火電廠人員定位系統技術路線設計

國能網信科技（北京）有限公司 陳漢章 馮孟奇

當前火電廠作業人員管理更多采用的是監管人員現場安全監督的方式，這種方式需耗費大量工作時間，監管效果多為主管體現，同時生產現場存在作業范圍廣、作業點多、不能解決所有現場作業人員監管的問題。

如何全方位、無死角進行現場作業監管成為火電廠安全管理的現實需求，同時也是制約火電廠安全管理水平提升的瓶頸，包括高風險作業管控、外委人員管理、到崗到位管理、應急管理等。因此火電廠迫切需要一種能夠結合火電廠實際應用場景的新技術及管理系統來打破僵局，實現現場作業人員的實時管理，對現場作業人員分布情況、現場作業情況、到崗到位情況、現場巡檢情況進行實時監管，提升安全管理水平。

傳統電廠安全管控全靠人，安全人員需每天開安全監督會、分配工作、現場盯防違規行為，該種傳統的安全管控模式存在以下問題：生產現場設備錯綜復雜，同時區域分散，需現場人員監督作業，無法實時獲取人員位置信息，不能監管至每個人，監管效率低；重大操作不能確定管理人員是否到崗到位；當人員遇到危險時無法實時定位人員位置，無法知曉人員生命體征情況。針對上述問題，可通過建設人員定位系統，直觀的查看現場作業票分布情況、現場人員分布情況、高風險作業分布情況、關鍵人是否在場情況，根據風險等級主動關注作業情況、區域人員情況，同時可調取現場的視頻監控，鎖定某個作業人員定位。

從定位功能需求層次實現內容包括：全廠以及外委人員實時定位功能、歷史軌跡回放功能、人員快速定位功能、視頻聯動功能、兩票數據展示功能，同時實現基本的電廠信息維護、人員信息維護等基礎功能，并可對基本信息進行增加、修改、刪除和查詢，用戶通過簡單的操作即可實時掌握整個電廠的人員情況。

從定位精度層次實現內容包括：針對鍋爐房、汽機房等設備情況復雜、人員進出流量大的區域實現三維精準定位、誤差小于50cm，針對廠區道路、輸煤棧橋等區域實現二維精準定位、誤差小于100cm，針對氨區、氫站等人員作業少的區域實現一維區域定位，實現進入即定位。

1 火電廠定位技術選型

火電廠作業區域主要在鍋爐房、汽機房、輸煤區域等，大多數作業區域屬于室內區域，在定位技術選型時，室外常用的北斗定位受制于建筑物的影響定位精度并不理想，不適用于室內。基于火電廠特殊的定位需求，更多需進行室內定位來實現對生產現場的人員進行監控，因此需對適合于室內定位技術的如WiFi、藍牙、UWB、Zigbee、RFID、紅外線之間進行技術選型。

1.1 WiFi定位技術

Wi-Fi網絡是一種常見的基礎網絡設施，WiFi定位的基礎方式“鄰近法”是一種搭建路徑損耗模型，通過模型對位置數據進行結算，從而實現定位的目的。

WiFi定位技術因為復雜度的因素，不采用飛行時間進行測距計算，通過測量終端RSSI的信號接受強度，在通過RSSI與距離的推算公式來進行距離的計算，但是由于公式本身以及RSSI測量的誤差，最終都會造成WiFi的定位精度低，即便通過多次的RSSI測量也無法避免誤差大的結果，同時WiFi信號也受制于現場的應用環境，對于汽機房以及鍋爐房錯綜復雜的設備環境WiFi信號會受到較大影響，定位精度較低，一般在3～10米左右，不滿足精度要求。

1.2 藍牙定位技術

通過RSSI即測量信號強度進行定位，藍牙4.0（BLE-Bluetooth Low Energy）的低功耗特性和蘋果的iBeacon發布，大大推動了藍牙技術在室內定位領域的應用。因為iBeacon（即BLE基站）低功耗無源（僅靠一節紐扣電池供電一年以上，不用外接電源）、成本低廉，所以iBeacon可遠比WiFi AP部署的密度高。藍牙定位的應用方式首先是在定位區域內布設藍牙定位信標，定位信標不間斷地向周圍發送數據信號，當終端設備進入藍牙信標的覆蓋范圍時，測出該終端設備在不同信標下的RSSI值，然后通過特定的定位算法解算終端設備的當前位置，從而實現定位。

