淺析發(fā)電企業(yè)移動(dòng)人員快速定位方法探究

國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)源電力有限公司 李建明 王朝飛

安全生產(chǎn)作為電廠管理的重要環(huán)節(jié)，人員安全問題更為凸顯，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)輔助安全管理成為了趨勢(shì)，因此急需研究一套發(fā)電企業(yè)移動(dòng)人員快速定位方法。

發(fā)電企業(yè)定位人員主要包括電廠職工以及外委人員，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)備環(huán)境，人員稍有不慎即有可能發(fā)生人身安全問題，尤其檢修期間，外委人員數(shù)量多、人員素質(zhì)低、安全培訓(xùn)不到位等各種情況而導(dǎo)致發(fā)生人員安全事件，因此需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)于人員歷史軌跡情況、現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控情況、重大危險(xiǎn)源區(qū)域非法闖入情況、到崗到位情況進(jìn)行監(jiān)控與監(jiān)督，以保障現(xiàn)場(chǎng)人員的安全問題。定位系統(tǒng)可結(jié)合目前已完成建設(shè)的視頻系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、兩票等系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)與安全生產(chǎn)的緊密結(jié)合。

1 人員定位技術(shù)選型

目前針對(duì)室外定位來說，更多的應(yīng)用于GPS 進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，包括對(duì)人員、車輛等，對(duì)室外信號(hào)強(qiáng)度要求高，但是針對(duì)發(fā)電企業(yè)來說，更多的是要對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景如鍋爐房區(qū)域、汽機(jī)房區(qū)域等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，因此GPS 定位方式不太適用。

針對(duì)室內(nèi)定位目前比較常見的技術(shù)主要有WIFI、藍(lán)牙、Zigbee、UWB 等技術(shù)，工業(yè)場(chǎng)景的安全定位服務(wù)主要針對(duì)的是人員與設(shè)備，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境而言，UWB 其抗干擾性、穩(wěn)定性、定位準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，同時(shí)UWB 技術(shù)提供厘米級(jí)的定位精度使得此技術(shù)更加適用于發(fā)電企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的定位要求，因此基于以上UWB 的各種優(yōu)點(diǎn)，選擇采用UWB 超窄脈沖的厘米級(jí)無線定位技術(shù)[1]，從根本上解決了這一問題，同時(shí)針對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景可設(shè)置多維度的定位應(yīng)用。

存在定位（零維定位）：即我們所認(rèn)知的進(jìn)入檢測(cè)，通過感知被定位的標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度和精確距離來判斷目標(biāo)是否進(jìn)入了識(shí)別區(qū)域，通常應(yīng)用于不需要精準(zhǔn)定位的辦公樓、控制樓、小房間等場(chǎng)景。

線性定位（一維定維）：在某些狹長(zhǎng)的區(qū)域或場(chǎng)景下，管理人員更關(guān)注被定位的目標(biāo)在線型道路上的移動(dòng)軌跡，常用的場(chǎng)景有走廊、通道、道路、輸煤棧橋等。

精準(zhǔn)定位（二/三維定維）：該種定位模式一般適用于大面積、開闊的場(chǎng)景下，它能提供被定位目標(biāo)精準(zhǔn)的位置坐標(biāo)（X,Y），同時(shí)還能提供樓層高度。常用的場(chǎng)景有汽機(jī)房、鍋爐房等。

2 定位算法的選擇

發(fā)電企業(yè)不同于一般的工廠，具有設(shè)備多、復(fù)雜，危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)，此時(shí)不僅需要二維空間定位，更需要三維空間定位，例如電廠的鍋爐普遍都有十幾層樓房高，二維定位便不能滿足定位需求，而UWB 定位技術(shù)通常情況下有如下幾種算法：

TDOA（Timedifferent of arrival，時(shí)間差定位法）：采用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位時(shí)，通過測(cè)量被定為標(biāo)簽信號(hào)到達(dá)不同基準(zhǔn)站的時(shí)間差，利用多組時(shí)間差，通過二次函數(shù)相交解算算法，就能確定信號(hào)發(fā)射源（標(biāo)簽）的位置[2]。

