UWB定位技術的應用研究

高思琪，孫建平

（華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003）

0 引言

當前電力生產中，發生人身傷亡事故的情況仍舊很多。2006年全國發生電力人身死亡事件48起，死亡人數達到106人[1]。2017年，全國發生電力人身傷亡事件53起，死亡人數達到62人?？梢钥闯?，過去10多年，全國電力安全生產人身死亡事故的情況雖有減少，但仍然很高，安全管理的問題沒有得到根本解決。如果通過主動、實時的安全提醒、預防和控制，建立全廠智能化本質安全防控體系，就可避免人身傷亡事故的發生。

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，獲取人員的實時位置是電廠管理中關鍵的環節。例如，在人員管理中，通過獲取人員的位置，判斷該員工的工作狀態，了解關鍵崗位、安全相關崗位人員是否及時到崗，是否擅自離崗；通過記錄員工的運動軌跡，可以判斷員工是否巡更了設備；通過劃定危險區域電子圍欄，可以及時對進入或接近危險區域內的人員及時預警等。

圖1 前向測距過程Fig.1 Forward ranging process

超寬帶（UWB）技術是近年來新興的一種高速傳輸數據的無線通信技術，其傳輸速度，最高可達1000Mbps以上。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，正是這些優點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果，精度達到10cm級、一般遮擋30cm；它利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈、沖傳輸數據。不需常規窄帶調制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發射[2]。超帶寬信號的輻射非常低，其電磁波輻射通常只有手機輻射的千分之一，對人體的影響也會很小，低于WIFI。因此，在工業上應用時，其不存在對其他儀器儀表的干擾問題，故可以大量應用于工業環境的特殊實時定位需求。

本文是基于UWB定位技術所研究的電廠安全主動系統所應用的定位系統，以室內定位建立一個小范圍預測模型，并通過在水電廠的仿真結果證明其實效性。通過在電廠三維模型中，應用高精度定位技術、無線通訊技術，結合視頻、門禁的聯動控制，集成設備臺賬、實時數據、工單、兩票、巡點檢等一系列設備運行和生產管理數據，建設一個與電廠真實生產場景完全一致的虛擬空間，即信息物理融合系統（CPS）。在信息物理融合系統中建立主動安全數據庫，將人員任務與主動安全數據庫對接，在人、機、料、法、環5個維度對人員的生產作業的全過程進行主動安全監控，實現本質安全管理。

1 UWB（超寬帶）定位技術

1.1 UWB定位技術原理

圖2 TDOA定位原理Fig.2 TDOA Positioning principle

超寬帶（UWB）技術，采用TOF算法和TDOA算法相結合，基于TOF測距的無線定位系統采用的處理策略是分布式定位。這種定位算法是在本地移動節點中實現的，結束運算后，通過ZigBee無線網絡把定位結果發送到主控節點；定位測距是采取基于傳輸時間特性的TOF測距機制。TDOA測距是依據雙曲線的定位原理，測得定位目標的UWB信號同時到達兩個接收機的時間差，時間差乘以光速就可獲得距離差[3]。因為到達兩個定點的距離差為定值的軌跡是雙曲線，根據兩個或者多個雙曲線的交點，可以求得待定位點的目標位置。

1.2 TOF測距

TOF測距機制采用類似于到達時間TOA傳輸時間差測距方法，距離測量是使用雙向通訊時間，傳輸時間測量機制是很精準的。TOF測距可以實現前向和反向兩個方向的測距，在前向測距中，測距的主動節點是本地節點，在此系統中為移動節點。由本地節點發送數據包，此系統中的定位錨點也就是遠程節點，接收數據包馬上進行自動響應[4]；反向測距的主動節點是遠程節點，由本地節點進行通知，遠程節點采取測距操作，再由遠程節點發送數據包，本地節點接收數據包再立刻進行自動響應[5]。如圖1所示，該圖是前向測距的進行過程，本地節點發送測距請求，然后再發送數據包，該數據包被遠程節點接收后，對響應幀進行回復。

在此進行過程中，數據幀和回復幀的發送或者接收的時刻被本地節點、遠程節點記錄，然后獲取兩個時間差TTOT與TTAT。

無線電波在空氣中的單向傳輸時間如公式（1）所示：

兩節點間的距離如公式（2）所示：

1.3 TDOA定位

TDOA是指信號到達時間差，某個標簽節點發送無線信號，利用到達不同定位基站的時間差，可以計算出標簽節點與各個定位基站之間的距離差（通過無線信號的傳播速度）。得到的距離差符合雙曲線方程的條件，標簽節點就在雙曲線的一個分支上，可以直接求得待定位點的目標位置（通過利用兩個或者多個雙曲線的交點）[6]，如圖2所示。

2 UWB（超寬帶）定位技術在電廠主動安全創新中的應用

2.1 在電廠安全中的應用

行為安全通過多種在生產區域布置的技術裝置，對現場人員的工作進行輔助、監督與防護，通過技術手段將規章制度落實到生產現場，減少現場安全違章和傷亡事故[7]。人員定位技術目前已廣泛應用于礦業、隧洞施工等領域，在電力、石化等工業行業也有試點應用。其硬件技術目前相對成熟，技術路線主要有GPS、WIFI、UWB等，GPS、WIFI定位精度不高，其中WIFI定位可作為現場無線通訊的附加功能以較低成本實現一定功能，除此以外，GPS技術路線并不適用于工業場合。UWB技術安全可靠、定位精度高（厘米級）、成本可控，較適用于電力等工業場景，UWB也是目前礦業人員定位的主流技術路線[8]。

