張馨予 ，李季 ，王曉楠 ，張大奎 ，鄒旭

（1.鞍鋼化學科技有限公司，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼建設集團有限公司設計研究院，遼寧 鞍山 114033）

在施工生產過程中，減少安全事故會提高企業(yè)的經濟效益，是企業(yè)良性發(fā)展的保障。智能科技的發(fā)展為施工生產安全管理提供了技術保障。近幾年，國內施工中的深圳地鐵、舟山金塘鐵塔、上海體育館等多個大型項目以及生產中的中國化工集團公司、中國藍星集團等多家企業(yè)都采用了最基礎的人員定位系統(tǒng)來保證安全，并取得了初步成效，不少高危礦下工作也早就使用了無線通信定位技術。

智能工卡系統(tǒng)以人員定位系統(tǒng)為核心，將施工生產現場所有管控技術整合，通過實時定位、監(jiān)控、監(jiān)測，可隨時在系統(tǒng)上報警，使用科技的手段，簡單、穩(wěn)定、可靠地防范風險，實時、智能、主動地化解風險。為了全面優(yōu)化鞍鋼施工生產安全，達到降低安全事故發(fā)生概率的目的，開展了智能工卡系統(tǒng)技術可行性研究，分析了不同種類定位系統(tǒng)的特點，開發(fā)了適用于鞍鋼的智能工卡系統(tǒng)，并對未來發(fā)展提出展望，本文對此做一介紹。

1 智能工卡系統(tǒng)技術可行性研究

1.1 通信系統(tǒng)模型簡述

圖1為一種通信系統(tǒng)簡化模型［1］。

圖1 一種通信系統(tǒng)簡化模型Fig.1 One Simplified Model for Communication System

在發(fā)送端，信息源的作用是把各種可能的消息轉換成原始的電信號。為了使原始的信號適合在信道中傳輸，由發(fā)送設備對原始信號完成某種變換，然后再送入信道。信道指信號的傳輸通道。在接收端，接受設備的功能與發(fā)送設備相反，它能從接收信號中恢復出相應的原始信號，而受信者是將復原的原始信號轉換成相應的消息。噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。

1.2 無線定位通信技術對比和選擇

目前，主流無線定位通信技術有GPS（全球定位系統(tǒng)）、基站定位、Wi-Fi（無線保真）、藍牙、RFID（射頻識別）、地磁、NFC（近場通信）、陀螺儀等。 主流無線定位通信技術對比如表1所示。

表1 主流無線定位通信技術對比Table 1 Comparison of Mainstream Wireless Positioning Communication Technologies

施工生產定位技術中，GPS雖然已經非常成熟，但衛(wèi)星定位信號無法穿透建筑物實現室內定位，是其關鍵弊端。進行室內施工生產時，需要室內定位的無線通信技術、傳感器識別技術、大數據互聯(lián)技術及物聯(lián)網等技術的支撐。綜合上述對比研究，選擇中低成本的Wi-Fi、藍牙和RFID作為定位技術依托的定位系統(tǒng)。

2 無線通信定位系統(tǒng)特點

2.1 Wi-Fi定位系統(tǒng)

Wi-Fi是一種可以將個人計算機、手持設備等終端，以無線方式連接的技術，目前已經更新到第6代［2］。每個無線AP（無線訪問接入點）都有一個全球唯一的MAC（媒體訪問控制）地址，且通常無線AP在一段時間內不會移動。設備在開啟Wi-Fi的情況下,當終端設備用戶進入具有Wi-Fi信號的區(qū)域 （如圖2所示，A/B和C三個信號源與用戶進行信息交互），即可掃描并收集周圍的AP信號,無論周圍的AP信號是否加密、是否已連接，甚至周圍的AP信號強度不足以顯示在無線信號列表中,都可以獲取到AP廣播出來的MAC地址。設備將這些能夠標示AP的數據發(fā)送到位置服務器,服務器檢索出每一個AP的地理位置,并結合每個信號的強弱程度,計算出設備的地理位置并返回到用戶設備 （如圖3所示）。由于無線AP不像基站塔那樣100%不會移動，位置服務商需不斷更新、補充自己的數據庫,以保證數據的準確性。