藍牙定位的優勢在于鋪設、解算方式上的便捷，藍牙定位的精度與藍牙信標的鋪設密度呈正相關，且藍牙定位設備因功能特性的原因具有協議簡單、可深度休眠的特點，但對于復雜環境藍牙信號穩定性差、抗干擾能力弱，對于火電廠一些定位精度要求不高及一維存在定位區域可采用藍牙定位技術。

1.3 超寬帶UWB定位技術

高寬帶UWB技術與其他無線通信技術有較大的差異，近年來蘋果公司、三星公司、小米公司等均在UWB技術上投入資源進行研發，是一種新興的無線通信技術。UWB技術在發送數據時，發送的是寬頻域、窄時域脈沖信號，具備很強的時間、空間分辨能力，因此UWB信號的多徑分辨率很高，在抵抗室內信號傳輸常見的多徑效應（信號因反射造成的多路徑傳播）上表現優秀，它不需使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有ns或μs級以下的極窄脈沖來傳輸數據，可在較低功耗的條件下于1ns內發送超過500MHz帶寬的脈沖信號，主要用于短距通信領域。

UWB定位的方式是通過在固定的定位基站與定位終端間發送無線脈沖來測量飛行時間、進而測距，或通過定位終端到各定位基站間的飛行時間差來測距，然后通過三角定位法定位。由于UWB特有的抗多徑效應強的物理特性，測距和定位精度較高。由于其特殊的信號類型及頻譜，相對于其他無線電波信號UWB信號在復雜的室內環境下不受多路效應的影響，并具有極佳的障礙物穿透能力，定位精度可達到10cm級別。超寬帶技術可應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度，基于技術特點，能夠滿足火電廠復雜環境下對于定位精度的要求。

1.4 RFID定位技術

即射頻識別技術，RFID是利用電感和電磁耦合或雷達反射的傳輸特性，實現對定位目標的位置感知識別，常用于自動控制領域。射頻(RF)即為射頻電流，波長范圍從低頻到高頻，在300kHz到300GHz之間。RFID定位系統通常由電子標簽、射頻讀寫器、中間件及計算機數據庫組成。電子標簽和讀寫器是經由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進行數據交互的。在定位系統應用中，將射頻定位裝置放置在需定位物體或人員身上，射頻電子標簽嵌入到操作環境中。電子標簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線方式連接至數據庫。

RFID定位的優點在于數據傳輸速率較高、安全性好，并不受非視線通信問題困擾；缺點在于需在定位區域內部署大量的RFID通訊定位設備，且需定位人員佩戴RFID定位標簽，基于此原因RFID定位技術并不適用電廠應用場景。

1.5 超聲波定位技術、紅外線定位技術

該定位方式是在室內安裝超聲波揚聲器，發射能被定位終端檢測到的超聲波信號，通過聲波的到達時間差推測出終端的位置，此定位技術需在現場安裝大量揚聲器，同時易受室內多徑效應的影響，定位效果不穩定，不能滿足火電廠定位要求。

紅外定位技術通過紅外發射裝置與接收裝置來完成定位，將紅外發射裝置安裝到需定位的人員或設備上，發射具有唯一性的紅外信號，通過在區域內安裝紅外接收器，并將所有接收器與控制終端相鏈接，經過控制終端進行信號數據解算，從而完成人員、設備的定位。紅外線定位技術的優點在于定位誤差小，缺點在于發射距離短且難以穿透墻體，不適用于火電廠復雜的實際環境。

綜上所述，由于UWB穩定性好、定位精度高以及抗干擾能力強的特點，滿足火電廠復雜環境下的定位高精度要求，同時針對不同精度要求的定位區域可結合藍牙定位方式進行輔助定位，因此最終可確定采用UWB+藍牙雙定位技術。

2 定位算法選型及定位功能設計

基于超寬帶（UWB技術）能及其準確地測量無線電信號的飛行時間，從而實現厘米精度的位置測量，在現有的UWB定位系統中存在多種基于測距的定位方法，每種定位方法都對應著多種不同的解算定位的算法，在UWB技術中應用最廣泛的是飛行時間測距法（TOF）和到達時間差法（TDOA）。從定位方式來看兩種方式均屬于多點定位，即確定標簽與多個已知坐標點的相對位置關系定位。

