基于UWB 定位技術的監所智能巡控管理系統

編者按：本文提出通過使用超寬帶高精度室內定位技術，實時記錄巡邏軌跡和警務人員在每個監室窗口前的停留觀察時間。這將作為警務人員的工作考核依據，徹底解決對警務人員巡邏任務無法有效監督的長期問題，為監所增添一道有力的安全防護屏障。

長期以來，警務人員的巡邏行為無法得到有效的監督，國家法律規定的警務人員定時巡視監室的工作內容變得敷衍了事，巡而不視的現象已經成了常態。這不僅造成巡控崗位的效用大打折扣，還會疏漏監所中隱藏的眾多安全隱患問題，釀成嚴重后果。

隨著定位傳感器、數據采集裝置、多元化組網通信等技術的廣泛應用，通過定位感知技術提升監所安全等級，促 進監所管理的智能化已經成為可能。

方案設計

1.總體實現架構

本文提出的設計方案總體架構如圖1 所示。在監所巡邏走道內每隔30～50 m布設接收一個UWB 超寬帶信號的接收基站，巡邏警務人員需佩戴企業員工工牌尺寸的定位標簽卡，基站和標簽卡中均設有UWB 信號處理模塊，標簽卡保持廣播UWB信號狀態，基站設置為實時掃描并接收UWB 信號狀態。基站將接收的信號通過以太網傳送至軟件系統端，系統端的位置解算模塊將標簽卡數據實時解算成警務人員位置信息。定位功能模塊則根據位置解算模塊傳送的位置信息對警務人員巡邏位置及巡邏行為進行實時界面展示與監督。

圖1 方案架構圖

2.硬件設計

本文方案的硬件設計部分為佩戴在巡邏警務人員身上的定位標簽卡，和安裝在巡邏區域的定位基站。下面對設計原理和思路進行介紹。

（1）UWB移動標簽設計方案

定位標簽卡的作用是實時將警務人員信息和時間戳信息，通過UWB 廣播信號形式發送出去。為了增強定位標簽卡的實用性，標簽卡設計為能在警務人員遇到危險時實時SOS 報警，標簽低電量時發出充電指示提醒，標簽靜置一段時間后進入休眠模式保證功耗續航。為了實現上述功能，UWB 標簽由充電管理、DW1000系統、MCU 系統、震動傳感器、報警系統和顯示系統組成。具體實現架構如圖2 所示。

圖2 移動標簽設計原理圖

圖3 基站設計原理

由總體硬件設計框架可知，嵌入式程序主要實現以下功 能：SOS 報警；UWB 原 始信號廣播傳輸；震動監測；電量管理。設計思路是主控程序定時啟動DW1000 模塊發送UWB 信號數據幀，并定時檢測當前系統的震動狀態，震動狀態下整機處于工作狀態，停止狀態下將啟動整機停機狀態。同時，實時檢測按鍵，響應按鍵操作，上傳報警指示；還可以改變指示燈的工作狀態，來指示當前MCU系統狀態，長亮表示充電狀態，快速閃爍表示初始化狀態，0.5s閃爍并閃爍10 次表示報警狀態。

（2）UWB 參考定位基站設計方案

UWB 參考基站的作用是實時掃描移動標簽發送的UWB 信號幀，并將信號及基站自身的信息數據打包實時上傳到服務端系統。整體設計主要由POE 供電系統、DW1000 系統、MCU 系統、以太網通信系統、串口通信、EEPROM 存儲、適配器供電系統（預留）和WiFi 通信（預留）等組成。此外，驅動支持串口通信和EEPROM 存儲。具體基站設計原理如圖3 所示。

圖4 智能巡控管理系統功能框架

系統功能模塊設計

智能巡控管理系統以感知層移動目標點位置數據為基礎，通過定位系統服務器采集感知層定位基站接收的移動標簽卡的數據，基站本身數據，進行綜合位置解算，以此判斷警務人員巡邏過程中的位置和移動軌跡，并結合視頻聯動數據，實時分析和監督警務人員的巡邏任務完成情況。

監所智能巡控管理系統運行流程如圖4 所示：感知層數據通過以太網上傳到服務端之后，服務端通過UDP數據傳輸協議進行數據接收。因為數據幀發送頻率較快，數據會持續滾動產生，而且數據量較大，本文設計將數據存儲到大數據貯存庫，同時，通過非關系數據庫MongoDB 對其進行半年的存儲作為短期備查。在業務層設計方面，本文采用RabbitMQ 消息中間件進行中轉緩存，和Web 端業務展示系統進行HTTP 數據通信，將位置和移動行為軌跡進行實時的界面展示。對于業務層數據，系統架構采用分布式原理，將地圖數據和警務人員業務數據、包括姓名、工號和組織架構等，通過Restful API 接口層與前端進行通信及功能交互。