圖2 Wi-Fi定位系統(tǒng)1Fig.2 Positioning System 1 for Wi-Fi

圖3 Wi-Fi定位系統(tǒng)2Fig.3 Positioning System 2 for Wi-Fi

Wi-Fi定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于總精度較高、硬件成本低、傳輸速率高，可應用于復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務；但是由于Wi-Fi定位系統(tǒng)一般采用星型拓撲結構，所以存在傳輸距離較短、功耗較高的缺點。根據這項技術的優(yōu)缺點，Wi-Fi定位適用于對人或者車的定位導航，可用于醫(yī)療機構、主題公園、工廠、商場等需要定位導航的場合。

2.2 藍牙定位系統(tǒng)

藍牙定位基于RSSI(信號場強指示)定位原理。藍牙技術聯(lián)盟在制定藍牙4.0規(guī)范時對數據傳輸過程中的鏈路管理協(xié)議、射頻、基帶協(xié)議采用了可靠性措施，連接速度大幅度提高，僅3 ms，傳輸距離可達 60～100 m［3］。

藍牙定位系統(tǒng)由終端（藍牙定位引擎）、藍牙beacon節(jié)點、beacon管理設備、beacon管理后臺服務器、地圖引擎服務器構成，如圖4所示。

圖4 藍牙定位系統(tǒng)Fig.4 Positioning System for Bluetooth

在區(qū)域內鋪設beacon和藍牙網關后，當終端進入beacon信號覆蓋范圍，終端就能感應到beacon的廣播信號，然后測算出在某beacon下的RSSI值，通過藍牙網關，經過管理設備接入管理后臺服務器，由地圖引擎服務器通過服務器內置的定位算法測算出終端的具體位置。

藍牙定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于設備體積小、距離短、功耗低，容易集成在手機等移動設備中，藍牙傳輸不受視距的影響，但是對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大，且藍牙器件和設備的價格比較貴。因此，藍牙室內定位主要應用于對人的小范圍定位。

2.3 RFID定位系統(tǒng)

傳統(tǒng)的RFID室內定位跟蹤系統(tǒng)是一種以計算機為基礎，集合了RFID數據采集、RFID數據處理與傳輸、GIS（地理信息系統(tǒng)）空間分析和查詢等技術形成的智能技術系統(tǒng)。其定位依據是結合RFID信號的接收信號強度、相位等參數，利用定位算法完成距離和方位的計算。RFID系統(tǒng)工作原理見圖5。

圖5 RFID系統(tǒng)工作原理Fig.5 Working Principle for RFID System

RFID采用LC振蕩電路工作。工作中，閱讀器會生成一種在射頻范圍內的交變磁場，當LC振蕩電路靠近交變磁場時，就會將交變磁場的能量通過線圈耦合到振蕩電路中［4］，當交變磁場的頻率與振蕩電路的諧振頻率一致時，振蕩電路即產生諧振。振蕩電路中的電流就是對外部交變磁場反作用的結果，此種作用是顯而易見的，因為它會使發(fā)射器激勵線圈上的電壓降產生小的變化，并最終導致磁場強度減弱。只要把諧振電路放置到激勵線圈生成的交變磁場中，就能夠在傳感器線圈中感到感應電壓的變化，從而得到不同的反饋。

RFID定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于雖然射頻識別室內定位技術作用距離很近，但它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，標簽的體積比較小，造價比較低。其劣勢是不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標準化都不夠完善。目前，RFID定位已經被倉庫、工廠、商場、監(jiān)獄廣泛使用在貨物、商品流轉定位上。

綜合上述分析，Wi-Fi、藍牙和RFID定位系統(tǒng)都便于集成，可以優(yōu)劣互補，通過進行系統(tǒng)軟件的編程開發(fā)便可實現智能工卡功能。

3 智能工卡系統(tǒng)開發(fā)

3.1 智能工卡系統(tǒng)外觀設計

升級鞍鋼鋼通卡為智能工卡一卡通，采用移動、聯(lián)通、電信三網通的網絡制式，內置SIM卡芯片，集成Wi-Fi、藍牙和RFID芯片，內置鋰聚合物電池，實時監(jiān)控施工生產人員的狀態(tài)。智能工卡一卡通外觀設計如圖6所示。

圖6 智能工卡一卡通外觀設計Fig.6 Exterior Design of All-in-one Intelligent Operation Condition Card

3.2 智能工卡系統(tǒng)功能設計

智能工卡系統(tǒng)是一項兼顧工作管理和人性關懷的科技智慧管理系統(tǒng)，由智能工卡、服務器、web前端、手機APP及PC端應用組成，可在實現智能定位、考勤管理、狀態(tài)監(jiān)測、語音對講、通知公告、應急呼救的基礎上，最大限度保證施工生產人員安全。智能工卡模塊內部構造如圖7所示。

