UWB人員定位系統在火力發電廠的應用

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

電力生產現場非常特殊，電廠范圍大，設備眾多，管線復雜，需要管理和維護的設備眾多。而保證電廠工作人員按照指定的規則巡檢這些設備，防止工作人員進入危險區域，以及了解廠區工作人員的狀況，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鍵環節[1]。

隨著現代科技的飛速發展，越來越多的新技術和新產品被運用到火力發電廠運行和管理中，火力發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，已經走出試驗室，被越來越廣泛地應用到各行各業。超寬帶（UWB）定位技術是一種全新的、與傳統通信定位技術有極大差異的新技術，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、系統復雜度低[3]、定位精度可達厘米級，應用前景廣闊[4]。

發電廠廠內轉動機械多，干擾大，設備數量多，遮擋嚴重，安全要求高，即使在當前嚴格的發電廠生產管理制度的管理下，每年也會發生很多人身安全事故。可見，在發電廠采用人員定位技術加強電廠人員的安全管理還是有必要的。

1 UWB人員定位系統的組成

人員定位系統主要由人員攜帶的定位標簽、接收信息的定位基站、傳輸和供電的網線及POE交換機、上位機及定位軟件等組成，系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

定位標簽和定位基站是系統最重要的設備。定位標簽用于尋找定位基站和發射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、定位信息數據上傳等，普通基站只具有被動同步、接收無線脈沖UWB定位信號、定位信息數據上傳的功能。定位基站將接收到的定位信號通過網線和POE交換機上傳到上位機，置于上位機的定位軟件，將不同基站的定位信息解碼，進而通過定位算法，依據解碼后的原始定位信息計算出移動目標——標簽的具體定位結果。

2 UWB人員定位系統的關鍵算法

TDOA定位類似TOA，但是TDOA不像TOA那樣對目標與微機站之間有嚴格的時鐘同步，因此得到了廣泛應用。TDOA定位通過計算時間差的原理進行定位，最能突出UWB信號時間分辨率高的優點。基于到達時間差，TDOA定位算法的實現過程主要分為三步：一是根據時延估量標簽發送UWB信號到達基站的測量值T；二是根據TDOA計算距離d然后聯立方程組；三是采取球體定位方法計算待定位標簽的位置[5]。

本系統采用少基站幾何定位TDOA算法。以二維定位為例，令（x0，y0）為需要定位的標簽的坐標，（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）分別為三個基站的坐標。d10、d20、d30為各基站與標簽的距離，根據以上定義，可以得到如下基本關系公式：

后面的方程減去前面的方程，并且令d21、d31為到達時間差，則d21=d20-d10，d31=d30-d10，進而得到以下關系：

式中：d21、d31為標簽信號達三個基站的時間差，可由標簽—定位測量獲得實際數據。

若進行如下定義：

將此式代入公式（1），則得到關于d1的一元二次方程式，然后通過求解關于d1的一元二次方程，獲得d1的數值，再將d1代入式（11），則獲得定位的結果。因一元二次方程式有兩個結果，選擇相對誤差偏小的結果，從而獲得定位標簽的具體定位。

圖2是在發電廠汽機房進行定位測驗的結果。

圖2 幾何TDOA算法定位結果

圖中的方格間距為1 m，用于測量定位結果的誤差；“A”樣的標志為基站；疊加在底圖的曲線為標簽移動時產生的軌跡線。由定位結果可知，少基站幾何定位TDOA算法結果波動較小，定位誤差波動程度小，可作為人員定位算法的基礎。

3 UWB人員定位系統的功能

本系統通過融合應用多種無線通信和傳感技術，實現電廠中人員、設備、環境的全過程、多維度狀態感知、態勢分析和實時管控。其功能如下：

3.1 實時顯示

系統可通過平面、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。

3.2 軌跡回放

系統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，運動軌跡數據保存時長（自動保存多少天的數據）可根據客戶需求定制。

3.3 考勤管理

系統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行查詢，導出個人的考勤記錄；可以通過圖表的方式直觀查看出勤率和出勤人數。

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）批量導入、導出人員信息；可以通過人員姓名查詢人員狀態；可以管理各類人員出入時間。

3.5 電子圍欄

系統提供電子圍欄的功能，將敏感區域、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，僅具有權限的人員才可進出或靠近，系統若發現有未授權的員工進出或靠近，系統將立即在客戶端上進行報警，第一時間告知管理者出現危險情況，使管理者及時應對。同時，系統通過基站對誤入電子圍欄區域員工發送報警指令，提醒員工盡快離開無權限電子圍欄區域。

