基于“北斗+藍牙”的核電廠基建人員定位安全監管系統應用研究

武程浩，王 亮，沈立華，宋伶才

（1.中核核信信息技術（北京）有限公司，北京 100091；2.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100）

0 引 言

當前我國經濟快速發展，然而環境污染、能源短缺等問題不斷加劇，努力構建以清潔能源為主的能源結構是緩解人與自然之間矛盾的關鍵舉措。2020年9月，習近平總書記宣告了我國“2030年碳達峰，2060年碳中和”的宏偉愿景。為實現這一目標，中核集團積極發揮自身完整產業鏈優勢，大力推動國家核能發展和核電建設，助力我國完成“十四五”期間每年新建8 臺核電機組的目標任務。

安全是核工業發展的生命線，如何在核電站較長的建設周期中保障施工人員安全，提高安全管理水平，成為了眾多信息化工作者積極探索的方向。付志博等人[1]認為準確獲取人員位置信息是實現核電現場施工人員的高效管理、降低事故發生率的重要依據。葛敏婕等人[2]提出了一種基于LoRa和藍牙技術的室內低功耗定位系統，該系統通過在定位環境內部部署藍牙網關設備，進而被動抓取人員持有的藍牙終端所發射的Beacon 信息，再經服務器定位結算得到被定位人員的位置信息。張張[3]充分發揮北斗衛星導航系統的雙向通信功能，設計了一套包含移動定位終端、安卓智能終端和系統服務器的人員定位追蹤系統，該系統可廣泛應用于室外人員定位及其他相關位置服務行業。

理想的人員定位系統應該具備在任何地點都能實現人員精準追蹤定位的能力，無論是在室外環境還是室內環境[4,5]。核電施工現場環境復雜，核島內北斗信號屏蔽嚴重，核島外不具備大規模部署藍牙信標的條件，如何實現室內外融合定位技術是解決核電站人員定位問題的關鍵。

1 “北斗+藍牙”定位系統

1.1 系統概述

通過在核電現場建立室外北斗定位系統和室內藍牙定位系統，實現室內室外無縫定位。室外需要根據人員分布敷設線纜，安裝通信基站，以滿足定位終端北斗通信需要；室內核島及常規島除安裝通信基站外，還需要合理布設藍牙信標，以滿足定位終端室內藍牙通信需要。人員則通過佩戴定位終端實現室內室外一張圖精準定位管理，并能與視頻監控系統進行聯動，對人員行為進行識別，從而達到落實生產責任、提高安全管理水平的目的。

1.1.1 系統原理與架構

室外區域采用北斗定位技術，定位終端接收天上多顆衛星的位置信息及發送時間，用當前時間減去發送時間，得到信息傳播的時間，再用信息傳播時間乘信息傳播的速度（光速），得出設備與衛星的距離，最后根據設備與衛星之間的幾何關系確定設備的位置，如圖1所示。

圖1 室外定位系統工作原理

室內區域采用藍牙定位技術，在該系統中每個藍牙信標都包含唯一的介質訪問控制（Medium Access Control,MAC）地址和相對坐標信息，人員攜帶的定位終端都含有唯一的身份標識號碼（Identity Document,ID）。服務器采用接收信號強度指示值（Receive Signal Strength Indicator,RSSI）測距算法，利用RSSI 值與距離的關系，得到定位終端與網關的距離，接著應用多點定位算法[6-8]或三角定位算法[9-10]測算出定位終端的位置，如圖2所示。

圖2 室內定位系統工作原理

人員攜帶的定位終端在定位信標部署區域或者北斗信號覆蓋到的區域，會將信息無線傳輸給鈦準基站（鈦準基站覆蓋范圍內），基站將唯一ID 編號及坐標數據發送到后臺服務器，后臺定位引擎通過定位算法展開解析，從而在定位監控管理系統軟件端以可視化地圖的方式呈現出每個ID 的實時位置情況，又因為人員和定位標簽ID 是一一對應的，所以確定了定位標簽ID 的位置，也就實現了人員的實時定位，如圖3所示。

圖3 定位系統整體實物架構

定位信標：鋪設在室內區域、裝置區域、密閉空間，作為室內定位基礎網絡設施。北斗：作為室外定位網絡。定位終端：接收室外北斗或室內藍牙信號，將信息通過通信基站進行回傳。定位與地圖服務器：提供地圖引擎和定位引擎，實現位置解算與地圖展示。PC 后臺：B/S 模式，通過瀏覽器進行人員信息查詢統計、網格化管理、預警管理等安全管理應用。

1.1.2 系統功能與特點

室外北斗定位技術，可全方位覆蓋核島、常規島以外的廣闊施工區和辦公區。定位終端、通信基站等通信設備采用高強度材料，可適應海島惡劣的室外環境。室外定位系統不受空間限制，通過與北斗衛星的信息傳遞實現定位終端的位置測算，可貫穿核電站的整個建設周期。

室內方面，針對核島無信號而無法精確測算難題，開發出基于低功耗藍牙室內外無縫定位技術；基于藍牙RSSI 信號值的三角算法，提出了基于多元假設檢驗的自適應抗攝動去噪方法，構建了基于特征點二階分布函數的多徑與非視距誤差消除模型，攻克核電廠生產復雜室內環境下的位置感知重大瓶頸。

