基于可穿戴設備的電廠人員安全管理的研究與應用

石祥文，眭華軍，豐國林，祝 銳，馬 騁

（1.國家能源集團 諫壁發電廠，江蘇 鎮江 212006；2.上海迅見自動化有限公司，上海 200125）

0 引言

人員安全是所有生產工作的基礎。在火電廠中，人員安全問題尤為突出。這是由于火電廠作業環境是一個大型的、復雜的立體空間。而且，火電廠還存在高溫高壓力設

備多、高電壓超高電壓設備多、吊空鏤空情況多、金屬管道密布等特點。因此，火電廠生產現場的人員人身安全問題特別突出，常見人身事故包括：1）走錯間隔或走錯位置造成的誤操作和人身傷害事故；2）不同現場人員之間的協調不暢造成的誤操作和人身傷害事故；3）人員高空墜落事故；4）設備事故引起的爆炸、氣體泄漏、傾倒等造成人身傷害事故。

多年以來，火電廠人員安全事故仍然頻繁發生[1]，這是火電企業面臨的重大問題。但是，當前發電廠管理者通常特別關心的問題，如現場人員實時位置、人員安全狀態、臨時安全區域設置和監控、不同現場人員之間的協調等問題，都無法進行實時的、在線的管理。

針對上述問題，本文研究了一種基于可穿戴設備的火電廠人員安全實時管理系統，并在火電廠中成功應用。

1 定位算法

目前，多數定位技術都采用的是無線技術。無線技術的定位方式主要有距離測量法和方向測量法兩類。常用的定位技術有：到達角度法（AOA：Angle of Arrival）、接收信號 強度法（RSSI：Received Signal Strength Indication）、到 達 時 間 法/ 到 達 時 間 差（TOA/TDOA：Time/Time Difference of Arrival）估計等[2]。

1.1 到達角度法

到達角度法（AOA）是利用兩個位置相對固定的接收機，根據測量發射節點與接受節點之間的角度信息來推導節點之間的距離。兩個接收機間位置固定距離已知，可測得分別與目標發射機的角度，兩個接收機（AP）分別據測量自身相對目標位置的角度，計算上可以分別得到兩個射線，其交點便是目標位置[3]。通過多個天線陣列或多個接收器結合，可實現AOA 的測量。

AOA 法原理簡單、計算量小，并能達到一定的定位精度。但是AOA 法依賴于波達角度的估計，如果現場物體略有遮擋，就會產生較大誤差，而且信號散射現象導致測量精度隨著距離增加而明顯下降[4]。此外，AOA 法要求采用定向天線或天線陣列，硬件設計較為復雜。這些問題限制了AOA 法的推廣應用。

1.2 接收信號強度法

接收信號強度法（RSSI）是在明確信道傳播模型和無線信號發射功率的基礎上，由接收節點根據收到的信號強度，通過測量獲得的接收功率與已知信標節點的發射功率的差值，得到從發射機到接收機傳輸過程中信號的傳播損耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉換成目標物節點到參考節點的推算距離，實現對目標物的定位[5]。

由于信號強度法（RSSI）依靠信號在環境中的損耗值來測距，因而對周圍環境的干擾非常敏感。而多數工廠作業環境存在大量周邊物體，會對信號產生嚴重地遮擋、反射或者吸收，同時也往往存在其他多種較強無線電信號干擾。因此，會導致系統測得的實際信號衰減值出現嚴重誤差[6]。因此，RSSI 法不適用于工廠作業環境。

在一個平面內，從距離推算出位置，至少需要3 個已知坐標的定位基站，3 個定位基站同時利用脈沖信號測得與被測目標之間的距離。以3 個定位基站所在位置為圓心，分別以3 個距離為半徑做圓，則3 個圓的交點即為移動節點所在位置，這種方法也稱為“三點定位法”。

三點定位法適用于平面上定位（二維定位），如果需要三維空間的定位測量，則需要至少4 個定位基站。如果測量環境是隧道、走廊等細長形，可以近似成一條線，這種情況可以用一維定位，只需要2 個定位基站就可以了。

