方維炯，李清云，周瑞杰，許成濤，婁曉峰

（1.紹興市城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000；2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

1 前言

目前我國(guó)正處于高速發(fā)展的階段，工廠化預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)形式被推上發(fā)展浪潮。工廠化預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)以工廠的形式存在，這類大型工廠因其占地面積大、工種繁多、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)高效安全的工廠化生產(chǎn)，因此在工業(yè)化生產(chǎn)的同時(shí)必然需要信息化、智能化管理技術(shù)的支持。其中人員定位及有關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，因其具有能降低事故發(fā)生率、廠內(nèi)管理難度及提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到大型預(yù)制構(gòu)件工廠的青睞。

為了進(jìn)一步提高施工場(chǎng)地及工廠的安全性、保障施工作業(yè)人員的人身安全及降低監(jiān)督難度、提高管理效率，世界上許多科研工作者和企業(yè)在人員定位技術(shù)上進(jìn)行了廣泛的探索和研究。L.M.Ni等探討了射頻識(shí)別技術(shù)在室內(nèi)定位方面的應(yīng)用。C. Matteo研究了基于WiFi的人員定位系統(tǒng)，通過檢測(cè)無線信號(hào)的衰減，系統(tǒng)可以推斷出目標(biāo)與自身的距離，最后結(jié)合多個(gè)距離信息計(jì)算出目標(biāo)的坐標(biāo)。S.Gezici討論了UWB用于定位問題的可能性，并給出了UWB定位與測(cè)距的性能下限，指出定位方法最能挖掘UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。Chen L等提出了一種貝葉斯融合方法來度量藍(lán)牙RSS的統(tǒng)計(jì)信息和運(yùn)動(dòng)模型中的檢驗(yàn)信息。

在我國(guó)人員定位技術(shù)首先被應(yīng)用在了事故多發(fā)的煤礦井下的人員定位上，王璐等提出了一種RFID井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過將多個(gè)RFID閱讀器沿著巷道串聯(lián)起來，獲取井下人員的路徑信息。張志斌等研究了ZigBee與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的煤礦人員定位方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。王睿等研究了一種基于WI-FI和藍(lán)牙融合的定位算法。為了解決單一定位算法精度不高的難題，采用歐幾里德向量距離作為相似度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行合并，提高了定位精度。此外隨著信息化時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)、空間定位、移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，人員定位開始結(jié)合其他技術(shù)，在各行各業(yè)普及開來。

以上多種定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中都需要設(shè)備部署大量外接電源和外接網(wǎng)，設(shè)備及設(shè)備部署成本較高，且存在一定的施工危險(xiǎn)性與災(zāi)備性。本文針對(duì)橋梁預(yù)制工廠的特定場(chǎng)景，介紹一種基于鈦準(zhǔn)定位系統(tǒng)，以多種定位標(biāo)簽為載體的新型定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)不需零星弱電施工、安裝方便、建設(shè)成本低，在保證工作人員安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員建立數(shù)字畫像，便于管理者進(jìn)行功效分析、勞動(dòng)力分配及減少非增值移動(dòng)并助力企業(yè)降本增效的目的。以解決橋梁預(yù)制工廠內(nèi)事故發(fā)生率難以控制，管理難度高，生產(chǎn)效率不夠高等問題。

2 人員定位系統(tǒng)的設(shè)備組成及原理介紹

2.1 定位系統(tǒng)的設(shè)備組成

系統(tǒng)由定位信標(biāo)、定位標(biāo)簽、定位基站、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及系統(tǒng)服務(wù)器組成。

2.2 定位系統(tǒng)原理介紹

鈦準(zhǔn)定位技術(shù)，該技術(shù)采用物聯(lián)網(wǎng)（LoRa）+藍(lán)牙定位技術(shù)，一方面承續(xù)了藍(lán)牙定位技術(shù)的低功耗、低成本、普適性強(qiáng)、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，另外還具有通信距離廣、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、專網(wǎng)通信安全性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足室內(nèi)定位特別是橋梁預(yù)制工廠的距離要求。

2.2.1 區(qū)域定位原理

區(qū)域定位系統(tǒng)是由移動(dòng)設(shè)備和AP（即無線訪問接入點(diǎn)）之間的藍(lán)牙信號(hào)傳輸來進(jìn)行定位的，其中我們稱AP為定位信標(biāo)。鈦準(zhǔn)定位采用TOA測(cè)距定位法即三邊定位法，根據(jù)場(chǎng)內(nèi)設(shè)備所發(fā)射的RSSI建立距離轉(zhuǎn)化模型,這種方法分為測(cè)距和定位兩個(gè)階段。

