基于區域空間算法的虛擬檢修區域誤觸報警方法

馮德權，熊詠梅，謝志奇，劉海力，黃敏

（烏江渡發電廠，貴州遵義 563100）

近年來，以互聯網技術為核心、以“工業4.0”和“工業互聯網”為代表的新一輪科技變革正在深刻影響傳統產業發展。而工業4.0 相關的物聯網、人機互動、三維模型、精準定位、智能穿戴等技術都得到了快速發展，也在醫療、運輸、應急等眾多領域得到了廣泛運用，為實現發電行業的智能化安全監管奠定了技術基礎。

綜合運用高精度定位技術、網絡通信技術、智能信息處理技術等高科技手段，結合發電廠廠房三維模型，實現生產區域佩戴定位標簽的作業人員的所在位置在三維模型中實時展示，實現安全管理人員能實時監視區域內作業人員的位置和活動軌跡。

因此，該文在發電廠安全監管領域提出了以物聯網技術為支撐，以發電廠安全管理業務深度結合為基礎，實現發電廠的智能安全監管的研究課題，為有效應對當前安全生產管理中存在的問題，提升安全生產管理水平，最大程度減少事故發生的概率和損失，提供了解決方案。

1 區域預警與區域空間算法

1.1 骨骼動畫與粒子特效

優秀的視覺效果能更好地吸引人的注意力、更高效地傳遞信息、提升使用感受。骨骼動畫和粒子特效是區分與普通三維展示的重點技術。

在人員行走時，可以使用骨骼動畫。骨骼動畫是模型動畫中的一種，當前有兩種模型動畫的方式：頂點動畫和骨骼動畫。在骨骼動畫中，模型具有互相連接的“骨骼”組成的骨架結構，通過改變骨骼的朝向和位置為模型生成動畫。

標識危險區域火情、漏水時，使用粒子特效進行模擬展示。粒子特效通過三維軟件開發功能模塊模擬現實水、火、霧、氣等效果。

1.2 電子地理圍欄與三維緩沖區分析

地理圍欄（Geo-fencing）是LBS的一種新應用，就是用一個虛擬的柵欄圍出一個虛擬地理邊界。

當人員進入某一區域時，系統通過空間相交運算，實時判定是否越界。三維緩沖區分析，可以實現人員靠近危險區一定距離時就開始提醒風險。

1.3 七參數位置轉換

由于室內場景相互獨立，沒有統一的坐標框架。人員的位置信息也是獨立坐標系統，為了完成數據的融合，需要對位置信息進行轉換。文中擬采用七參數位置轉換模型來進行高精度轉換。

兩個三維空間直角坐標系在轉換過程中，一般選用數學方程組參數模型，共計設計了7 個模型未知參數，即：

1）3 個坐標平移量（△X、△Y、△Z）

表示在三維直角坐標系內所處坐標原點存在的差值結果；

2）3 個坐標軸的旋轉角度（△α、△β、△γ）

根據指定的旋轉角度，完成3 個坐標軸的不同角度旋轉，可以最終獲得重合xyz軸的兩個直角空間坐標系。

3）尺度因子k

代表在兩個直角空間坐標系中，同段直線所代表的長度比，尺度比例k值一般為1。

以上7 個參數通常稱為七參數。運用七參數進行的坐標轉換稱為七參數坐標轉換。定位算法圖如圖1 所示。

圖1 定位算法圖

1.4 基于WebSocket的信息快速響應

由于人員一直處于活動中，對人員的安全提醒必須做到盡可能實時，信息在系統中的傳輸需要盡可能的快速。文中擬用WebSocket 技術，最大限度地降低時間延遲。

WebSocket 作為實現單TCP 基礎上的全雙工通信協議，該通信協議在2011 年被定為國際標準，IETF 統一提出了協議標準RFC 6455，并在后續補充WebSocket 協議標準規范RFC7963，該通信協議在應用中定義W3C 為WebSocket API的標準。運用WebSocket 通信協議，可以簡化系統服務器、客戶終端二者之間的數據交流轉換，允許服務器終端將數據簡化并主動推送至客戶端。在WebSocket API 協議內，只需服務端一次握手瀏覽器，即可建立雙方之間的持久連接，實現兩端的數據信息傳輸。

2 虛擬監測區域誤觸報警設計

2.1 誤觸報警系統設計功能需求

1）模塊化系統設計，要求能夠做到準確、實時且快速地采集檢修區域的實際現場安全情況狀態信息，并對信息進行確認后即可向中央控制器通報傳輸。還能夠實時準確報告現場區域的險情，及時通知給監管人員；