該項技術的應用核心在于在發電行業中的具體應用功能，目前主要總結如下：

1）人員考勤及人員進出生產區管理。

2）人員實時定位與軌跡管理。

2.2 關鍵模塊功能設計

2.2.1 關于基站設計

1）無線發射芯片：DW1000，設計通訊距離 300m～500m

2）CPU： STM32L051單片機（低功耗）為主控芯片。通過SPI，讀寫DW1000模塊[9]。

3）UWB通訊距離（無遮擋）：＞300m

4）穩定有效覆蓋半徑：150m～300m

5）定位精確度誤差（空曠/復雜）：＜10m～30cm

6）支持遠程固件升級：基站安裝位置比較高，施工調試需及時方便，需遠程升級及參數設置。

7）基站間通訊：視現場環境，可選擇POE交換機網絡或者WIFI環境，考慮不依賴性通訊設計，自組網進行數據傳輸。

8）為組網方便，支持WIFI接入。

9）WIFI模塊采用MXCHIP EMW3162。內置高性能低功耗Cortex-M3微控制器、128KB RAM + 1MB Flash[10]?？梢岳肕iCO的 TCP/IP協議棧、多種安全加密算法來實現各種嵌入式Wi-Fi，內置WIFI瘦AP。

2.2.2 關于標簽設計

1）主控制器：TI-CC2640(STM32L051)。支持藍牙，全區域覆蓋性定位中針對小辦公區域環境的存在性檢測需求，增加擴展性，支持多種基站并存情況下的低成本應用[11]。

2）廣播數據報：可設定時間間隔發送廣播數據報，兩幀數據報作為完整廣播數據報文分析。

3）有源低功耗設計：鋰電池1000mah，預計工作30天。

4）內置十軸傳感器：監測人員、設備姿態；支持人員、設備的安全性監測，針對單基站模式，提供運動方向角，作為計算中參考使用。

圖3 有線網絡傳輸架構Fig.3 Wired network transmission architecture

5）緊急報警按鈕：雙鍵按鈕，緊急情況下通過按紐向監控中心報送[12]。

6）天線：陶瓷板載天線。

2.2.3 關于定位模式設計

1）依據不同現場環境，支持單基站、雙基站、多基站定位實時精確定位。

2）支持TOF、TDOA混合實時精確定位計算。

3）支持低成本存在性實時定位監測。

3 利用定位技術可在電廠主動安全通訊應用中達成效果

3.1 有線網絡傳輸架構

定位基站通過POE交換機進行供電和數據傳輸，將二者合二為一。如圖3所示。

3.2 應用實例

對核島建設現場安放一定數量的定位基站，對現場3000多名作業人員實行精確定位，對施工現場人員數量、人員位置完成了實時監控?？记趫蟊砣鐖D4所示。

軟件可以顯示人員的實時位置，有平面和列表兩個方式，有助于管理者對人員狀態的了解[13]，在統計人數時可分區域。如圖5所示。

軟件對員工的運動軌跡會自動保存，管理者可以查看員工在某一時間段的運動軌跡，并查找姓名或工號。如圖6所示。

系統通過軟件可以設定或者刪除電子圍欄，可以通過設置員工的進入權限和安全距離達成電子圍欄功能。如圖7、圖8所示。

員工如果遇到緊急突發情況，通過長按卡上面的“呼救”按鈕，可以立刻發送求救命令；現場發生災情時，管理人員可立即發出指令撤離并選定撤離區域，軟件會向在該區域的員工發出撤離命令。如圖9所示。

圖4 核島建設現場的考勤報表Fig.4 Attendance report on the nuclear island construction site

圖5 人員實時位置圖Fig.5 Real-time location map

圖6 員工實時運動軌跡圖Fig.6 Employee real-time motion trajectory

圖7 電子圍欄示意圖Fig.7 Electronic fence diagram

圖8 報警界面Fig.8 Alarm interface

圖9 撤離區域顯示圖Fig.9 Evacuation area display

4 結論

利用UWB定位技術，實現了人員在室內、地下通道、地下廠房等處更精確的實時定位功能，解決了GPS在室內或環境復雜地方不能工作的問題。定位系統的功能包括實時監控、事件告警等[14]。針對電廠夜間值班人員少，工作強度大的特點，設計了符合電站特點的無線定位系統，實時監控人員動態?；赨WB定位技術繼續深層次研究，擴大功能實現，將可以實現實時Wi-Fi人員定位、設定Wi-Fi無線巡檢、實時Wi-Fi語音調度3大功能，非常適合電廠的現場特點、工作環境和運行管理需求[15]。在電廠實現高效智能人員定位管理、無線巡檢、語音調度等方面具有新的突破。可為今后在發電廠全部區域內搭建基于Wi-Fi網絡的無線人員定位、無線人員巡檢、無線語音調度的綜合平臺提供技術支撐，為電廠完善管理手段、主動防范事故、提升安全管理水平創造有利條件，將為企業帶來良好的經濟效益和社會效益。