系統的實現功能主要有：

1.定位解算和數據概覽。系統通過定位解算功能模塊，實現定位數據的解算，并在解算引擎中保存解算的定位日志。根據實時業務數據，從多個維度進行數據分析，得出監所的警員出勤情況、突發事情發生及處理情況、警務人員工作任務完成情況等。

2.實時定位。系統通過底層感知數據和持久層的業務數據，將位置數據實時展示在中控大屏界面上，監所管理人員可以在中控室大屏上實時看到警務人員的實際巡邏移動軌跡。

3.軌跡回放。系統可保存歷史軌跡數據，并可根據個性化需求展示警務人員在歷史巡邏任務中的移動軌跡，查看警務人員在每個監室停留觀察的執行情況。

4.SOS 報警。警務人員遇到危險時可通過移動標簽的SOS 報警按鈕進行求助，按下SOS 告警按鍵之后，智能巡控管理系統會收到信號，并發出語音提醒。

5.巡邏行為智能分析。系統通過智能分析模塊，實時統計分析警務人員的巡邏任務完成質量，并給出客觀考核的評判結果，作為警務人員的績效考核判斷依據。

6.視頻聯動。系統可根據實時定位情況，聯動附近的攝像頭，實現定位和視頻的聯動監控查看功能。

應用實例及分析

本系統已在江西某看守所投入運行。智能巡控管理系統的實時監控界面可通過中控室大屏上直觀展示，實現對警務人員的巡邏行為監控。另外，除了實時監控，還可以通過時間和姓名檢索，查看警務人員的某一天的巡邏軌跡，實時地看到警務人員的歷史巡邏情況。并可點擊視頻聯動。現場應用證明，智能巡控管理系統為監所巡邏監督管理提供了更加智能化并且更加有效的監督手段，保證了警務人員巡邏任務的完成質量，提升了監所的安全系數，且系統運行穩定。

1.警務人員巡邏行為考核

通過實時定位分析，可以統計警務人員巡邏次數、每日巡邏時間、對每個監室的停留觀察時間，并設定閾值判定每個監室停留觀察時間是否合格，以此計算出警務人員的巡邏成績，并作為民警巡邏工作的考核判定依據。

2.智能分析評判

監所智能巡控管理系統中，最為核心的關注點為警務人員的每日巡邏次數、警務人員對監室巡邏觀察的時間、警務人員巡邏總時間、發現處理的緊急事件，它們分別表征了警務人員的出勤情況，對每個監室停留觀察情況，應對處理突發事件情況。通過這些數據的對比分析，可以看出警務人員的巡邏任務的完成質量。智能巡控管理系統以數據可視化的形式從多個維度對數據分析結果進行呈現。

（1）警務人員對每個監室巡邏總時間對比

智能巡控管理系統投入使用之后，相較于之前的巡更打卡統計方式，本文選取了6 位巡邏警務人員一個月的巡邏時間數據進行對比分析，警務人員的巡邏時間平均增加38%，對每個監室停留觀察的時間有了保障，巡而不視的問題得到了解決。

（2）監所內沖突危險等事件發生率統計

三個月內沖突危險等事件的統計數據對比分析后表明，相比之前的巡更打卡系統，智能監督管理系統的智能監督在突發危險事件的控制效果顯著，監所內的各種沖突危險等事件平均降低47%以上。其中對可疑行為觀察力度增強，三個月內發現的可疑行為數量增加50%以上。

總結

本研究提出的監所智能巡控管理系統，借助物聯網技術采集大量數據，結合視頻感知技術并通過多個維度數據分析來實現有效監督警務人員巡邏任務的完成質量，加強了監所的安全管理，徹底解決了監所內執行巡邏任務警務人員巡而不視的問題。

通過智能巡控管理系統的應用，監所內打架斗毆事件明顯減少，監所內被監管人員的行為更加規范，不服從管理的數量和行為明顯減少。警務人員的巡邏工作風貌也得到了很大的改善。智能巡控管理系統是未來智慧監所建設內容的重要組成部分，在未來監所智能化改革中將發揮重要的作用。