基于人員定位技術(shù)的半潛平臺船體建造安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 興， 路俊智， 程雪飛

(海洋石油工程(青島)有限公司，青島 266520)

0 引 言

半潛平臺船體部分的建造相較于普通船體，具有空間狹小、通道復(fù)雜、立體交叉、噸位大等特點(diǎn)，對半潛平臺船體在建造中存在的施工面廣、多工種交叉、人員密集、流動(dòng)性大等安全管理問題提出了新的挑戰(zhàn)。每個(gè)隔艙涉及有限空間作業(yè)管理，而隔艙的內(nèi)部又可能涉及交叉作業(yè)，面對復(fù)雜多變的施工環(huán)境，傳統(tǒng)的人員巡查方式已經(jīng)無法進(jìn)行施工現(xiàn)場作業(yè)及時(shí)有效的全覆蓋。同時(shí)由于金屬電磁屏蔽效應(yīng)，存在無線通信不暢的情況，傳統(tǒng)的通信手段無法對現(xiàn)場人員進(jìn)行查找跟蹤，一旦出現(xiàn)火災(zāi)、中毒等應(yīng)急救援情況將不能第一時(shí)間獲得信息或及時(shí)得到救援，給半潛船體建造現(xiàn)場的應(yīng)急救援等安全方面帶來了一定的管理難度。

傳統(tǒng)的室內(nèi)人員定位系統(tǒng)方案日漸成熟，在醫(yī)院、養(yǎng)老院、隧道施工等場所得到了推廣和應(yīng)用[1-2]，而將人員定位技術(shù)應(yīng)用到船舶建造的施工現(xiàn)場中鮮有方案應(yīng)用[3]。雖然國外的船舶公司也進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，但目前未取得成功，和我國一樣處于起步階段[4-5]。將人員定位系統(tǒng)的人員數(shù)據(jù)與安全管理相結(jié)合，為安全管理信息化提供數(shù)據(jù)支持，可有助于安全管理信息化的發(fā)展。本文通過對人員定位技術(shù)研究，利用人員定位技術(shù)與半潛平臺建造期間的安全管理相結(jié)合，探討一套以人員定位技術(shù)為核心的半潛平臺船體建造安全管理系統(tǒng)，并在半潛平臺船體陸地建造中驗(yàn)證人員定位技術(shù)，用于保障半潛平臺船體陸地安全建造的可行性及適用性，為安全管理信息化提供數(shù)據(jù)支持。

1 人員定位系統(tǒng)研究

人員定位技術(shù)是以人員的位置跟蹤為目標(biāo)的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其脫離于現(xiàn)有的手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、GPS等常規(guī)網(wǎng)絡(luò)，通過在一定區(qū)域內(nèi)自建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)流的信息交互，避免了常規(guī)網(wǎng)絡(luò)存在金屬屏蔽的情況，具有通信穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)可控的特點(diǎn)。目前人員定位技術(shù)常用的無線通信技術(shù)已經(jīng)成熟，并廣泛地應(yīng)用于倉儲、醫(yī)院、船舶、商場等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對人員位置的跟蹤服務(wù)。

目前常用的人員定位系統(tǒng)根據(jù)通信制式的不同可分為藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee(紫蜂)技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)以及UWB(超寬帶)技術(shù)，按照定位算法和定位精度的不同可以分為一維定位、二維定位及三維定位。根據(jù)定位精度、算法及通信制式的不同，可以總結(jié)出定位系統(tǒng)由3部分組成[6]： 人員攜帶的定位卡、位置標(biāo)定的信標(biāo)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基站。定位卡由人員攜帶，用于人員身份的識別和信息傳遞，如緊急呼叫、數(shù)據(jù)傳遞等。信標(biāo)點(diǎn)放置在格艙、房間、通道等位置，用于位置標(biāo)記功能，實(shí)現(xiàn)與后臺地圖位置相關(guān)聯(lián)。基站則主要用于對整個(gè)區(qū)域信號的全覆蓋，并將收集的信息傳遞給終端服務(wù)器，進(jìn)行相關(guān)功能的運(yùn)行。信標(biāo)點(diǎn)與定位卡之間的無線通信常用藍(lán)牙、Wi-Fi、 UWB、 ZigBee等2.4G高頻通信，一般通信距離在10 m內(nèi)，適合近距離通信。基站與信標(biāo)點(diǎn)或定位卡進(jìn)行通信，一般采用500 MHz的低頻通信，具有較好信號穿透性，適合遠(yuǎn)距離通信，基于上述系統(tǒng)常用的人員定位系統(tǒng)方案有2種架構(gòu)模型，具體如圖1和圖2所示，每種模型其核心是實(shí)現(xiàn)信息的交互，都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本方案采用的是第一種人員定位模型。