1.3 到達時間法（TOA）

到達時間法（TOA）是利用信號在發射機和接收機（定位基站和被測目標）之間的傳播時延來實現距離測量。如果知道脈沖從一個點到另一個點的傳播時間，根據電波傳播速度，就可以獲得發射機和接收機之間的估計[7]。因此，可以判定被測目標位于以定位基站所在的位置為圓心，定位基站與被測目標之間的距離為半徑的圓周上。

TOA 定位的優點是計算過程簡單，無需復雜的學習過程，但是TOA 法需要視距無遮擋。如果定位基站與被測目標之間有遮擋，則會形成折射和繞射，導致準確性下降。此外，空間中各種噪聲的干擾和硬件的延遲現象會使測量值與實際距離存在很大的誤差，在存在較強反射的密閉環境中，無線多徑效應對定位精度影響非常大。不過，在有遮擋和干擾情況下，TOA 法的效果要遠好于AOA 法和RSSI 法。

1.4 到達時間差法（TDOA）

到達時間差法（TDOA）是利用不同基站接收到同一移動站的定位信號的時間差來測量，并由此計算出移動站到不同基站的距離差[8]。TDOA 法與TOA 算法相比，TDOA法發送信號時不需要加入專門的時間戳，也不需要定位基站與被測目標之間的時間高精度同步。但是，TDOA 法必須保持多個基站之間高精確時間同步。

TDOA 法定位至少需要3 個定位基站，其中一個是主站，兩個是從站。3 個定位基站同時接收到被測目標發出的信號，兩個從站把接收時間發送給主站，主站分別計算該時間與自身接收到的被測目標時間之間的時間差，把時間差換算成距離差，形成兩個距離差曲線，兩個距離差曲線的交點就是被測目標的平面位置。

通過測試分析可以發現，被測目標的位置位于3 個被測基站所組成的三角形內部時，定位的準確度最高，越靠三角形邊沿的位置，誤差越大。這主要是由于TDOA 法的距離差曲線是雙曲線型的，而不是像TOA 法那樣是標準圓形。因此，邊沿區域和邊外區域，誤差會越來越大，解決這一問題的方法只能是布設更多的基站。

2 室內高精度定位技術

室內定位無法采用室外定位一般采用的衛星定位技術，如GPS、北斗等，這是因為衛星定位技術難以穿透建筑物，而且只能投影定位，因此進行高度定位。

在過去30 年里，出現了很多室內定位技術，文獻WiFi 基站定位、無線射頻（RFID）定位、藍牙定位、UWB定位、紅外線定位、超聲波定位、可見光定位、ZigBee 定位、地磁定位、基于移動通信網絡的輔助GPS 定位、地面數字通信及廣播信號定位、偽衛星定位。這些室內定位技術中，有些嚴格來說不是定位，而是存在性檢測，如RFID技術、紅外線技術等。文獻[9][10]介紹了這些技術的原理。部分室內定位技術對比見表1。

表1 部分室內定位技術對比Table 1 Comparison of indoor positioning techniques

圖1 人員安全管理系統的系統架構Fig.1 Architecture of personnel security management system

從表1 中可以看出，只有UWB 技術可以達到亞米級的高精度實時定位。此外，UWB 具有功耗極低、抗干擾能力很強、安全性高等方面優點。因此，本文選擇了UWB 作為定位監測的基本技術。

UWB 信號是指相對帶寬超過中心頻率20%，或者絕對帶寬超過500MHz 的信號。UWB 技術用于定位時，利用的是發射和接收大帶寬脈沖信號進行位置測算的。相比較于傳統的窄帶信號，UWB 超大的帶寬保證了其具有穿透力強、發射功率低、傳輸速率高、抗多徑效果好等優點。正是這些優點，使它在室內定位領域中得到了較為精確的定位結果。

3 系統的功能

本文開發的高精度人員安全管理系統，通過在電廠生產區內布設有限數量定位基站，實時精確地定位現場人員的位置，實時發現現場人員位置錯誤報警、心率突變報警、人員呼救報警，零延時地將人員位置信息和上述報警信息顯示在集控中心，實時向現場人員發送各種提示信息，進行安全區域管控、目標對象在崗監控。位置精度理論值達到20cm 級、有干擾和部分遮擋時30cm，提高電廠管理水平。

