UWB人員定位系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

史雷冰 郝建樓

（華電忻州廣宇煤電有限公司，山西忻州034000）

0 引言

電力生產(chǎn)現(xiàn)場非常特殊，電廠范圍大，設(shè)備眾多，管線復(fù)雜，需要管理和維護(hù)的設(shè)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(shè)備，防止工作人員進(jìn)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(guān)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(shù)和新產(chǎn)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(shù)，已經(jīng)走出試驗室，被越來越廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)。超寬帶（UWB）定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)，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(fù)雜度低[3]、定位精度可達(dá)厘米級，應(yīng)用前景廣闊[4]。

發(fā)電廠廠內(nèi)轉(zhuǎn)動機(jī)械多，干擾大，設(shè)備數(shù)量多，遮擋嚴(yán)重，安全要求高，即使在當(dāng)前嚴(yán)格的發(fā)電廠生產(chǎn)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(shù)加強電廠人員的安全管理還是有必要的。

1 UWB人員定位系統(tǒng)的組成

人員定位系統(tǒng)主要由人員攜帶的定位標(biāo)簽、接收信息的定位基站、傳輸和供電的網(wǎng)線及POE交換機(jī)、上位機(jī)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(biāo)簽和定位基站是系統(tǒng)最重要的設(shè)備。定位標(biāo)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(biāo)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(wǎng)線和POE交換機(jī)上傳到上位機(jī)，置于上位機(jī)的定位軟件，將不同基站的定位信息解碼，進(jìn)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(biāo)——標(biāo)簽的具體定位結(jié)果。

2 UWB人員定位系統(tǒng)的關(guān)鍵算法

TDOA定位類似TOA，但是TDOA不像TOA那樣對目標(biāo)與微機(jī)站之間有嚴(yán)格的時鐘同步，因此得到了廣泛應(yīng)用。TDOA定位通過計算時間差的原理進(jìn)行定位，最能突出UWB信號時間分辨率高的優(yōu)點?；诘竭_(dá)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(biāo)簽發(fā)送UWB信號到達(dá)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(biāo)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(biāo)簽的坐標(biāo)，（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）分別為三個基站的坐標(biāo)。d10、d20、d30為各基站與標(biāo)簽的距離，根據(jù)以上定義，可以得到如下基本關(guān)系公式：

后面的方程減去前面的方程，并且令d21、d31為到達(dá)時間差，則d21=d20-d10，d31=d30-d10，進(jìn)而得到以下關(guān)系：

式中：d21、d31為標(biāo)簽信號達(dá)三個基站的時間差，可由標(biāo)簽—定位測量獲得實際數(shù)據(jù)。

若進(jìn)行如下定義：

將此式代入公式（1），則得到關(guān)于d1的一元二次方程式，然后通過求解關(guān)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(jié)果。因一元二次方程式有兩個結(jié)果，選擇相對誤差偏小的結(jié)果，從而獲得定位標(biāo)簽的具體定位。

圖2是在發(fā)電廠汽機(jī)房進(jìn)行定位測驗的結(jié)果。

圖2 幾何TDOA算法定位結(jié)果

圖中的方格間距為1 m，用于測量定位結(jié)果的誤差；“A”樣的標(biāo)志為基站；疊加在底圖的曲線為標(biāo)簽移動時產(chǎn)生的軌跡線。由定位結(jié)果可知，少基站幾何定位TDOA算法結(jié)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(chǔ)。

3 UWB人員定位系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)通過融合應(yīng)用多種無線通信和傳感技術(shù)，實現(xiàn)電廠中人員、設(shè)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：

3.1 實時顯示

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(biāo)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)。

3.2 軌跡回放

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(nèi)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。

3.3 考勤管理

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(jìn)行查詢，導(dǎo)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)。

3.4 人員管理

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(dǎo)入、導(dǎo)出人員信息；可以通過人員姓名查詢?nèi)藛T狀態(tài)；可以管理各類人員出入時間。

3.5 電子圍欄

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(jìn)行電子隔離，并設(shè)置每位員工進(jìn)出或靠近的權(quán)限。區(qū)域被劃定后，僅具有權(quán)限的人員才可進(jìn)出或靠近，系統(tǒng)若發(fā)現(xiàn)有未授權(quán)的員工進(jìn)出或靠近，系統(tǒng)將立即在客戶端上進(jìn)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(yīng)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(quán)限電子圍欄區(qū)域。

