冉一丁 陳秀紅 吳電寧 陳德坤 周金橋

（1.國家電網(wǎng)山東送變電工程有限公司 2.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的要求日益增高。黨的十九大把安全生產(chǎn)擺在更加突出位置，對安全生產(chǎn)管理提出了更高標(biāo)準(zhǔn)、更嚴(yán)要求。

近年來國家電網(wǎng)公司全面推動安全生產(chǎn)管理工作的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，始終把安全生產(chǎn)作為第一責(zé)任、第一工作。電力行業(yè)的發(fā)展和整個社會息息相關(guān)，變電站作為電力運輸過程中的重要樞紐，在變電站現(xiàn)場工作中，經(jīng)常會涉及多家施工單位、監(jiān)理單位等，人員復(fù)雜，環(huán)境復(fù)雜，管理難度大，為了預(yù)防現(xiàn)場安全意外的發(fā)生，加強電力施工現(xiàn)場的作業(yè)安全管控十分必要。

變電站的工作現(xiàn)場，特別是在新站建設(shè)時期，危險區(qū)域較多，常規(guī)的危險預(yù)警方式有指示牌、電子屏、循環(huán)播放警示語音等被動方式，這些方式由于位置固定、方式單一、內(nèi)容重復(fù)等原因，很容易被現(xiàn)場的工作人員忽略，仍然存在造成較大人員傷害風(fēng)險的可能［1］。

本文基于越寬帶（Ultra Wide Band，UWB）物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議進行研究，使用雙向測距 （Two-Way Ranging，TWR）技術(shù)實現(xiàn)變電站內(nèi)施工現(xiàn)場的高精度測距功能，開發(fā)出一種主動式危險預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)作業(yè)人員進入或離開危險區(qū)域時主動播放相應(yīng)的危險預(yù)警提示語音，提示該工作人員進入或者離開何種危險工作區(qū)域；同時對于已經(jīng)進入危險區(qū)域內(nèi)的工作人員，將按照一定時間間隔進行周期性預(yù)警語音播報，使作業(yè)人員能夠及時了解自己當(dāng)前是否處于危險作業(yè)區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)變電站作業(yè)現(xiàn)場人員的危險主動預(yù)警，本系統(tǒng)的研發(fā)提高了變電站危險區(qū)域作業(yè)人員的安全保障［2］。

1 變電站施工作業(yè)現(xiàn)場面臨的問題

1.1 針對變電站建設(shè)階段的危險預(yù)警解決方案少

針對建成投產(chǎn)后變電站的危險管控問題，有不少成熟的解決方案，但是針對處于建設(shè)中的變電站作業(yè)危險管控問題，目前關(guān)注比較少，使用方便且成熟的解決方案不多，但在變電站建設(shè)階段作業(yè)種類多、現(xiàn)場工作人員多，管理難度大，需要一種支持變電站建設(shè)階段的危險預(yù)警解決方案。

1.2 缺乏主動式的預(yù)警提示方式

目前在危險預(yù)警方面，通過警示牌、循環(huán)播放警示語音提示的方式較為常見，由于方式單一等原因，雖然能起一定的預(yù)警作用，但仍然存在較大的安全風(fēng)險［3］。非主動式危險預(yù)警的缺點在于現(xiàn)場作業(yè)人員無法準(zhǔn)確、及時知道自己是否處于危險作業(yè)區(qū)內(nèi)以及該危險作業(yè)區(qū)是何種危險作業(yè)區(qū)。

1.3 缺乏不同危險區(qū)域的危險預(yù)警手段

在變電站建設(shè)時期，存在動火作業(yè)、受限空間作業(yè)、臨時用電作業(yè)、高處作業(yè)、破土作業(yè)、吊裝作業(yè)等作業(yè)風(fēng)險，不同的作業(yè)方式導(dǎo)致危險區(qū)域的半徑不一樣，需要根據(jù)作業(yè)性質(zhì)確定危險區(qū)域半徑大小，而目前缺乏支持根據(jù)不同作業(yè)風(fēng)險劃定危險區(qū)域的解決方案。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 危險預(yù)警原理