3.6 求救、撤離

當工作區域某處發生危險（火災、爆炸等）時，管理人員通過管理系統下發撤離命令，系統會第一時間發出警報并通知危險區域內的人員進行撤離；現場人員可以通過標簽卡向控制中心發出求救信號，管理人員收到求救后可通過視頻聯動功能實時定位到現場畫面，從而快速處理求救，避免事故擴大。

3.7 重要設備管理

管理監控系統除保證員工的安全作業外，也具有保護貴重物資、防護危險品的功能。對于需要保護或防護的物資，將定位標簽安裝在需要監控的物體上，標簽卡具有防拆功能，若被拆下，則標簽卡自動上傳強拆信號，標簽卡和管理軟件同時報警。管理者可通過系統軟件設置每個被監控物體的安全區域，若發現被監控物資被移出安全區域，管理軟件將進行聲光報警；同時，系統會給被移動物資上的標簽卡下發報警指令，標簽卡收到指令后也會聲光報警，提醒違規操作者；系統同時啟動視頻聯動，實時對物資所在區域現場畫面進行記錄保存。

4 UWB人員定位系統在火力發電廠的應用

華電忻州廣宇煤電有限公司為了響應集團的智能化發展，建設了基于虛擬信息物理融合技術的智能風險預控管理系統，其中一個重要部分就是人員定位系統。本系統通過融合應用多種無線通信和傳感技術，實現電廠中人員、設備、環境的全過程、多維度狀態感知、態勢分析和實時管控。

4.1 定位基站和定位標簽設計

POE定位基站性能指標如表1所示。

定位標簽參數如表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，依據定位精度要求的不同，采用不同策略，實現人員分類、位置顯示、軌跡查詢、設置權限和危險呼叫等功能。

主廠房0 m，總共布置86臺室內型定位基站，實現對汽機側重點區域的二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

主廠房6.9 m，總共布置90臺室內型定位基站，實現對汽機側重點區域的二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

主廠房12.6 m層，總共布置24臺室內型定位基站，實現對汽機側區域的二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

熱網站0 m層，總共布置20臺室內型定位基站，實現二維精確定位和一維定位。

熱網站7 m層，總共布置20臺室內型定位基站，實現二維精確定位和一維定位。

熱網站12 m層，總共布置20臺室內型定位基站，實現二維精確定位和一維定位。

升壓站室外區域布置16臺室外型定位基站，實現二維精確定位。

空冷配電間及網絡控制樓0 m層，總共布置16臺室內型定位基站，實現二維精確定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

空冷配電間及網絡控制樓6.9 m層，總共布置16臺室內型定位基站，實現二維精確定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

化學水車間區域總共布置58臺室內型定位基站，實現重點區域二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

煤場及輸煤區域總共布置84臺室外型定位基站，實現重點區域二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位；為了避免對高精密的電子產品產生干擾和影響，電子間不安裝定位基站。

廠區主要道路總共布置50臺室外型定位基站，實現重點區域二維精確定位、次重點區域的一維定位、非重點區域的零維定位。

表1 POE定位基站性能指標

表2 定位標簽參數

4.3 實現功能

系統基于超寬帶（UWB）無線通信技術的亞納秒級超窄脈沖對現場操作人員的厘米級精確定位，實現現場人員行為實時感知和關鍵位置的安全圍欄，同時對異常行為通過聯動視頻進行全程監控和管理；系統通過基站內置的多類型環境監測無線傳感器實現對現場環境數據的可靠、實時采集；系統中的設備運行狀態監測傳感器群與基站進行無線組網，對設備狀態數據進行采集和傳輸；上述人—機—環境數據通過基站上報到主控平臺并進行綜合化分析和決策，實現廠內人員異常行為管控，以及設備狀態和環境變化的態勢分析和預警。與此同時，廠內巡檢人員可通過手持終端根據需要對設備運行狀態進行現場采集，并通過廠內基站網絡進行數據上報，實現人工巡檢和狀態檢修相結合的高效、靈活的運維模式。

5 結語

由上文所述可以看出，在物聯網技術大發展的背景下，發電廠可以考慮部署人員定位系統以提高企業安全管理水平，實現安全生產。采用人員定位系統，輔加電廠可視化三維系統，發電廠可直觀地監管人員軌跡，提高事前預測、事后追溯、應急響應的水平，可用于電廠日常巡檢人員監控和檢修期間的人員管理，如進一步與視頻監控、人臉識別、安全報警等結合，此系統將大幅度提升發電廠人員管理和生產監控的安全水平。

人員定位技術在發電廠的應用方興未艾，隨著安全事故成本的增加、物聯網技術的成熟，越來越多的發電廠將可采用先進的安防科技，在已有安全管理制度的基礎上，利用人員定位等技術提升發電廠的本質安全管理水平。通過人員定位技術提高發電廠生產安全保障水平，必將逐漸成為行業共識。