3.6 求救、撤離

當(dāng)工作區(qū)域某處發(fā)生危險（火災(zāi)、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(nèi)的人員進(jìn)行撤離；現(xiàn)場人員可以通過標(biāo)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(kuò)大。

3.7 重要設(shè)備管理

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(hù)貴重物資、防護(hù)危險品的功能。對于需要保護(hù)或防護(hù)的物資，將定位標(biāo)簽安裝在需要監(jiān)控的物體上，標(biāo)簽卡具有防拆功能，若被拆下，則標(biāo)簽卡自動上傳強拆信號，標(biāo)簽卡和管理軟件同時報警。管理者可通過系統(tǒng)軟件設(shè)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(jìn)行聲光報警；同時，系統(tǒng)會給被移動物資上的標(biāo)簽卡下發(fā)報警指令，標(biāo)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(jìn)行記錄保存。

4 UWB人員定位系統(tǒng)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用

華電忻州廣宇煤電有限公司為了響應(yīng)集團(tuán)的智能化發(fā)展，建設(shè)了基于虛擬信息物理融合技術(shù)的智能風(fēng)險預(yù)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(yīng)用多種無線通信和傳感技術(shù)，實現(xiàn)電廠中人員、設(shè)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。

4.1 定位基站和定位標(biāo)簽設(shè)計

POE定位基站性能指標(biāo)如表1所示。

定位標(biāo)簽參數(shù)如表2所示。

4.2 定位基站部署

定位將采用超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)，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(shè)置權(quán)限和危險呼叫等功能。

主廠房0 m，總共布置86臺室內(nèi)型定位基站，實現(xiàn)對汽機(jī)側(cè)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(chǎn)品產(chǎn)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(nèi)型定位基站，實現(xiàn)對汽機(jī)側(cè)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(chǎn)品產(chǎn)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(nèi)型定位基站，實現(xiàn)對汽機(jī)側(cè)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(chǎn)品產(chǎn)生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

熱網(wǎng)站0 m層，總共布置20臺室內(nèi)型定位基站，實現(xiàn)二維精確定位和一維定位。

熱網(wǎng)站7 m層，總共布置20臺室內(nèi)型定位基站，實現(xiàn)二維精確定位和一維定位。

熱網(wǎng)站12 m層，總共布置20臺室內(nèi)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(wǎng)絡(luò)控制樓0 m層，總共布置16臺室內(nèi)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(chǎn)品產(chǎn)生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

空冷配電間及網(wǎng)絡(luò)控制樓6.9 m層，總共布置16臺室內(nèi)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(chǎn)品產(chǎn)生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

化學(xué)水車間區(qū)域總共布置58臺室內(nèi)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(chǎn)品產(chǎn)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(chǎn)品產(chǎn)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(biāo)

表2 定位標(biāo)簽參數(shù)

4.3 實現(xiàn)功能

系統(tǒng)基于超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)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(guān)鍵位置的安全圍欄，同時對異常行為通過聯(lián)動視頻進(jìn)行全程監(jiān)控和管理；系統(tǒng)通過基站內(nèi)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(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測傳感器群與基站進(jìn)行無線組網(wǎng)，對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸；上述人—機(jī)—環(huán)境數(shù)據(jù)通過基站上報到主控平臺并進(jìn)行綜合化分析和決策，實現(xiàn)廠內(nèi)人員異常行為管控，以及設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境變化的態(tài)勢分析和預(yù)警。與此同時，廠內(nèi)巡檢人員可通過手持終端根據(jù)需要對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場采集，并通過廠內(nèi)基站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，實現(xiàn)人工巡檢和狀態(tài)檢修相結(jié)合的高效、靈活的運維模式。

5 結(jié)語

由上文所述可以看出，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(chǎn)。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(yù)測、事后追溯、應(yīng)急響應(yīng)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(jìn)一步與視頻監(jiān)控、人臉識別、安全報警等結(jié)合，此系統(tǒng)將大幅度提升發(fā)電廠人員管理和生產(chǎn)監(jiān)控的安全水平。

人員定位技術(shù)在發(fā)電廠的應(yīng)用方興未艾，隨著安全事故成本的增加、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，越來越多的發(fā)電廠將可采用先進(jìn)的安防科技，在已有安全管理制度的基礎(chǔ)上，利用人員定位等技術(shù)提升發(fā)電廠的本質(zhì)安全管理水平。通過人員定位技術(shù)提高發(fā)電廠生產(chǎn)安全保障水平，必將逐漸成為行業(yè)共識。