1.2 系統硬件組成

1.2.1 藍牙信標

如圖4和表1所示，分別為藍牙信標的外觀展示和詳細技術參數。

表1 S3U 系列藍牙信標技術參數

圖4 藍牙信標

1.2.2 定位終端

如圖5和表2所示，分別為定位終端的外觀展示和詳細技術參數。

表2 BLT6 系列定位終端基本參數

圖5 定位終端

1.2.3 通信基站

如圖6和表3所示，分別為通信基站的外觀展示和詳細技術參數。

表3 BLG2P 系列基站技術參數（非防爆型號）

1.2.4 后臺

定位引擎采用多信號最大似然估計、粒子濾波、差分去噪等算法，有效抑制了無線定位受環境干擾引起的較大定位波動，提升了定位精度。

地圖引擎結合AStar 等算法，采用3DMAX 數據建模，使得地圖數據輕量化，支持海量數據加載。強大的地圖引擎使得定位數據在2.5D 地圖、三維建模地圖、傾斜攝影地圖中都展現了良好效果。

2 定位系統在核電廠的實施與部署

2.1 系統設計與實施

本系統服務于核電站核島/常規島房間、BOP 子項廠房和廠區及周邊海域等區域，通過融合使用物聯網、北斗、藍牙、高清視頻、GIS 等先進技術，全面感知施工過程中的人員、車輛、安全等要素信息，搭建前后方網絡互聯、數據互通的移動網和地面固定網絡，如圖7所示。打造基于容器、微服務的物聯感知基礎支撐平臺，構建室內外一體的人員定位安全監管系統，對違規作業、非法越界等具有安全隱患的行為進行智能識別和自動告警報警，滿足核電站“信息共享、安全監控、協同作業、智能決策”的需要，確保整個施工全維監控、管理規范、進度可控、質量保證、安全有序。

圖7 人員定位安全監管系統網絡架構

2.2 定位終端管理方案

為確保終端發放高效、準確，各家施工單位上報的員工信息應該包含詳細的四級組織。同時，每個定位終端都有唯一的編號，將終端編號掃碼錄入員工信息表格從而實現人員與終端的綁定。最后，將表格上傳至智慧工地平臺完成信息錄入，將終端粘貼姓名標簽完成終端逐級有序發放。

在終端的日常維護管理中，由施工單位指派專人負責，在現有的人員離職和入職工作流程中，加入人員離場（收終端）和人員進場（發終端）操作，確保終端領用率和在線率。同時，發布每日低電量清單，提醒員工及時充電。

3 定位系統在核電廠的應用效果分析

3.1 人員軌跡查詢與實時跟蹤

定位系統可用于追蹤人員歷史位置和某個時間段內的行動軌跡，軌跡室內外連續，支持倍速播放，播放時室內外自動切換，如圖8所示。該功能有助于管理者對人員活動行為進行分析，一旦有異常情況，可以提供數據支持。

圖8 人員定位安全監管系統軌跡查詢展示

在搜索框輸入人員名稱，可以實現對單一人員的位置跟蹤，并展示該人員的相關信息。跟蹤狀態下僅顯示被定位跟蹤對象，地圖自動聚焦，跟隨被定位對象。當其進入室內時，地圖自動進入室內地圖對其持續跟蹤。此外，當被跟蹤人員進入攝像機的監控畫面時，大屏監測中心會自動拉起實時視頻流，實現視頻聯動，有效支持復雜安全事務管理，如圖9所示。

圖9 人員定位安全監管系統視頻聯動展示

3.2 網格化管理

人員定位系統實時統計各網格、區域的定位人數，定位數據實時更新，有效掌握各工作面和各時段的人數、工種分布，滿足核電廠尤其是核島內部的網格化管理需要，如圖10所示。

圖10 人員定位安全監管系統網格化管理展示

3.3 施工人員與施工作業安全管理

核電現場施工環境復雜，核島內部房間眾多，發生突發事件時，施工人員可觸發定位終端的一鍵報警功能，使系統管理員第一時間發現處于報警中的人員和位置，進行快速處置，有效保障現場施工人員的人身安全。

此外，核電人員定位系統還可提供施工作業安全管理功能，預設七大危險作業（動火作業、斷路作業、維修作業、高處作業、受限空間作業、吊裝作業和盲板抽堵作業），繪制作業區域在地圖中顯示，針對各危險作業設置作業人員離開報警和非作業人員闖入報警，業務技術深度融合，提升現場安全管控水平，如圖11所示。

圖11 人員定位安全監管系統施工作業管理展示

4 結 語

本系統針對核電廠全域高精度定位需求，采用“室外北斗+室內藍牙”融合定位技術，實現室內室外定位無縫銜接。大屏監測畫面可提供精準的定位顯示和軌跡查詢服務，實時跟蹤、一鍵報警、網格化管理、作業安全管理等功能可以較好地滿足核電廠高質量、精細化管理需要。與傳統的監管方式相比，該系統可有效節約人力資源成本，服務核電現場管理，具有較高實際應用價值。

注：本文通訊作者為武程浩。