TDOA定位是一種利用時間差進行定位的方法，通過測量信號到達監測站的時間可確定信號源的距離。利用信號源到各個監測站的距離(以監測站為中心，距離為半徑作圓)就能確定信號的位置。但是絕對時間一般比較難測量，通過比較信號到達各個監測站的絕對時間差，就能做出以監測站為焦點、距離差為長軸的雙曲線，雙曲線的交點就是信號的位置。

TOF測距方法屬于雙向測距技術，它主要利用信號在兩個異步收發機(Transceiver)或被反射面之間往返的飛行時間來測量節點間的距離，適合環境較為復雜的應用場景，如制造型工廠、電廠、化工廠、辦公樓等。TDOA適合環境空曠較為簡單的應用場景，如戶外運動、倉庫等。通過對比分析施工成本、硬件成本、應用場景、續航能力、標簽支持容量等多角度分析，發電廠應采用TOF定位算法更加符合要求。

以UWB技術為基礎、TOF為核心算法建立的火電廠人員定位系統，核心功能在于安全管理。基于安全管理的基本原則，應包含如下功能：

人員實時定位功能，即安全監管人員可實時查看現場作業人員位置；電子圍欄功能，將全廠各風險區域按照危險等級進行劃分，設置不同權限，當電子圍欄內出現不規范行為時進行系統告警；歷史軌跡回溯功能，當安全監管出現遺漏時可進行人員行走軌跡的回溯，從而保證安全監管的全面性；巡檢管理功能，系統也需配備智能巡檢路線規劃功能，用于輔助巡檢人員更高效、更安全的完成日常巡檢工作；兩票數據展示，系統統計全廠各區域兩票數量、類型、風險等級，實時監控票面人員與作業信息是否一致，實時監督管理現場作業；高風險作業管理，集中展現高風險作業數量及內容，實時掌握高風險作業進度及人員情況；到崗到位管理，通過配置到崗到位區域及規則，系統自動記錄安全監察、高風險作業監督、工作負責人監票到崗到位情況，確保安全管理流程落實。

除上述功能外，將大數據分析功能與定位系統相融合，將安全管理數據進行信息化應用，也是提升安全管理的重要手段之一。

3 定位區域與定位精度規劃

根據火力發電廠的業務需求及各區域場景的特點，推薦各區域采用的定位方式及定位精度如下：

廠區道路：根據火電廠情況對于辦公樓到廠房的常走的道路采用三維精準定位，定位精度在0～50cm，偏僻或不常用的道路采用二維線性定位方式，定位精度在100cm以內即可，定位技術選用UWB定位技術；汽機房區域：汽機房各層的主設備區采用三維精準定位，汽機房屬于需要精準定位的區域，定位精度應在30cm以內；電子間、勵磁間、定子水間、主控室房間內采用存在定位，無定位精度要求，僅表示人員存在于該區域即可；凝汽器底部、凝泵坑、操作平臺、樓梯不定位，對于存在性定位區域采用藍牙定位技術。

鍋爐房區域：其與汽機房區域類似，其中1層和12米平臺層采用三維精準定位，定位精度在30cm以內，其他電梯層采用二維線性定位，夾層和小操作平臺不定位，定位技術選用UWB定位技術；輸煤區域：封閉煤場道路采用二維線性定位、進出口采用一維存在定位，對于輸煤棧橋、轉運站采用二維線性定位，二維定位區域選用UWB定位技術，一維存在性定位選用藍牙定位技術，輸煤區域整體定位精度應在0～100cm范圍內，以滿足實際定位需求；危險區域：對于氨區、氫站等危險區域采用一維存在性定位，采用藍牙定位技術，該區域內不做定位精度要求，僅需表現人員存在即可。

4 結語

人員定位系統的應用將改變傳統人員安全管理模式，實現對高風險作業有效管控、外委人員的有效管控、突發事件應急處理、安全事故全方位回顧、到崗到位監督、巡點檢監測等，可實時了解人員位置及全廠作業情況并智能推薦關注區域，同時根據人員及作業的分布可快速聯動查看實際情況，無需去現場就對現場情況一目了然。