一維模式下，至少需要和兩個基站測距；二維模式下，至少要和三個或以上基站測距；特殊模式下，則可以和兩個基站測距等。

AOA（Angle ofArriva，到達(dá)角度定位法）：基于相位差的方式計算出信號到基站不同天線的到達(dá)角度，即可測算出被定位標(biāo)簽的大致位置。該算法一般不單獨使用，由于AOA 涉及到角度分辨率的問題，若單純采用AOA 進(jìn)行定位，離基站越遠(yuǎn)定位精度就越差。

綜上所述，UWB 定位技術(shù)采用的算法主要有[3]：時差定位技術(shù)、信號到達(dá)角度測量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時間差定位(TDOA)和飛行時間定位(TOF)等。本系統(tǒng)采用TOF 算法進(jìn)行測距，TOF 是一種雙向測距技術(shù)，它通過測量UWB 信號在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時間來計算距離。其基本原理是基站連續(xù)發(fā)射UWB 信號到被觀測物體（標(biāo)簽）上，標(biāo)簽接收到信號后，發(fā)送UWB 信號給基站。通過測量UWB 信號飛行（往返）時間來得到目標(biāo)物距離，基于TOF 測距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會更加精準(zhǔn)[4]。

3 三維可視化技術(shù)應(yīng)用

人員快速定位展現(xiàn)手段以電廠三維高保真模型為基礎(chǔ)，展現(xiàn)電廠廠區(qū)、生產(chǎn)現(xiàn)場人員定位情況。三維場景的搭建主要依托3DMAX建模技術(shù)以及UNITY 3D 引擎得以實現(xiàn)，使用三維可視化平臺不僅可以將真實環(huán)境形象逼真的展現(xiàn)在眼前，更可以將與定位相結(jié)合的業(yè)務(wù)無縫融合到平臺中[5]。

在三維場景中實現(xiàn)廠區(qū)綠化的制作與現(xiàn)場實際環(huán)境一致，綠化效果真實、美觀。廠區(qū)建筑物、道路、設(shè)備的位置坐標(biāo)準(zhǔn)確，偏差≤0.3m，滿足人員定位的要求。道路紋理與現(xiàn)場一致，主道路中地面指示線類按照現(xiàn)場實際情況制作，實現(xiàn)真正的電廠模擬還原。高保真制作設(shè)備外形結(jié)構(gòu)，對于設(shè)備上的臟跡、銹跡、破損美化處理。室外設(shè)備模型位置、尺寸精準(zhǔn)，與現(xiàn)場實際設(shè)備偏差≤0.3m。室內(nèi)設(shè)備模型與現(xiàn)場實際偏差≤0.2m。設(shè)備紋理、結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場設(shè)備一致，能真實反映現(xiàn)場的設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境。

在建模之前利用3D 激光掃描技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)的收集，并滿足定位對模型精度的要求。3D 激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖形數(shù)據(jù)。采用3D 激光掃描技術(shù)，生成與現(xiàn)場環(huán)境一致的點云位置信息，掃描精度偏差在±3～5cm，確保三維建模位置、尺寸精準(zhǔn)。

綜上，通過采用UWB 定位技術(shù)并結(jié)合TOF 定位算法用于發(fā)電企業(yè)工作人員的定位，使得定位誤差有了很大的改善，可以將定位誤差限制在很小范圍內(nèi)，有著較好的穩(wěn)定性，同時結(jié)合三維可視化展現(xiàn)技術(shù)，將定位數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展現(xiàn)更加直觀、立體的進(jìn)行人員監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。