圖1 信標(biāo)點(diǎn)-定位卡-基站模型Fig.1 Model of punctuation-positioning-base station

圖2 定位卡-信標(biāo)點(diǎn)-基站模型Fig.2 Model of positioning-punctuation-base station

2 人員定位系統(tǒng)方案

本方案采用基于藍(lán)牙的人員定位系統(tǒng)方案[7]，采用信標(biāo)點(diǎn)-定位卡-基站模型，重工建造的現(xiàn)場在建造中無須精確定位，只需要進(jìn)行區(qū)域定位，能夠知道人員的大概位置即可滿足要求，基于此方案采用信號強(qiáng)度法的一維定位算法。信標(biāo)點(diǎn)： 內(nèi)置藍(lán)牙通信技術(shù)，使用電池供電，安裝在定位區(qū)域，不間斷進(jìn)行藍(lán)牙信號廣播，廣播信息中包含了信標(biāo)點(diǎn)編號、電池電量、信號強(qiáng)度等狀態(tài)信息。定位卡： 內(nèi)置藍(lán)牙、低頻兩種通信技術(shù)，使用電池供電，人員隨身攜帶，通過藍(lán)牙接收信標(biāo)點(diǎn)的廣播，并將自身的數(shù)據(jù)信息通過低頻通信發(fā)送到基站。基站： 內(nèi)置低頻通信技術(shù)，與定位卡進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)信息交互，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，進(jìn)行位置解算、顯示等功能。

信標(biāo)點(diǎn)采用低功耗的藍(lán)牙技術(shù)，功能單一，功耗低，體積小，成本低，可采用磁吸、膠粘等方式進(jìn)行固定安裝，使用壽命一年。由于低成本，制作成一次性產(chǎn)品，具有部署方便、設(shè)備維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。定位卡承擔(dān)數(shù)據(jù)交互和傳遞的功能，能耗較高，而人員隨身攜帶，便于充電，設(shè)備損壞維修、替換方便。基站： 采用220 V供電，采用低頻通信，覆蓋范圍大，用量少，減少部署時(shí)間。同時(shí)也存在一定的缺點(diǎn)，如定位卡投入成本高、通信容量受限等，但對于復(fù)雜多變的重工施工現(xiàn)場環(huán)境，本方案現(xiàn)場部署較少的線路，避免了施工的復(fù)雜性，同時(shí)也利于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

3 安全管理系統(tǒng)部署

傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)院、公園、倉庫等場所，現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境穩(wěn)定，無強(qiáng)磁干擾等問題，并且對無線信號的屏蔽小，有利于人員定位系統(tǒng)的部署。半潛平臺船體建造屬于過程管理，相較于傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)部署存在一定的區(qū)別，如無線傳輸、電磁干擾、通信帶寬、地圖完善、設(shè)備部署等問題。同時(shí)，半潛平臺船體建造中涉及安全管理工作，如人員權(quán)限管理、應(yīng)急管理等，圍繞著人員定位技術(shù)開展應(yīng)用于半潛平臺船體建造現(xiàn)場的安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署工作[8]，具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 安全管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture of the safety management system

圍繞著信標(biāo)點(diǎn)-定位卡-基站模型系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行硬件的部署工作，系統(tǒng)在人員定位方面使用2.4G的藍(lán)牙無線+低頻無線方案。信標(biāo)點(diǎn)設(shè)備部署在需要定位的空間區(qū)域，對外廣播藍(lán)牙信號，藍(lán)牙通信距離一般為10 m內(nèi)，由于現(xiàn)場鋼鐵的信號屏蔽效應(yīng)，降低了藍(lán)牙信息的覆蓋范圍，對于在艙室、隔艙、房間等較封閉區(qū)域提高了人員定位準(zhǔn)確度，為了提高人員定位的準(zhǔn)確性，將在每個(gè)艙室、房間、走廊等區(qū)域安裝信標(biāo)點(diǎn)。考慮到施工現(xiàn)場處于一個(gè)變化的過程，大量的安裝外部供電的信標(biāo)點(diǎn)存在一定的施工難度，選用電池版的信標(biāo)點(diǎn)設(shè)備部署現(xiàn)場，可以靈活快捷地部署現(xiàn)場，滿足施工現(xiàn)場的需求。基站設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)對施工區(qū)域無線信號的全覆蓋，采用低頻無線通信方案，一般通信距離為100 m，為了提高現(xiàn)場信號穩(wěn)定性，可以增加部署密度。基站設(shè)備負(fù)責(zé)將無線信號匯總后通過網(wǎng)線傳遞到后臺服務(wù)器中，用于人員定位服務(wù)。定位卡屬于便攜式電子設(shè)備，施工人員隨身攜帶，當(dāng)人員進(jìn)入基站的無線范圍內(nèi)將自動(dòng)與基站進(jìn)行信息交互，人員行走中接收信標(biāo)點(diǎn)的無線廣播，通過信號強(qiáng)度法完成一維位置的定位，同時(shí)收集信標(biāo)點(diǎn)的工作狀態(tài)，上傳到服務(wù)器中，用于后臺設(shè)備狀態(tài)顯示和管理。

