基于UWB技術的燃氣電廠人員定位系統

摘 要：針對電力環境復雜的特點，合理安排系統結構，設計一種基于UWB的電力人員定位系統。根據運行、施工人員身上佩戴的電子標簽發送的信號，利用TDOA的定位算法計算人員精確位置信息。經實驗證明，本系統具有穩定和定位精確的特點，滿足電力人員定位的要求。

關鍵詞：人員定位系統;UWB;電子標簽;TDOA

1 UWB技術介紹

UWB（Ultra-Wide-Band）是一種以極低功率在短距離內高速傳輸數據的無線通信技術，UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢，主要應用于室內通信、家庭網絡、位置測定、雷達檢測等領域。系統容量大發送功率非常小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小，應用面就廣。

UWB定位技術具有超高的時間和空間分辨率，保證了UWB可以準確的獲得待定位目標的時間和角度信息，時間信息可以轉化為距離信息，結合角度信息利用三角定位等幾何定位方法求得待定位目標的位置信息。常用定位方法有：基于接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）、基于接收信號到達角度（Angle Of Arrival，AOA）、基于接收信號時間法（Time difference of arrival，TDOA）、AOA和TDOA混合定位法。

2 系統工作原理

2.1 UWB-TDOA定位原理

采用TDOA定位原理，利用UWB技術測得定位標簽相對于兩個不同定位基站之間無線電信號傳播的時間差，從而得出定位標簽相對于四組定位基站的距離差，利用如下方程解算標簽的坐標[1]。

2.2UWB-TDOA關鍵技術

UWB-TDOA定位的關鍵技術-基站之間時間同步;時間同步：相位同步和頻率同步。

無線同步技術深入分析無線收發鏈路物理層誤差因素，采用特殊的定位構架，實現了采用無線方式的高精度基站時間同步，使無線同步達到有線同步模式下的定位精度（0.3m）[2]。

3 系統構成

人員定位系統采用UWB定位技術實現高精度定位，是通過發送和接收具有納秒或亞納秒極窄脈沖來傳輸數據。精確定位系統主要由應用層、解算層、傳輸層和設備層（定位基站和定位標簽）構成，如圖1所示。

3.1 設備層

設備層主要包括定位基站和定位標簽，為定位系統的核心設備，獲取原始的位置信息。

定位基站周期性廣播自身的ID信息，定位標簽接收超寬帶信號后，完成時間戳信息的獲取，通過通信基站的ZigBee信道，回傳時間戳信息以及相關狀態信息。

通信基站以及定位基站將自身的數據通過主干網絡傳輸到解算層，在定位解算引擎部分完成定位數據的解析。同時，通信基站也可以接收到應用層下發的指令，完成相關的操作，如對設備的呼叫、撤離。

3.2 傳輸層

傳輸層也稱主干通信網（簡稱“主干網”），是基站與服務層、應用層之間數據傳輸通道。

從上往下將應用層相關指令傳輸到通信基站;從下將定位原始數據傳輸給服務層。

3.3服務層

包括定位引擎軟件、系統管理軟件、對外接口軟件組成。

定位引擎軟件根據不同的定位方式，實現定位原始數據的解算，從而得到有用的位置信息。同時，服務層可以負責管理與維護整個定位網絡，保證定位的實時、可用。

3.4 應用層

應用層獲得實時的位置信息后，結合視頻等信息，可以實現各種復雜的應用，如實時軌跡顯示;考勤統計;電子巡檢;電子圍欄;視頻聯動等。通過web socket接口可獲取標簽卡的實時位置數據，通過http接口可獲取系統相關的數據，以便其他系統獲取位置等信息進行二次開發和集成。

4 人員定位系統功能

4.1 實時顯示

軟件可通過平面、立體和列表三種視圖方式實時顯示現場作業人員（標簽）的實時位置，方便管理者隨時了解現場作業人員實時狀態，可以分區域統計人數。

4.2 軌跡回放

軟件會自動保存現場作業人員的運動軌跡，管理者可以通過姓名或者卡號查看現場作業人員在某個時間段內的運動軌跡，可支持2D與3D效果回放，可方便查看人員行動軌跡，分析異常情況。

4.3 電子圍欄

系統提供電子圍欄的功能，將危險區域、危險源以及特殊區域進行電子隔離，并設置每位員工進出或靠近的權限。

區域被劃定后，只有具有權限的人員才可以進出或靠近，系統若發現有未授權的員工進出或靠近，立即報警。企業管理者通過系統軟件在廠區的地圖上設置具體的區域進行電子隔離，并設置可以進入該區域的人員ID和報警距離（即距離該區域多少米便開始報警）。除了二維電子圍欄外，對于一些立體區域也可以采用立體式的電子圍欄方案，對相關區域進行限定。

4.4 呼叫、撤離、求救

當廠區某處發生危險（火災、爆炸等）時，可以在第一時間利用精確定位系統發出警報，通知危險區域內的人員進行撤離。

若發生火災造成人員受傷的緊急情況，現場人員可按下定位標簽卡的求救按鈕通過管理監控系統向企業管理人員進行求救呼叫。管理監控系統收到求救信息，將自動收集危險和求救處周圍可調度的人力和物力，并顯示在軟件屏幕上，供管理人員進行調度指揮，將進行聲光報警并通過短信等方式第一時間通知管理人員，避免進一步人員傷亡，確保人員和物資的安全。

4.5 門禁、視頻聯動

系統支持接入已有門禁、視頻監控系統，系統根據各種報警情況實現門禁、視頻聯動，即當緊急情況發生時，監控攝像頭及時聯動在軟件管理端實時彈出現場視頻畫面顯示并進行拍照記錄現場情況以便以后查閱。門禁、視頻聯動功能極大方便了企業的管理效率以及應對緊急情況的能力。

4.6 行為監測

對人員消失、聚眾、超時和消失等異常行為進行實時監控，如有發現立即告警，提高對人員自身安全的管理措施。

5 結語

本文就基于UWB技術的人員定位系統做了相應的闡述，討論了UWB技術在燃氣電廠人員定位系統中的運用，描述了系統的相關算法、工作流程以及功能。隨著UWB技術的不斷發展，人員定位系統在燃氣電廠中的運用將越來越普遍成熟。

參考文獻：

[1] 毛永毅，謝川.基于遺傳算法優化神經網絡的定位算法.西安郵電大學學報，2014年，第4期.

[2] 李孝輝，劉婭，張麗榮.超寬帶室內定位系統.測控技術，2007年，第7期.

作者簡介：

曹琪 （1975-）男，山東魚臺，武漢水利電力大學，工程師，主要從事電廠熱控生產技術管理工作.