UWB安全管理系統(tǒng)

劉志華

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心 礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引言

隨著工業(yè)領(lǐng)域智能化和自動化水平的不斷提高，工廠對人員安全管理的要求也越來越高，因此越來越多的安全管理系統(tǒng)開始應(yīng)用于各類型工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場，如倉儲物流、城市服務(wù)、汽車產(chǎn)線等，但在工業(yè)領(lǐng)域中，尚處于不斷開展應(yīng)用的過程[1]。為對工廠人員進行安全管理，開發(fā)設(shè)計了UWB安全管理系統(tǒng)，對工廠指定生產(chǎn)區(qū)域?qū)嵤┤藛T進行安全防護。

UWB安全管理系統(tǒng)不僅可以通過區(qū)域劃定和電子圍欄等方式對進入管理區(qū)域的人員進行識別、監(jiān)控、告警、統(tǒng)計，還可以與工業(yè)設(shè)備管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，共同管理人員安全，而且各組件安裝輕松快捷，調(diào)試簡單方便，對工廠人員的安全管理起到了不可或缺的重要作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及功能

對于UWB安全管理系統(tǒng)設(shè)計，首先應(yīng)根據(jù)需定位的人員數(shù)量、使用環(huán)境、設(shè)備要求等要素來確定系統(tǒng)總體方案，然后根據(jù)要解決的譬如位置采集、進入監(jiān)控、及時報警、數(shù)據(jù)交互等各類問題來規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)的各項功能，以進一步根據(jù)實現(xiàn)的功能確定系統(tǒng)的硬件組成，最后根據(jù)管理要求來實現(xiàn)軟件和管理功能。

1.1 系統(tǒng)總體方案規(guī)劃

通過對用戶需求進行采集調(diào)研和現(xiàn)場實地考察，繪制了系統(tǒng)框圖并對定位基站的實際分布進行總體規(guī)劃設(shè)計，最終確定了定位人員總數(shù)為1 000人，定位基站數(shù)量為78個，安全圍欄區(qū)域為3個(分別是234 m×24 m、270 m×28 m、80 m×24 m)的UWB安全管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)確定為：工作頻段為3 GHz～7 GHz;脈沖帶寬≥500 MHz;定位數(shù)據(jù)延時≤1 s；最小傳輸間隔≤1 ms；發(fā)射功率≤-40 dBm/MHz；接收靈敏度≤-90 dBm；室內(nèi)典型精度≤30 cm，如有一般遮擋平均誤差≤50 cm；無遮擋通訊距離≥100 m；單定位區(qū)域標(biāo)簽容量大于500(1 Hz)，系統(tǒng)標(biāo)簽容量大于100 000。

1.2 安全管理功能設(shè)計

規(guī)劃好系統(tǒng)功能后，開始設(shè)計安全管理的各主要功能，如圖1所示。

圖1 UWB安全管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

(1) 權(quán)限管理：主要是根據(jù)安全管理員、設(shè)備操作工、維護人員等權(quán)限的不同對系統(tǒng)的各類功能模塊進行分類管理。安全管理員具有最高權(quán)限，并對系統(tǒng)所有用戶的權(quán)限進行管理和分配，確保安全策略和安全管理逐級落實執(zhí)行到位。

(2) 考勤：針對在崗人員進行考勤，負責(zé)對安全管理系統(tǒng)電子圍欄區(qū)域內(nèi)的日常工作人員進行上崗記錄、考勤報表和匯總分析等。

(3) 運動軌跡管理：對人員在圍欄區(qū)域內(nèi)的運行軌跡進行展示、追朔和跟蹤。此功能不僅可用于對當(dāng)前圍欄內(nèi)人數(shù)和所在方位進行全面展示，而且可以選定人員進行指定時間內(nèi)的運動軌跡追朔，還可以對指定的進入圍欄區(qū)域的人員進行定向跟蹤，描述其運動軌跡，用于安全管理。

(4) 報文管理：匯總來自UWB安全管理系統(tǒng)、工廠管理系統(tǒng)和設(shè)備的各類信息，然后進行分類管理，輸出給安全系統(tǒng)管理員，方便管理員全面掌握系統(tǒng)內(nèi)各類人員、設(shè)備和信息的狀態(tài)[2]。通過報文功能，工廠安全管理員不僅可以全方位無死角地了解圍欄內(nèi)人員的分布和安全信息，而且可以通過人機界面繪制臨時撤離區(qū)域并進一步通知圍欄內(nèi)相關(guān)人員用于緊急情況下的安全管理，如圖2所示。

圖2 電子圍欄內(nèi)劃定臨時撤離區(qū)域

(5) 數(shù)據(jù)交互：采用TCP/IP協(xié)議方式進行數(shù)據(jù)打包，建立數(shù)據(jù)接口用于向上層管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。使用S7數(shù)據(jù)打包格式與設(shè)備PLC進行數(shù)據(jù)交互，具體數(shù)據(jù)包組如圖3所示。