人員定位系統(tǒng)屬于單向的信息傳遞，在現(xiàn)場管理中，后臺人員在緊急情況時(shí)需要進(jìn)行雙向溝通，以滿足施工應(yīng)急管理需求。基于此，在施工現(xiàn)場部署了應(yīng)急廣播系統(tǒng)[9]，在走廊、房間等區(qū)域部署廣播喇叭，當(dāng)后臺出現(xiàn)異常時(shí)，例如人員報(bào)警、無授權(quán)進(jìn)入、緊急撤離等，可進(jìn)行信息廣播，提高現(xiàn)場應(yīng)急能力。

4 系統(tǒng)運(yùn)行及驗(yàn)證

通過系統(tǒng)研究，開展基于人員定位的安全管理系統(tǒng)在半潛平臺船體建造過程中的應(yīng)用測試。系統(tǒng)測試的半潛船體平臺信息如下： 長100 m，寬100 m，高80 m，立柱21 m×21 m×60 m。施工現(xiàn)場共布署了信標(biāo)點(diǎn)、定位卡、基站、喇叭、服務(wù)器、應(yīng)急廣播共6類設(shè)備，具體數(shù)據(jù)如表1所示，設(shè)備安裝及定位系統(tǒng)顯示效果如圖4和圖5所示。

表1 設(shè)備投入清單Tab.1 List of deploy equipment

圖4 設(shè)備安裝效果圖Fig.4 Effect drawing of equipment installation

圖5 定位系統(tǒng)顯示效果截圖Fig.5 Screenshot of display effect of positioning system

部署完畢后進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行和驗(yàn)證工作，在人員定位方面，后臺數(shù)據(jù)可以順利查詢現(xiàn)場人員定位卡、信標(biāo)點(diǎn)、基站設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。結(jié)合實(shí)際需求，對設(shè)備信息進(jìn)行深度分析，通過隨機(jī)選取某一時(shí)刻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從人員定位成功率和設(shè)備連通率對系統(tǒng)可行性進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 人員定位成功率數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Data of success rate of personnel positioning

表3 設(shè)備連通性數(shù)據(jù)記錄Tab.3 Data of device connectivity

(續(xù)表)

通過表1和表2數(shù)據(jù)，在人員定位成功率方面，一開始存在丟數(shù)據(jù)情況，通過現(xiàn)場查看，主要存在定位卡電量不足的情況，通過后臺提供低電量報(bào)警功能，大大提高了人員定位成功率。在設(shè)備連通性方面，基站通過網(wǎng)線連接，成功率極高，但在施工中存在無意斷線的情況，需要人員進(jìn)行維修，通過優(yōu)化現(xiàn)場布線和網(wǎng)線保護(hù)等措施。信標(biāo)點(diǎn)的通信是通過定位卡間接傳遞到基站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的，隨著人員定位卡數(shù)量的增加，人員的活動(dòng)范圍將擴(kuò)大，信標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集的機(jī)會將增加，滿足方案設(shè)計(jì)之初的規(guī)劃。

在應(yīng)急救援方面，通過人員定位后臺的人員位置信息情況掌握現(xiàn)場的施工狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生意外或者尋求幫助時(shí)，通過廣播系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場人員調(diào)動(dòng)和部署工作，再通過人員位置的移動(dòng)情況印證應(yīng)急救援的有效性，對于解決現(xiàn)場的應(yīng)急救援問題具有積極的效果。

5 結(jié) 語

半潛平臺船體建造中存在較多的安全管理風(fēng)險(xiǎn)，而以人員定位為基礎(chǔ)的安全管理系統(tǒng)對于提升施工現(xiàn)場的安全管理水平具有一定的幫助，通過將人員定位與應(yīng)急廣播結(jié)合應(yīng)用到施工現(xiàn)場的安全管理中，驗(yàn)證了其具有可行性和適用性。在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)人員定位系統(tǒng)部署的過程實(shí)際上是施工現(xiàn)場組建自有網(wǎng)絡(luò)的過程，一旦通信網(wǎng)絡(luò)建立，該系統(tǒng)將具有一定的提升和擴(kuò)展能力，如通過引入作業(yè)許可管理、人員控制、隱患跟蹤、違章處理等功能，可以使基于人員定位系統(tǒng)的安全管理功能更加強(qiáng)大，通過進(jìn)一步的研究和應(yīng)用，可為未來安全管理信息化方面提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。