超寬帶厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位技術(shù)在監(jiān)獄管理中的應(yīng)用

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超寬帶厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位技術(shù)在監(jiān)獄管理中的應(yīng)用

何雪鋒

(鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司，河南 鄭州 450001)

一、引言

目前，我國(guó)監(jiān)所多數(shù)停留在以獄警巡查加攝像機(jī)監(jiān)視報(bào)警的階段，人工作業(yè)占絕大比重，信息化程度較低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)所內(nèi)在押人員的實(shí)時(shí)監(jiān)管，事故的發(fā)現(xiàn)往往具有滯后性，不能起到積極防范和預(yù)警作用。另外，信息采集單純依靠手工輸入，無(wú)法將信息系統(tǒng)和在押人員真正的關(guān)聯(lián)起來(lái)。為了保證監(jiān)所的管理水平，提高對(duì)犯罪嫌疑人的實(shí)時(shí)狀態(tài)、改造效率的監(jiān)控，提高事故反應(yīng)的及時(shí)性，監(jiān)所的信息智能化建設(shè)勢(shì)在必行。

監(jiān)獄信息化建設(shè)的基礎(chǔ)核心是如何得到監(jiān)獄人員的精準(zhǔn)位置信息。面對(duì)定位目標(biāo)數(shù)量龐大、定位精度要求高、衛(wèi)星信號(hào)弱等問(wèn)題，采用傳統(tǒng)定位技術(shù)已經(jīng)不能滿足監(jiān)獄信息化建設(shè)的要求，而利用超寬帶高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)，能很好地解決上述問(wèn)題。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

中海達(dá)聯(lián)睿電子采用自主設(shè)計(jì)的脈沖成形技術(shù)產(chǎn)生納秒甚至亞納秒的極窄脈沖，實(shí)現(xiàn)了超寬帶定位接收機(jī)架構(gòu)的國(guó)內(nèi)自主化。在定位區(qū)域內(nèi)架設(shè)基站，為需定位的設(shè)備、物品及人員配置定位標(biāo)簽，定位標(biāo)簽通過(guò)定位基站將實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)傳回后臺(tái)服務(wù)中心，后臺(tái)服務(wù)中心通過(guò)優(yōu)化的高精度定位算法，解算出設(shè)備和人員精確的實(shí)時(shí)位置信息及運(yùn)動(dòng)軌跡，并將位置信息在室內(nèi)地圖上顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位，為室內(nèi)導(dǎo)航路徑規(guī)劃、重點(diǎn)區(qū)域的巡查提供精確的參考基準(zhǔn)點(diǎn)。

整個(gè)定位系統(tǒng)分為位置信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層3部分。

1) 信息感知層。在定位環(huán)境中，人員或物品通過(guò)所佩戴的定位標(biāo)簽發(fā)射UWB脈沖信號(hào)，由經(jīng)過(guò)時(shí)鐘同步的接收機(jī)接收、放大UWB信號(hào)，并將其數(shù)據(jù)信息和接收時(shí)間傳送至定位引擎服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)位置信息的感知。定位引擎服務(wù)器通過(guò)計(jì)算出定位標(biāo)簽信號(hào)到達(dá)不同接收機(jī)的時(shí)間差(TDOA)，然后采用TDOA定位算法對(duì)標(biāo)簽位置進(jìn)行解算，實(shí)現(xiàn)位置的解算。

2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是通過(guò)有線或無(wú)線的方式將接收機(jī)發(fā)射的超寬帶信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚砑翱刂破脚_(tái)。

3) 應(yīng)用層。應(yīng)用層主要是針對(duì)使用者而言。為了能使監(jiān)獄管理人員更為有效、方便地使用采集到的位置信息，應(yīng)用層包括電腦客戶端、手機(jī)APP等多樣終端，并根據(jù)監(jiān)獄管理的特殊要求設(shè)計(jì)了多種基于位置信息的輔助功能。