測(cè)距階段的的工作是，在能夠滿足三邊定位算法的前提情況下，求解未知點(diǎn)到可以應(yīng)用三邊定位算法進(jìn)行位置計(jì)算的三個(gè)不同的定位信標(biāo)之間的距離。在實(shí)驗(yàn)過程中，如果在某一點(diǎn)處可以接收到三個(gè)不同的定位信標(biāo)的信號(hào)，就可以獲得三個(gè)信號(hào)強(qiáng)度，那么可以根據(jù)特定的藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度與距離之間的衰減模型求出這一點(diǎn)到可以接收到信號(hào)強(qiáng)度的三個(gè)定位信標(biāo)的距離。

在定位階段，將測(cè)距階段得到的定位標(biāo)簽到定位信標(biāo)之間的距離分別作為半徑，以三個(gè)定位信標(biāo)作為三個(gè)不同圓的圓心，分別畫圓，使得這三個(gè)圓能夠存在唯一的交點(diǎn)，從而可以得出定位標(biāo)簽的位置信息，如圖1所示。

2.2.2 通信原理

采用LoRaLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與后臺(tái)的通信，一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。采用433MHz自由頻段進(jìn)行通信。LoRaLAN采用擴(kuò)頻與FSK混合的通信技術(shù)，具有基站覆蓋范圍大（室外4km，中空室內(nèi)環(huán)境40萬m2）、功耗低（接收電流<10mA，休眠電流<200nA）的特點(diǎn)?？山鉀Q網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)并發(fā)、終端功耗控制等問題，組建用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的低功耗通信網(wǎng)，使得定位標(biāo)簽功耗下降10倍，組建覆蓋建筑內(nèi)部及周邊的獨(dú)立通信網(wǎng)絡(luò)。

3 人員定位系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用流程

3.1 定位智能標(biāo)簽

定位信標(biāo)部署在需要定位的區(qū)域內(nèi)作為定位基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，在預(yù)制工廠內(nèi)外貼地或者側(cè)貼墻面方式部署，如圖2所示。沖擊鉆在地面打孔，通過塑料膨脹管、自攻螺絲固定。采用封閉灌膠工藝，防靜電、防水抗壓、防塵、防腐蝕設(shè)計(jì)，電池可供電8～10年。

定位標(biāo)簽用來接收定位信標(biāo)信號(hào)，將信號(hào)測(cè)量結(jié)果通過物聯(lián)網(wǎng)LoRaLAN技術(shù)進(jìn)行回傳基站。廠內(nèi)人員佩戴多種定位標(biāo)簽，包括定位胸牌、定位手環(huán)及定位安全帽。定位標(biāo)簽的按鍵操作模塊支持開關(guān)機(jī)、音量調(diào)節(jié)、牌照、SOS警告、通話等功能。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸基站

數(shù)據(jù)傳輸基站與定位標(biāo)簽通信，通過有線網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器，構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)?；静贾脮r(shí)根據(jù)預(yù)制工廠的平面圖規(guī)劃基站布置位置與布置數(shù)量，安裝于的室外空曠區(qū)域，立桿（高4m）在地面或墻面、樓頂，如圖3所示。

通信基站采用DC 12V/2A或PoE電源供電，可提供實(shí)時(shí)性高達(dá)1s的下行通信能力，支持GPS授時(shí)，提供精準(zhǔn)時(shí)鐘、位置信息和多種終端接入。

3.3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器用于解算定位標(biāo)簽的位置，并提供地圖及應(yīng)用服務(wù)。由于定位引擎服務(wù)器與定位標(biāo)簽的通信量較大，建議基站與定位服務(wù)器之間采用有線網(wǎng)絡(luò)，利用企業(yè)局域網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)回傳。

地圖服務(wù)器可以選擇云部署（租賃云服務(wù)器），基站與服務(wù)器之間采用5G通訊，利用Internet網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)回傳。后臺(tái)系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，分布性強(qiáng)，只要有網(wǎng)絡(luò)（與服務(wù)器相通）、瀏覽器，就可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。

3.4 后臺(tái)管理

使用PC后臺(tái)和手機(jī)APP可以進(jìn)行基于定位的安全管理應(yīng)用，功能包括查詢?nèi)藛T實(shí)時(shí)的位置分布、目標(biāo)追蹤、歷史軌跡查詢、電子圍欄、告警查看、危險(xiǎn)作業(yè)情況展示、標(biāo)簽管理等。