圖3 UWB安全管理系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)包組

每位進入圍欄區(qū)域的人員都會生成如圖3所示的一組數(shù)據(jù)，同時進入圍欄區(qū)域的人員不大于40人/次，所以基于上述數(shù)據(jù)組我們建立了40組數(shù)據(jù)用于人員的識別與管理。

(6) 拓展接口：主要用于與工廠管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享以及與其他系統(tǒng)交互接口的拓展，方便工廠內(nèi)各管理系統(tǒng)及時共享人員和安全數(shù)據(jù)，對工廠進行整體化系統(tǒng)化的管理。

(7) 電量管理：及時掌控安全區(qū)域內(nèi)人員所戴標(biāo)簽的當(dāng)前電量狀態(tài)、并對異常的標(biāo)簽進行警告，當(dāng)標(biāo)簽電量低于10%時向標(biāo)簽持有人發(fā)出報警和充電通知。

(8) 告警：對人員、設(shè)備等運動軌跡、運動區(qū)域、行動不合理(如作業(yè)人員長期不動)或異常(如設(shè)備過快移動)等觸發(fā)各類告警事件。具體包括通過標(biāo)簽按鈕觸發(fā)的主動告警和通過預(yù)設(shè)條件觸發(fā)的自動告警。

(9) 實時定位：對人員、車輛、設(shè)備、資產(chǎn)等對象進行定位，分為電子圍欄、危險區(qū)域劃定和人員精準(zhǔn)識別三種模式。

(10) 標(biāo)簽識別管理：對標(biāo)簽進行分類管理與識別，不同區(qū)域的人員擁有不同的標(biāo)簽類別。如管理、訪客、維護、巡檢以及日常工作人員都應(yīng)有不同類型的標(biāo)簽定義和識別編號，將各類型標(biāo)簽錄入控制和管理系統(tǒng)，然后根據(jù)類型和編號分別對人員進行分類管理[3]。

2 硬件組織結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括中央服務(wù)器、中央交換機、遠程登錄站、多媒體展示、子網(wǎng)分布交換機、基站、標(biāo)簽、配電系統(tǒng)等，其組織架構(gòu)如圖4所示。

圖4 UWB安全管理系統(tǒng)硬件組織架構(gòu)

中央服務(wù)器用于安全管理系統(tǒng)的軟件布置。中央交換機用于外接云網(wǎng)和子網(wǎng)。遠程登錄站主要用于對系統(tǒng)的遠程訪問和管理。多媒體展示用于用戶參觀。子網(wǎng)分布式交換機用于將各基站接入到云網(wǎng)中。

基站主要用于對區(qū)域的劃分以及對人員的定位，通過基站的布置劃定電子圍欄和危險區(qū)域，并通過經(jīng)緯度來識別進入?yún)^(qū)域的各類人員。標(biāo)簽是基站識別人員位置的信號源。

配電系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)供電，其包括穩(wěn)壓電源、交換機懸掛柜、施工電纜輔材、橋架和橋架連接固定裝置、光纖電纜、斷路器等各類元件以及附件[4]。

3 軟件實現(xiàn)

本文基于Linux系統(tǒng)，采用C#語言進行系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要包括系統(tǒng)配置模塊、權(quán)限管理模塊、考勤模塊、運動軌跡模塊、報文信息管理模塊、通訊接口模塊、電量管理模塊、告警模塊、定位管理模塊、標(biāo)簽管理模塊、基站校準(zhǔn)模塊、系統(tǒng)診斷模塊、固件升級模塊等，用于系統(tǒng)管理和人機交互。

本文以通訊接口模塊為例介紹軟件的實現(xiàn)。通訊接口模塊的建立過程如圖5所示。

圖5 通訊接口模塊建立過程

4 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已被推廣應(yīng)用于國內(nèi)某大型鋼鐵集團的智能化改造項目，滿足了定位精度、系統(tǒng)容量、安全防護等[5]各項技術(shù)指標(biāo)要求，起到了良好的安全管理效果。圖6為設(shè)計完成的UWB安全管理系統(tǒng)架構(gòu)。

圖6 UWB安全管理系統(tǒng)架構(gòu)

5 結(jié)語

本文闡述了UWB安全管理系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計過程，通過為工廠安裝布置UWB安全管理系統(tǒng)，不僅可以幫助用戶和設(shè)備廠商實時了解人員進出狀態(tài)，而且能及時報告各類安全報警事件，更能幫助工廠進行人員和設(shè)備安全的分級分類管理，為工廠的安全管理提供了支持和保障，具有良好的推廣前景和應(yīng)用效果。