三、硬件部分

硬件部分主要包括標(biāo)簽(包括防拆手環(huán))、接收基站和定位引擎服務(wù)器等。

1. 標(biāo)簽

針對(duì)監(jiān)獄的特殊性，采用多種標(biāo)簽機(jī)制進(jìn)行定位追蹤。標(biāo)簽具有多種工作模式：休眠模式、激活模式、空閑模式。標(biāo)簽配有一鍵報(bào)警按鈕，在特殊情況下可以進(jìn)行報(bào)警，防止意外發(fā)生。

1) 防拆手環(huán)。在押人員在監(jiān)獄中是最為重要的定位人員，其位置信息需要時(shí)刻被監(jiān)獄管理者知曉，標(biāo)簽必須有高的防破壞性，因此聯(lián)睿電子針對(duì)監(jiān)所實(shí)際需求將定位標(biāo)簽設(shè)計(jì)為防拆手環(huán)樣式。

根據(jù)監(jiān)管人員的特殊性，對(duì)防拆手環(huán)從多方面進(jìn)行了全方位的安全設(shè)計(jì)：在手環(huán)的腕帶中有多條鋼絲和感應(yīng)線，一旦有強(qiáng)烈撞擊和剪切就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，并且能夠保證在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法打開(kāi)手環(huán)；手環(huán)設(shè)有特殊卡鎖裝置，一旦戴上除非有專業(yè)配置的鑰匙，否則無(wú)法打開(kāi)。多重防護(hù)裝置確保了事故反應(yīng)的及時(shí)性。

2) 監(jiān)管人員標(biāo)簽。監(jiān)獄管理人員進(jìn)入監(jiān)獄也須攜帶標(biāo)簽，監(jiān)管人員標(biāo)簽有肩帶式、掛帶式、頭戴式等多種樣式，主要用于監(jiān)管人員的智能巡查和快速調(diào)動(dòng)，中心系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)管人員的位置進(jìn)行人員智能調(diào)配和實(shí)時(shí)監(jiān)督。標(biāo)簽可配合電磁門(mén)卡實(shí)現(xiàn)多權(quán)限等智能化管理。

3) 外來(lái)參觀人員標(biāo)簽。對(duì)外來(lái)參觀者、探視人員等采用掛帶式標(biāo)簽，保證在參觀、探視期間實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)監(jiān)管。

2. 定位基站

定位基站也叫接收機(jī)，從軟件上可設(shè)置為主基站(master)和從基站(slave)模式。定位基站固定在已知位置，作為位置基準(zhǔn)，用于接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號(hào)。主基站除具備從定位標(biāo)簽接收信號(hào)的功能外，還向各個(gè)從基站發(fā)射同步信號(hào)，使各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)獲得統(tǒng)一的時(shí)鐘，以便獲得定位標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差(TDOA)，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將位置信號(hào)傳送至定位引擎服務(wù)器。

3. 定位引擎服務(wù)器

定位引擎服務(wù)器用于裝載超寬帶定位算法、定位數(shù)據(jù)優(yōu)化，以及和標(biāo)簽屬性數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，其集成了多種安全加密措施防止被攻擊、破壞，從多種角度增加了定位系統(tǒng)的安全性和可靠性。

四、功能實(shí)現(xiàn)

超寬帶定位系統(tǒng)由于其自身的多種特性，在監(jiān)獄管理行業(yè)擁有許多突出的優(yōu)勢(shì)功能，可以實(shí)現(xiàn)人員越獄、打架斗毆、異常行為管理、人員聚集、外診脫逃的智能監(jiān)控工作。

1) 實(shí)時(shí)定位，智能預(yù)警。進(jìn)入監(jiān)獄范圍，無(wú)論是在押人員、監(jiān)管人員還是視察人員都可佩戴不同定義屬性的標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和智能預(yù)警。一旦發(fā)生犯人有長(zhǎng)時(shí)間或長(zhǎng)路程對(duì)看守人員或特定人物同一路線，中心就會(huì)立即判定為有意跟蹤。