在本文中使用超寬帶 （UWB）和雙向測距（TWR）技術(shù)實現(xiàn)危險預(yù)警器與危險點基站間的測距功能，因UWB功耗限制（FCC規(guī)定UWB的功率譜密度小于－41.3dBm／MHz，按照單個信道500MHz計算，其信道功率為－14.3dBm），實測UWB信號范圍為10～20m，在本文中將預(yù)警閾值限制為10m之內(nèi)，即可指定10m內(nèi)任一距離為觸發(fā)播報預(yù)警音頻的閾值。具體表現(xiàn)為：當(dāng)危險預(yù)警器進入危險點基站的閾值半徑范圍時，將播報一次進入危險區(qū)對應(yīng)的預(yù)警音頻；當(dāng)危險預(yù)警器離開危險點基站的閾值半徑范圍時，將播放一次離開危險區(qū)對應(yīng)的預(yù)警音頻；在危險區(qū)內(nèi)長期駐留的危險預(yù)警器也將間隔一定時間（如10min）周期性播報預(yù)警音頻。如圖1所示，危險預(yù)警器A、C、E在危險范圍外，不進行語音播報，危險預(yù)警器D已經(jīng)處于危險范圍內(nèi)，將進行間隔一定時間（如10min）的周期性預(yù)警播報，危險預(yù)警器B正從邊界外跨越邊界進入或跨越邊界離開，將進行一次語音播報。

圖1 危險預(yù)警地理示意圖

2.2 UWB測距原理

超寬帶技術(shù)UWB是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。由于UWB可以利用低功耗、低復(fù)雜度發(fā)射／接收機實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，在近年來得到了迅速發(fā)展。UWB在非常寬的頻譜范圍內(nèi)采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)而不會對常規(guī)窄帶無線通信系統(tǒng)造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。UWB可以在10m范圍內(nèi)支持高達110MB／s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟的完成數(shù)據(jù)處理。因為具有一定相容性和高速、低成本、低功耗等優(yōu)點，使得UWB較符合變電站施工作業(yè)現(xiàn)場作業(yè)管理的需求［4-6］。

UWB測距方式有多種，如雙向測距、到達時間差、到達相位差，而最為常見且簡單的是雙向測距方法，其又分為單邊和雙邊兩種，本系統(tǒng)中由于只需要危險預(yù)警器獲取距離，而危險點基站不需要獲取距離，所以在本系統(tǒng)中使用單邊雙向測距算法（Single-Side Two-Way Ranging，SS-TWR）。

單邊雙向測距的原理如圖2所示，其測距流程為：設(shè)備A主動發(fā)送（TX）數(shù)據(jù)，同時記錄發(fā)送時間戳，設(shè)備B接收數(shù)據(jù)之后記錄接收時間戳；延時Treply之后，設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)，同時記錄發(fā)送時間戳，設(shè)備A接收數(shù)據(jù)，同時記錄接收時間戳。

圖2 單邊雙向測距原理

所以可以拿到兩個時間差數(shù)據(jù)，設(shè)備A的時間差Tround和設(shè)備B的時間差Treply，最終得到無線信號的飛行時間Tprop如下：

兩個差值時間都是基于本地的時鐘計算得到的，本地時鐘誤差可以抵消，但是不同設(shè)備之間會存在微小的時鐘偏移，假設(shè)設(shè)備A和B的時鐘偏移分別為eA和eB，因此得到的飛行時間會隨著Treply的增加而增加，測距誤差方程如下：

由式（2）可知，Treply越小，測距越準(zhǔn)確。另外Treply不僅僅是設(shè)備B接收到發(fā)送的時間，也包括裝載數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)耗費的時間（UWB除了支持定位之外，也可以傳輸數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)可以裝載128B，擴展模式可以裝載1024B數(shù)據(jù)）。典型的誤差關(guān)系（1ns約等于30cm距離誤差）見下表。

表典型的誤差關(guān)系

可以看出，隨著Treply和時鐘偏移的增加，會增加飛行時間的誤差，從而使得測距不準(zhǔn)確，根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析測距精度達到0.5m即可滿足危險預(yù)警目的，使用單邊雙向測距可達到此要求。

2.3 定制化主動式危險預(yù)警語音播放原理

首先，將每個危險預(yù)警器硬件和危險點基站硬件按類別分別進行編碼，賦予唯一硬件ID；接下來，將變電站多個存在作業(yè)風(fēng)險的區(qū)域設(shè)為危險工作區(qū)，每個危險工作區(qū)均可以設(shè)置工作區(qū)半徑，并且每個危險工作區(qū)均與危險點基站的硬件ID進行關(guān)聯(lián)；最后，將變電站內(nèi)危險工作區(qū)的工作半徑、危險類別信息及關(guān)聯(lián)的危險點基站硬件ID信息存放于每個危險預(yù)警器的TF卡內(nèi)。