TOF（Time offlight，飛行時(shí)間法）：基于測(cè)距的定位方式，需要被定位的標(biāo)簽和每個(gè)基站發(fā)起測(cè)距，測(cè)距完成后進(jìn)行位置計(jì)算。零維模式下只需要和一個(gè)基站測(cè)距即可；一維模式下，至少需要和兩個(gè)基站測(cè)距；二維模式下，至少要和三個(gè)或以上基站測(cè)距；特殊模式下，則可以和兩個(gè)基站測(cè)距等。

AOA（Angle ofArriva，到達(dá)角度定位法）：基于相位差的方式計(jì)算出信號(hào)到基站不同天線的到達(dá)角度，即可測(cè)算出被定位標(biāo)簽的大致位置。該算法一般不單獨(dú)使用，由于AOA 涉及到角度分辨率的問題，若單純采用AOA 進(jìn)行定位，離基站越遠(yuǎn)定位精度就越差。

綜上所述，UWB 定位技術(shù)采用的算法主要有[3]：時(shí)差定位技術(shù)、信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量(AOA)技術(shù)、到達(dá)時(shí)間差定位(TDOA)和飛行時(shí)間定位(TOF)等。本系統(tǒng)采用TOF 算法進(jìn)行測(cè)距，TOF 是一種雙向測(cè)距技術(shù)，它通過測(cè)量UWB 信號(hào)在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時(shí)間來計(jì)算距離。其基本原理是基站連續(xù)發(fā)射UWB 信號(hào)到被觀測(cè)物體（標(biāo)簽）上，標(biāo)簽接收到信號(hào)后，發(fā)送UWB 信號(hào)給基站。通過測(cè)量UWB 信號(hào)飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離，基于TOF 測(cè)距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)[4]。

3 三維可視化技術(shù)應(yīng)用

人員快速定位展現(xiàn)手段以電廠三維高保真模型為基礎(chǔ)，展現(xiàn)電廠廠區(qū)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員定位情況。三維場(chǎng)景的搭建主要依托3DMAX建模技術(shù)以及UNITY 3D 引擎得以實(shí)現(xiàn)，使用三維可視化平臺(tái)不僅可以將真實(shí)環(huán)境形象逼真的展現(xiàn)在眼前，更可以將與定位相結(jié)合的業(yè)務(wù)無縫融合到平臺(tái)中[5]。

在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)廠區(qū)綠化的制作與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境一致，綠化效果真實(shí)、美觀。廠區(qū)建筑物、道路、設(shè)備的位置坐標(biāo)準(zhǔn)確，偏差≤0.3m，滿足人員定位的要求。道路紋理與現(xiàn)場(chǎng)一致，主道路中地面指示線類按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制作，實(shí)現(xiàn)真正的電廠模擬還原。高保真制作設(shè)備外形結(jié)構(gòu)，對(duì)于設(shè)備上的臟跡、銹跡、破損美化處理。室外設(shè)備模型位置、尺寸精準(zhǔn)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備偏差≤0.3m。室內(nèi)設(shè)備模型與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際偏差≤0.2m。設(shè)備紋理、結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一致，能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境。

在建模之前利用3D 激光掃描技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)的收集，并滿足定位對(duì)模型精度的要求。3D 激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖形數(shù)據(jù)。采用3D 激光掃描技術(shù)，生成與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一致的點(diǎn)云位置信息，掃描精度偏差在±3～5cm，確保三維建模位置、尺寸精準(zhǔn)。

綜上，通過采用UWB 定位技術(shù)并結(jié)合TOF 定位算法用于發(fā)電企業(yè)工作人員的定位，使得定位誤差有了很大的改善，可以將定位誤差限制在很小范圍內(nèi)，有著較好的穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合三維可視化展現(xiàn)技術(shù)，將定位數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展現(xiàn)更加直觀、立體的進(jìn)行人員監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。