圖7 智能工卡模塊內部構造Fig.7 Internal Structure of Module for Intelligent Operation Condition Card

（1）智能工卡內置G-sensor（運動傳感器），結合內部算法，可統(tǒng)計進入過施工生產現場的所有佩戴智能工卡的人員，持續(xù)跟蹤施工生產人員的運動軌跡，記錄人員在某區(qū)域的停留時間，對整體人員進行施工監(jiān)控與施工調度，并通過網絡遠程傳輸數據，提供實時監(jiān)測信息，為管理者的監(jiān)督、指揮和決策提供重要依據。

（2）智能工卡內置的G-sensor還能夠監(jiān)測員工的身體狀態(tài)，MCU（微控制單元）一旦有異常數據需要處理，例如撞擊、跌落、長時間停留不動等，即向管理員報警，精準定位發(fā)生安全事故的區(qū)域、人員，通過軟件中的歷史軌跡，判斷發(fā)生事故人員的位置，配合廠區(qū)內監(jiān)控系統(tǒng)，在員工遭遇意外時及時救援。

（3）在施工生產中，管理者可通過智能工卡下發(fā)指令，相比傳統(tǒng)的電話通知、騰訊通、微信等方式，管理效率大幅度提高。

（4）提前將施工安全生產技術措施中全部危險源辨識、危險區(qū)域等輸入到系統(tǒng)中，對員工實施有效的安全保護，防止員工進入危險區(qū)域。通過監(jiān)控，監(jiān)督特殊作業(yè)是否持證上崗、是否辦理了動火審批手續(xù)，統(tǒng)計領導干班帶班工作情況。

（5）智能工卡具有SOS緊急一鍵報警功能，當員工遇到緊急情況時，如物體打擊、摔傷、機械傷害等，按下SOS鍵，智能工卡就會把員工位置、運動數據上報給管理員，必要時還可以自動接通電話。且由于工卡采用了4G/5G網絡，可以實現一邊通話一邊傳輸數據，能夠提供更快速的救援行動，最大化保證人員的安全。

4 智能工卡系統(tǒng)未來展望

目前，國內智能工卡市場規(guī)模容量保守估計可達上千億元人民幣，未來前景可期。不久的將來，在施工生產作業(yè)中使用主動智能安全技術必然會成為未來科技發(fā)展的趨勢，且它的優(yōu)勢不僅在于預防安全事故的發(fā)生，也在發(fā)生事故后，通過無線通訊技術，實現有效定位，及時搶救。

在施工生產中，安全事故往往發(fā)生在十幾秒左右。應用智能工卡系統(tǒng)，可實現有效的安全預警，通過智能工卡報警系統(tǒng)，現場人員能夠及時撤離，在很大程度上避免人員傷亡。比如發(fā)生火災事故，智能工卡可以迅速報警，其響應速度是毫秒級的，是傳統(tǒng)的感知告知報警方式所不能比擬的，據消防部門大數據統(tǒng)計，火災的黃金逃生時間為1 min，智能工卡將逃生的速度做到 1 ms［5］。

未來，無線通信技術在傳統(tǒng)工業(yè)領域的價值不可估量，其價值會率先在智慧城市領域、自動駕駛領域、環(huán)保領域，包括垃圾管理領域落地，并逐步深入至施工生產領域，尤其應用于危險施工生產領域，比如石化、礦井等施工生產領域。這些領域用智能工卡系統(tǒng)進行全方位實時安全監(jiān)控、預警，將為保障員工生命安全作出巨大的貢獻。

5 結語

通過研究無線定位通訊技術的原理以及可實現功能，得出具有保障施工生產人員安全的智能工卡系統(tǒng)具有可行性。選擇Wi-Fi、藍牙和RFID三種定位系統(tǒng)，開發(fā)了適用于鞍鋼的智能工卡系統(tǒng)，升級現有鋼都卡為智能工卡一卡通，在實現智能定位、考勤管理、狀態(tài)監(jiān)測、語音對講、通知公告、應急呼救的基礎上，最大限度保證施工生產人員的安全，并對未來發(fā)展提出展望，認為無線通信技術在傳統(tǒng)工業(yè)領域的價值不可估量。