2) 異常行為報(bào)警。監(jiān)獄中時(shí)常有在押人員發(fā)生聚集打架斗毆等事件，采用超寬帶高精度實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)在押犯人的異常行為報(bào)警功能。一旦發(fā)生人員位置過(guò)于密集或在小范圍內(nèi)快速移動(dòng)、在押人員對(duì)手環(huán)進(jìn)行破壞、長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)等情況，系統(tǒng)就會(huì)判定為人員聚集、打架斗毆、破壞手環(huán)、異常發(fā)生等，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。如圖1所示。

圖1　在押人員異常行為報(bào)警

3) 任意電子警戒區(qū)劃定。看守人員可根據(jù)不同情況或不同時(shí)間，在系統(tǒng)上直接進(jìn)行任意電子警戒區(qū)劃定，實(shí)現(xiàn)對(duì)在押人員的快速監(jiān)管和多區(qū)域分級(jí)越獄報(bào)警。如圖2所示。

圖2　電子警戒區(qū)域劃定

4) 重要物品監(jiān)管。監(jiān)獄管理中重要物品監(jiān)管也可以采用超寬帶定位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用定位標(biāo)簽安裝在槍械等重要物資上，并結(jié)合對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的電子圍欄功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，越區(qū)報(bào)警等功能。一旦標(biāo)簽有所移動(dòng)或被帶離電子圍欄區(qū)域就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，工作人員即可根據(jù)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置和移動(dòng)軌跡迅速展開(kāi)追蹤和圍捕。

五、總結(jié)

在監(jiān)獄管理中采用超寬帶定位系統(tǒng)，相比于現(xiàn)有定位追蹤方式，有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①定位精度高：經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，定位精度80%能達(dá)到30 cm以內(nèi)，在復(fù)雜環(huán)境下(遮擋物多、干擾多等)也能達(dá)到亞米級(jí)定位精度，高于多種現(xiàn)有室內(nèi)定位方式，可較好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化監(jiān)獄人員管理的精度需求；②實(shí)時(shí)性好：由于超寬帶定位系統(tǒng)采用亞納秒級(jí)脈沖信號(hào)和優(yōu)化的定位算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員物體進(jìn)行快速高精度追蹤，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，精準(zhǔn)位置捕捉速度高達(dá)60 m/s；③安全性高：由于超寬帶定位系統(tǒng)采用的脈沖超寬帶信號(hào)傳輸測(cè)量技術(shù)，亞納秒級(jí)的脈沖信號(hào)不再搭載載波信號(hào)，具有更高的抗干擾性，大大增加了信息的破解難度，使其具有更高的安全性；④功耗輻射低：采用亞納秒級(jí)的脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)通信使得系統(tǒng)的功耗和輻射都大為降低，標(biāo)簽續(xù)航能力超過(guò)3個(gè)月，而其輻射不到常規(guī)手機(jī)輻射的1%，真正實(shí)現(xiàn)了綠色化、節(jié)能化；⑤智能化、自動(dòng)化程度高：通過(guò)采集到的精準(zhǔn)位置信息與多種自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)獄管理系統(tǒng)的智能化，從根本上解決設(shè)備的智能啟動(dòng)、停止及數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)采集等一系列功能，大幅度提高了監(jiān)獄管理系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化。

綜上所述，超寬帶厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位技術(shù)在監(jiān)獄管理行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司在超寬帶定位技術(shù)方面有著深厚的技術(shù)積累，已形成了完整的行業(yè)解決方案，能有效地解決監(jiān)獄管理的實(shí)際問(wèn)題，提高監(jiān)獄管理的信息化、智能化水平，具有較強(qiáng)的技術(shù)和行業(yè)優(yōu)勢(shì)。

(本專欄由中海達(dá)和本刊編輯部共同主辦)測(cè)繪4.0：拓普康索佳應(yīng)用方案專欄