這樣一來，當(dāng)工作人員靠近危險工作區(qū)后，其佩戴的危險預(yù)警器將與該危險工作區(qū)內(nèi)的危險點基站進行通信。危險預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險預(yù)警器的硬件ID和危險預(yù)警器中的系統(tǒng)時間，危險點基站收到危險預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后將會進行響應(yīng)，危險點基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險點基站的硬件ID和危險點基站收到數(shù)據(jù)包的時間和危險點基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的開始時間。危險預(yù)警器解析收到的危險點基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包，從中解析出危險點基站ID及用于測距的參數(shù)，接著根據(jù)測距算法計算與危險點基站的距離，通過基站ID在本地TF卡內(nèi)查找該危險工作區(qū)的半徑，然后再將測距距離與危險區(qū)工作半徑比對，即可知道自己是否處在危險工作區(qū)邊界。通過多次連續(xù)通信即可判斷當(dāng)前的運動狀態(tài)（如離開、進入或駐留），并根據(jù)危險工作區(qū)和運動狀態(tài)播放TF卡中存放的相應(yīng)預(yù)警語音。定制化主動式危險預(yù)警語音播放流程如圖3所示。

圖3 定制化主動式危險預(yù)警語音播放流程

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)由危險點基站、危險預(yù)警器、提示語音生成器及管理平臺組成。

3.1 危險點基站

危險點基站是一個提供危險預(yù)警器測距服務(wù)的設(shè)備，該設(shè)備通常固定放置于危險點中心，當(dāng)有危險預(yù)警器進入到其無線信號范圍內(nèi)時，可提供給危險預(yù)警器測距服務(wù)。每個危險點基站都會在內(nèi)部定義一個系統(tǒng)內(nèi)唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進行身份識別。

危險點基站支持室內(nèi)外不同復(fù)雜環(huán)境、不同場景精度要求的部署安裝，用于標(biāo)識危險區(qū)域。

危險點基站的主要部件為CPU、UWB模塊、撥碼開關(guān)、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈。主要操作邏輯由CPU進行，主要提供給預(yù)警器測距服務(wù)，其長時間處于監(jiān)聽無線信號的狀態(tài)，當(dāng)收到預(yù)警器的測距請求時，進行回復(fù)；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；撥碼開關(guān)用于給該基站設(shè)置編號；LED指示燈用于指示設(shè)備充電和運行狀態(tài)。危險點基站原理框圖如圖4所示。

圖4 危險點基站原理框圖

3.2 危險預(yù)警器

當(dāng)佩戴了安裝危險預(yù)警器安全帽的作業(yè)人員靠近施工作業(yè)危險區(qū)域時，危險預(yù)警器就會自動播放自定義的危險提示語音。每個危險點基站都會在內(nèi)部定義一個系統(tǒng)內(nèi)唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進行身份識別。

危險預(yù)警器主要部件為CPU、UWB模塊、音頻功放、喇叭、TF卡／Flash存儲器、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈危險預(yù)警器主要部件，如圖5所示。主要操作邏輯由CPU進行，其負(fù)責(zé)操作UWB模塊進行TWR測距，并根據(jù)距離閾值條件播放語音文件；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；TF卡／Flash存儲器，用于存放危險區(qū)域信息及與危險點基站唯一ID相對應(yīng)的預(yù)警音頻文件，音頻名與危險點基站編號一致，如I1.wav對應(yīng)進入1號基站危險區(qū)時播放的音頻，O3.wav對應(yīng)離開3號基站危險區(qū)時播放的音頻，實現(xiàn)進出危險區(qū)域時的主動式定制化提示語音；LED指示燈用于指示設(shè)備充電和運行狀態(tài)。

圖5 危險預(yù)警器主要部件

3.3 提示語音生成器

提示語音生成器則提供自定義危險提示語音生成功能（界面如圖6所示），它可以實現(xiàn)將文字轉(zhuǎn)換成危險預(yù)警器系統(tǒng)能播放的語音格式。

圖6 提示語音生成器界面

4 結(jié)束語

在本研究中通過對UWB相關(guān)技術(shù)的研究，實現(xiàn)基于UWB協(xié)議通信和高精度測距，從而達到在變電站建設(shè)階段對施工作業(yè)人員進行高精度定位和智能化主動語音風(fēng)險提示。系統(tǒng)現(xiàn)場部署方便，續(xù)航時間滿足現(xiàn)場使用需求。佩戴危險預(yù)警器的工作人員能夠及時自己進入、離開何種各種危險工作區(qū)域，對于在危險工作區(qū)域作業(yè)的工作人員也能按照一定時間間隔獲取到自己的所在危險工作區(qū)域信息，保證了工作人員能夠及時了解當(dāng)前作業(yè)區(qū)域是否存在某種作業(yè)風(fēng)險，能夠提高人員安全指數(shù)，為變電站施工作業(yè)人員的人身安全添加了一重保障。本系統(tǒng)的的應(yīng)用既可以解決變電站建設(shè)階段的作業(yè)人員風(fēng)險預(yù)警問題，還可以解決變電站投運階段的運維檢修作業(yè)風(fēng)險問題。