3.1 系統設計原理

高精度人員安全管理系統的系統架構如圖1 所示。

人員安全管理系統由人員手環、定位基站、TCP/IP 局域網、服務器、監控中心等構成，也可以通過網絡中的分布式終端計算機訪問，或者開通Internet 網絡，通過手機等移動終端訪問。

系統的基本工作原理如下：

每個現場人員佩戴的人員手環是一個基于UWB 信號的標簽，該標簽定時發送包含識別信息的UWB 脈沖信號。人員手環具有心率檢測功能，當心率異常時向后臺報警；具有高空跌落檢測功能，如果以自由落體速度下落超過2m，則判定為意外跌落，并向后臺報警；人員手環還可以接收系統自動發出的警告信息或者監控中心人工發出的通報信息；人員手環還具有操作按鈕，可以實現緊急情況下的一鍵呼救功能。

定位基站檢測到附近的標簽信號，基于TOA 算法計算與該標簽之間的距離。3 個或以上定位基站檢測到該標簽的距離，根據預先設計好的定位基站坐標可以計算出該標簽在平面內的精確坐標，并將結果送到服務器。定位基站與人員手環之間通過UWB 的通信協議進行各種信息的交互。

服務器的功能包括數據庫服務、報警服務、交互信息處理服務、系統后臺管理、Web 服務等。系統后臺管理可以進行系統配置、地圖配置、人員配置、電子圍欄配置、歷史數據查詢等功能。

監控中心實現人機交互查詢和操作，可以在圖形界面中實時查詢所有人員位置，點擊某個人員，可以查詢該人員的詳細信息，如部門、職務、狀態、軌跡、歷史報警等信息。監控中心實時接收各種報警信息，可以通過報警信息跳轉到報警人員所在區域。監控中心還可以向現場人員發布事故或警告信息。

圖2 定位基站外觀Fig.2 Appearance of positioning base station

各部門管理人員可以基于網絡，使用計算機或手機等移動終端訪問查詢監控中心的各項功能。

3.2 定位基站的技術指標

定位基站外觀如圖2 所示，其主要技術指標如下：

1）定位技術：UWB，TOA。

2）通信方式：基于TCP/IP 協議，有線以太網或WIFI。

3）定位精度：30cm。

4）檢測半徑：單基站50m（視距條件）。

5）采樣時間可以設置，缺省采樣時間1s。

6）供電方式：以太網供電（POE）或者直流24V，具有上電自恢復工作能力。

7）內置電池：可充電鋰電池，外部電源掉電時，可維持工作8h。

8）掉電報警：外供電失去時后臺報警。

9）天線形式：內置全向天線。

10）同步機制：無需同步機，無需精確矯正，抗震動干擾。

11）防水等級：IP65。

3.3 人員手環的技術指標

人員手環的外觀如圖3 所示，其主要技術指標如下：

1）定位技術：UWB。

2）心率傳感器：具有心率監測功能，心率異常時向監控中心報警。

3）加速度傳感器：具有跌落監測功能，高空跌落時向監控中心報警。

4）振動馬達：具有震動提醒功能。

5）液晶屏：顯示文字交互信息。

6）具有緊急呼救按鍵。

7）具有智能電量管理功能，充電一次工作時間＞5 天（開心率監測）或15 天（關心率監測）。

8）具有低電量報警功能，電池電量不足時，向監控中心報警。

（1）在做動物心臟實驗時，我們一般先指導學生觀察豬心的外形等外部組織結構，識別心房、心室等結構；切開豬心后，觀察豬心的內部形態和結構，指導學生觀察心室壁、瓣膜等結構的形態。隨后，我們通過解剖家兔，在活體上觀察心尖的跳動、心率、節律、與心臟相連接的血管、心臟的收縮與動脈搏動的關系等。通過心臟實驗使學生對人體心臟結構、形態、功能等方面有所掌握，加深對教材知識的理解；同時讓學生親自動手分辨心臟結構組織，真實觸摸心臟，感受心臟觸感，提高其對心臟知識的理解程度。