2）用戶端自動報警器能夠完成現場檢測傳輸線路及傳感探測器組件本身的故障問題，并將檢測區域故障及時傳輸給中央控制器組件；

3）需要提供報警器備用電源，對于突發停電問題可以采用自動化切換交流、直流供電，這樣便可有效保障停電狀態下，系統仍然可以保持正常有效的工作。

2.2 系統方案設計

文中基于坐標轉換算法的虛擬檢修區域報警系統，主要組件分別為定位模塊、蜂鳴器（聲光告警器）、電子開關等元件，如圖2 所示。

圖2 系統設計原理框圖

該系統包括了檢測電路、定位模塊、控制頻率模塊、語音報警四大功能模塊。該系統能夠高效瞬時地成功檢測人工無法發現的危險情況，將其轉變為電路信號，實現報警器自動發出警報?？刂祁l率功能模塊能夠根據差異化頻率，獲得相應頻率警報，及時讓工作人員了解檢修區域內的具體情況。對于不同情況所產生的警報信號，經控制頻率模塊輸入電路內，進而產生警報信號。然后經語音警報模塊，將原本警報信號轉變為語音警報。

3 系統整體設計

3.1 定位方案

UWB 高精度的人員定位系統的硬件主要由定位基站和定位標簽組成。通過部署高精度定位基站，工作人員佩戴定位標簽，結合人員定位軟件系統實現對人員的精確定位。定位方案如圖3 所示。

圖3 定位方案示意圖

3.2 實施架構

人員定位系統由定位硬件層、網絡連接層、數據解算層和應用層組成。定位硬件層是無線定位系統實現定位功能的主體部分，包括定位基站和定位標簽；網絡連接層用于將定位微基站采集的數據回傳到數據中心；數據解算層則是實現標簽位置計算的關鍵；應用層針對可視化的需求，完成了業務層面的呈現。實施架構示意圖如圖4 所示。

圖4 定位設備實施架構示意圖

4 系統詳細功能實現

4.1 檢測電路功能模塊

檢測電路功能模塊作為運用坐標轉換法進行誤觸檢測的關鍵技術，在單穩態觸發器處于穩態的情況下，一旦觸發器接入外界脈沖，便會改變觸發器狀態為暫穩態。該功能模塊采用多諧振蕩器組件，成功接通電源后，將產生相應的幅值、頻率波作為脈沖信號源，如圖5 所示。通過系統定時功能，有效控制脈沖輸出時間長短，在一定時間后便會轉變原本的暫穩態為穩態，實現了差異化時間段。

圖5 檢測電路模塊架構

4.2 定位模塊

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術作為近年來廣泛應用的無線載波通信技術，能夠運用納秒級非正弦載波脈沖實現數據信息的高速傳播，因此其所占的頻譜范圍很寬。相較傳統通信技術有顯著技術優勢，經發送接收納秒級、亞納秒窄脈沖即可完成數據傳輸。

運用UWB 調制通過采用納秒級脈沖寬度完成脈沖快速上升和下降，由直流覆蓋脈沖頻譜轉為GHz，無需常規窄帶轉變RF 頻率，在獲得成型脈沖后即可直接經天線發射。想要調整頻譜形狀，可以根據脈沖的持續單脈沖具體形狀，以及負載天線的特征來調整。使用脈沖寬度為納秒級的無線脈沖信號作為定位載波，是無線定位領域的定位精度最高、性能最穩定的技術。UWB 定位系統如圖6 所示。

圖6 UWB定位系統技術物理層示意圖

4.3 控制頻率模塊

在該檢修區域誤觸報警系統設計中，系統運行會產生固定頻段，為了能夠成功發出相應報警聲音，設計該段頻率為1.2 kHz，結合該系統的設計需求，產生了1.2 kHz 頻率段，此外系統選擇了0.1 μF的電容組件。

4.4 語音告警模塊

當檢測到預警區域有人員進出時，系統自動推送告警并聯動語音告警模塊，通過告警聲及告警光的方式警示區域人員，同時后臺推送告警信息給安全管理人員，使其可以在第一時間通過實時視頻的方式遠程了解現場實際情況，防止安全事故的發生。

5 結束語

文中對發電廠安全生產的業務數據進行系統性的整合，即與發電廠現有的視頻監控系統、Oncall 系統和多媒體安全生產教育培訓系統的業務數據進行集成，實現安全監管業務信息互聯互通、業務信息流的閉環管控和數據共享，綜合應用物聯網、三維模型、人員定位、智能穿戴以及視頻智能分析的先進技術，實現生產環境安全風險的提前發現和預警，便于積極采取針對性控制措施，有效管控安全風險，預防安全生產事故，提升企業的本質安全，實現智能安全監管。