3.5 系統(tǒng)在工廠內(nèi)的運(yùn)行流程

系統(tǒng)在工廠內(nèi)的運(yùn)行流程，如圖4所示。橋梁預(yù)制工廠內(nèi)的定位信標(biāo)與人員佩戴的定位標(biāo)簽之間利用無線信號(hào)進(jìn)行定位，并用LoRaLAN技術(shù)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳回通信基站，通信基站利用有線網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)遞給服務(wù)器并上傳至云端。服務(wù)器解算定位標(biāo)簽的位置，并提供室內(nèi)地圖的信息。最后通過電腦或手機(jī)后臺(tái)查詢?nèi)藛T詳細(xì)位置及信息，進(jìn)行綜合管理應(yīng)用。

4 系統(tǒng)作用

4.1 人員調(diào)動(dòng)

由智能安全帽實(shí)時(shí)定位標(biāo)簽和通信基站反饋的定位數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控區(qū)域內(nèi)人員的數(shù)量及位置，并且動(dòng)態(tài)顯示數(shù)量及分區(qū)域顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)量。系統(tǒng)可通過大屏，顯示不同區(qū)域內(nèi)人員/設(shè)備的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)情況。通過在區(qū)域人員設(shè)置中預(yù)設(shè)每個(gè)區(qū)域合理的人數(shù)范圍，可提供超員告警和缺員告警，超員告警主要是針對(duì)車間人數(shù)的管控，缺員告警主要針對(duì)如監(jiān)控室內(nèi)的必須有人在的區(qū)域進(jìn)行管控，必要時(shí)還可以查看人員的每日行為軌跡，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)把控工廠內(nèi)的人員配置，并根據(jù)需求及時(shí)進(jìn)行人員的調(diào)動(dòng)。當(dāng)管理層不在廠區(qū)內(nèi)或不方便查看電腦時(shí)，可通過微信小程序/APP快速進(jìn)入管理后臺(tái)，查看廠區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài)。具體功能包括：廠區(qū)人員實(shí)時(shí)定位、特定人員目標(biāo)跟蹤、各類報(bào)警事件查看、企業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等。

4.2 安全監(jiān)控

可以在地圖中自由添加危險(xiǎn)作業(yè)內(nèi)容，自由設(shè)置各個(gè)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、可進(jìn)入人員類別、生效時(shí)間、報(bào)警內(nèi)容、安全措施內(nèi)容。并在對(duì)人員動(dòng)態(tài)、分區(qū)域顯示的基礎(chǔ)上，使用不同顏色的安全帽區(qū)分不同類型人員，如：紅色代表管理人員，藍(lán)色代表巡檢人員，黃色車間人員等。當(dāng)非對(duì)應(yīng)類型的人員進(jìn)入到危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行警告，此時(shí)管理人員可以點(diǎn)擊自動(dòng)彈出的該區(qū)域的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控清單、危險(xiǎn)（有害）因素進(jìn)行排查。并可根據(jù)需求進(jìn)行人員越界和滯留告警設(shè)置，針對(duì)車間人員越界/滯留重點(diǎn)生產(chǎn)車間的行為管控。

4.3 一鍵求救

當(dāng)人員遇險(xiǎn)，按下定位標(biāo)簽上的一鍵報(bào)警按鈕，及時(shí)發(fā)出求救告警信息。系統(tǒng)監(jiān)控大屏上會(huì)立即彈出告警，并定位該人員，可立即通過視頻聯(lián)動(dòng)查看現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面，并火速安排端救援人員到現(xiàn)場(chǎng)排查情況?？稍诒O(jiān)測(cè)大屏報(bào)警管理中顯示所有報(bào)警信息，在確認(rèn)報(bào)警事件后，預(yù)設(shè)的人員安全疏離路線與地點(diǎn)會(huì)發(fā)送到每個(gè)人員的定位標(biāo)簽上，人員可以快速選擇的最便捷的逃生路線到指定的安全區(qū)域。

4.4 實(shí)時(shí)交流

采用定位胸牌與廠區(qū)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭相對(duì)接的形式，實(shí)現(xiàn)“人員位置”與“視頻”聯(lián)動(dòng)的效果，管理人員能夠直接在地圖上查看攝像頭視頻，如圖5所示。

5 結(jié)語

基于鈦準(zhǔn)定位技術(shù)的橋梁預(yù)制工廠人員定位系統(tǒng)以多樣化的定位標(biāo)簽為定位終端，搭建方便、施工安全、造價(jià)與運(yùn)維成本低，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)電施工現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程管理，且多種定位標(biāo)簽協(xié)作定位的模式大大提高了定位系統(tǒng)的容錯(cuò)率和精準(zhǔn)度，有效保障了人員作業(yè)安全。此外系統(tǒng)還能夠獲取大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為分析決策提供數(shù)據(jù)支撐。解決了傳統(tǒng)制造模式中出現(xiàn)的各種問題和弊端，具有極大的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。