9）具有手表的時間日歷、電量顯示功能。

10）防灰防水等級IP65。

圖3 人員手環外觀Fig.3 Appearance of safety bracelet

圖4 典型實時監控界面示例Fig.4 Typical example of real-time monitoring interface

11）適應火電廠各種電子噪聲、強電磁輻射等環境。

3.4 軟件的技術和功能

系統的典型人機交互界面如圖4 所示。

人機交互界面基本框架中，框架頂部包括系統登錄信息、在線的人員（標簽）和定位基站數量、滾動實時報警信息、實時報警分類統計。框架底部有實時報警、人員管理、標簽管理、任務管理、歷史記錄、歷史報警、系統管理等功能按鈕。

中間是主顯示區，缺省顯示當前查詢區域的人員位置實況，左上角有當前顯示區域所在的層次關系。點擊圖中某個人員會打開對話框，查詢該人員的詳細信息。

系統的軟件主要基于以下技術路線開發：

2）服務器采用Linux 環境自主開放的時序數據庫。

3）客戶端采用WEB 訪問方式，不需安裝瀏覽器插件。

4）提供基于HTTP 的開放接口API，與具體程序語言無關。

5）同時支持經過授權的手機訪問，并且不需安裝App程序。

圖5 300MW機組爐內的煙道吹灰器中上層定位基站和無線路由器布設圖Fig.5 Layout upper and middle positioning base station and wireless router of flue soot blower in furnace of 300MW unit

6）兼容多種云空間平臺，可以在本地與云平臺間自由遷移。

7）一般性系統維護可在線進行，不影響系統正常工作。

4 應用實例

該系統已經成功應用于國家能源諫壁發電廠的2×1000MW 和2×300MW 機組的現場人員安全管理中。特別是，系統成功應用于鍋爐爐膛內部和脫硫吸收塔內部檢修時的人員安全監控。

鍋爐爐膛內檢修的工作環境非常復雜而且條件惡劣，在正常運行時由于高溫而無法安裝任何通信設備，只能在機組停運時歷史布設定位基站。而且鍋爐爐膛是一個大型、全金屬、基本密閉的空間，無線信號基本無法直接穿透。因此，必須解決爐膛內外信號傳遞問題。

本系統采用全無線通信，內置電池供電模式，克服了鍋爐爐膛內部難以布線問題，并采用預設位置、爐降溫后臨時布設的方法解決了定位基站的布設問題。在每層的一個人孔位置，采用一個自供電的無線路由器，解決了無線信號傳遞的問題。

以300MW 機組爐內的煙道吹灰器中上層（8 層）為例，其布設圖如圖5 所示。

磨煤機出口管平臺層（2 層）是一個開闊的立體空間，采用標準的四邊形布置方式，由于檢修時有大量腳手架，因而定位基站和無線路由器可以固定在腳手架的管架上，其布設圖如圖6 所示。

5 結論

圖6 定位基站和無線路由器固定示意圖Fig.6 To fix the positioning base station and the wireless router

本文開發了一套基于可穿戴設備的人員安全管理系統，并將該系統成功應用于國家能源諫壁發電廠的2×1000MW和2×300MW 機組的現場人員安全管理中。特別是，該系統成功應用于鍋爐爐膛內部和脫硫吸收塔內部檢修時的人員安全監控。通過該系統，電廠管理者可以實時在線監控現場人員的生命體征、跌落事故、走錯區域等風險，實時收到人員呼救信息。

該項目的開發與實施，可以實現對生產人員安全的實時、精準管理，從而大幅度預防和減少人員傷害事故的發生，也可以預防和減少誤操作等原因造成的設備事故，保證生產經營活動得以順利進行，這些都具有重要的經濟效益；同時，該項目的開發與實施，是人員安全管理信息化、實時化、自動化的重大突破，必將帶來人員安全管理方式的重大變革。