UWB安全管理系統

劉志華

(太原重工股份有限公司 技術中心 礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引言

隨著工業領域智能化和自動化水平的不斷提高，工廠對人員安全管理的要求也越來越高，因此越來越多的安全管理系統開始應用于各類型工業設備現場，如倉儲物流、城市服務、汽車產線等，但在工業領域中，尚處于不斷開展應用的過程[1]。為對工廠人員進行安全管理，開發設計了UWB安全管理系統，對工廠指定生產區域實施人員進行安全防護。

UWB安全管理系統不僅可以通過區域劃定和電子圍欄等方式對進入管理區域的人員進行識別、監控、告警、統計，還可以與工業設備管理系統進行數據交互，共同管理人員安全，而且各組件安裝輕松快捷，調試簡單方便，對工廠人員的安全管理起到了不可或缺的重要作用。

1 系統總體設計及功能

對于UWB安全管理系統設計，首先應根據需定位的人員數量、使用環境、設備要求等要素來確定系統總體方案，然后根據要解決的譬如位置采集、進入監控、及時報警、數據交互等各類問題來規劃設計系統的各項功能，以進一步根據實現的功能確定系統的硬件組成，最后根據管理要求來實現軟件和管理功能。

1.1 系統總體方案規劃

通過對用戶需求進行采集調研和現場實地考察，繪制了系統框圖并對定位基站的實際分布進行總體規劃設計，最終確定了定位人員總數為1 000人，定位基站數量為78個，安全圍欄區域為3個(分別是234 m×24 m、270 m×28 m、80 m×24 m)的UWB安全管理系統。

系統的主要技術指標確定為：工作頻段為3 GHz～7 GHz;脈沖帶寬≥500 MHz;定位數據延時≤1 s；最小傳輸間隔≤1 ms；發射功率≤-40 dBm/MHz；接收靈敏度≤-90 dBm；室內典型精度≤30 cm，如有一般遮擋平均誤差≤50 cm；無遮擋通訊距離≥100 m；單定位區域標簽容量大于500(1 Hz)，系統標簽容量大于100 000。

1.2 安全管理功能設計

規劃好系統功能后，開始設計安全管理的各主要功能，如圖1所示。

圖1 UWB安全管理系統功能結構框圖

(1) 權限管理：主要是根據安全管理員、設備操作工、維護人員等權限的不同對系統的各類功能模塊進行分類管理。安全管理員具有最高權限，并對系統所有用戶的權限進行管理和分配，確保安全策略和安全管理逐級落實執行到位。

(2) 考勤：針對在崗人員進行考勤，負責對安全管理系統電子圍欄區域內的日常工作人員進行上崗記錄、考勤報表和匯總分析等。

(3) 運動軌跡管理：對人員在圍欄區域內的運行軌跡進行展示、追朔和跟蹤。此功能不僅可用于對當前圍欄內人數和所在方位進行全面展示，而且可以選定人員進行指定時間內的運動軌跡追朔，還可以對指定的進入圍欄區域的人員進行定向跟蹤，描述其運動軌跡，用于安全管理。

(4) 報文管理：匯總來自UWB安全管理系統、工廠管理系統和設備的各類信息，然后進行分類管理，輸出給安全系統管理員，方便管理員全面掌握系統內各類人員、設備和信息的狀態[2]。通過報文功能，工廠安全管理員不僅可以全方位無死角地了解圍欄內人員的分布和安全信息，而且可以通過人機界面繪制臨時撤離區域并進一步通知圍欄內相關人員用于緊急情況下的安全管理，如圖2所示。

圖2 電子圍欄內劃定臨時撤離區域

(5) 數據交互：采用TCP/IP協議方式進行數據打包，建立數據接口用于向上層管理系統傳輸數據。使用S7數據打包格式與設備PLC進行數據交互，具體數據包組如圖3所示。

圖3 UWB安全管理系統交互數據包組

每位進入圍欄區域的人員都會生成如圖3所示的一組數據，同時進入圍欄區域的人員不大于40人/次，所以基于上述數據組我們建立了40組數據用于人員的識別與管理。

(6) 拓展接口：主要用于與工廠管理系統的數據共享以及與其他系統交互接口的拓展，方便工廠內各管理系統及時共享人員和安全數據，對工廠進行整體化系統化的管理。

(7) 電量管理：及時掌控安全區域內人員所戴標簽的當前電量狀態、并對異常的標簽進行警告，當標簽電量低于10%時向標簽持有人發出報警和充電通知。

(8) 告警：對人員、設備等運動軌跡、運動區域、行動不合理(如作業人員長期不動)或異常(如設備過快移動)等觸發各類告警事件。具體包括通過標簽按鈕觸發的主動告警和通過預設條件觸發的自動告警。

(9) 實時定位：對人員、車輛、設備、資產等對象進行定位，分為電子圍欄、危險區域劃定和人員精準識別三種模式。

(10) 標簽識別管理：對標簽進行分類管理與識別，不同區域的人員擁有不同的標簽類別。如管理、訪客、維護、巡檢以及日常工作人員都應有不同類型的標簽定義和識別編號，將各類型標簽錄入控制和管理系統，然后根據類型和編號分別對人員進行分類管理[3]。

2 硬件組織結構設計

硬件系統主要包括中央服務器、中央交換機、遠程登錄站、多媒體展示、子網分布交換機、基站、標簽、配電系統等，其組織架構如圖4所示。

圖4 UWB安全管理系統硬件組織架構

中央服務器用于安全管理系統的軟件布置。中央交換機用于外接云網和子網。遠程登錄站主要用于對系統的遠程訪問和管理。多媒體展示用于用戶參觀。子網分布式交換機用于將各基站接入到云網中。

基站主要用于對區域的劃分以及對人員的定位，通過基站的布置劃定電子圍欄和危險區域，并通過經緯度來識別進入區域的各類人員。標簽是基站識別人員位置的信號源。

配電系統主要用于系統供電，其包括穩壓電源、交換機懸掛柜、施工電纜輔材、橋架和橋架連接固定裝置、光纖電纜、斷路器等各類元件以及附件[4]。

3 軟件實現

本文基于Linux系統，采用C#語言進行系統軟件設計，主要包括系統配置模塊、權限管理模塊、考勤模塊、運動軌跡模塊、報文信息管理模塊、通訊接口模塊、電量管理模塊、告警模塊、定位管理模塊、標簽管理模塊、基站校準模塊、系統診斷模塊、固件升級模塊等，用于系統管理和人機交互。

本文以通訊接口模塊為例介紹軟件的實現。通訊接口模塊的建立過程如圖5所示。

圖5 通訊接口模塊建立過程

4 系統應用

該系統已被推廣應用于國內某大型鋼鐵集團的智能化改造項目，滿足了定位精度、系統容量、安全防護等[5]各項技術指標要求，起到了良好的安全管理效果。圖6為設計完成的UWB安全管理系統架構。

圖6 UWB安全管理系統架構

5 結語

本文闡述了UWB安全管理系統的規劃和設計過程，通過為工廠安裝布置UWB安全管理系統，不僅可以幫助用戶和設備廠商實時了解人員進出狀態，而且能及時報告各類安全報警事件，更能幫助工廠進行人員和設備安全的分級分類管理，為工廠的安全管理提供了支持和保障，具有良好的推廣前景和應用效果。