超宽带厘米级实时定位技术在监狱管理中的应用

何雪锋

(郑州联睿电子科技有限公司，河南 郑州 450001)

一、引言

目前，我国监所多数停留在以狱警巡查加摄像机监视报警的阶段，人工作业占绝大比重，信息化程度较低，难以实现对监所内在押人员的实时监管，事故的发现往往具有滞后性，不能起到积极防范和预警作用。另外，信息采集单纯依靠手工输入，无法将信息系统和在押人员真正的关联起来。为了保证监所的管理水平，提高对犯罪嫌疑人的实时状态、改造效率的监控，提高事故反应的及时性，监所的信息智能化建设势在必行。

监狱信息化建设的基础核心是如何得到监狱人员的精准位置信息。面对定位目标数量庞大、定位精度要求高、卫星信号弱等问题，采用传统定位技术已经不能满足监狱信息化建设的要求，而利用超宽带高精度实时定位技术，能很好地解决上述问题。

二、系统架构

中海达联睿电子采用自主设计的脉冲成形技术产生纳秒甚至亚纳秒的极窄脉冲，实现了超宽带定位接收机架构的国内自主化。在定位区域内架设基站，为需定位的设备、物品及人员配置定位标签，定位标签通过定位基站将实时定位数据传回后台服务中心，后台服务中心通过优化的高精度定位算法，解算出设备和人员精确的实时位置信息及运动轨迹，并将位置信息在室内地图上显示，实现实时高精度定位，为室内导航路径规划、重点区域的巡查提供精确的参考基准点。

整个定位系统分为位置信息感知层、网络传输层、应用层3部分。

1) 信息感知层。在定位环境中，人员或物品通过所佩戴的定位标签发射UWB脉冲信号，由经过时钟同步的接收机接收、放大UWB信号，并将其数据信息和接收时间传送至定位引擎服务器，实现位置信息的感知。定位引擎服务器通过计算出定位标签信号到达不同接收机的时间差(TDOA)，然后采用TDOA定位算法对标签位置进行解算，实现位置的解算。

2) 网络传输层。网络传输层的作用是通过有线或无线的方式将接收机发射的超宽带信号传输到信息处理及控制平台。

3) 应用层。应用层主要是针对使用者而言。为了能使监狱管理人员更为有效、方便地使用采集到的位置信息，应用层包括电脑客户端、手机APP等多样终端，并根据监狱管理的特殊要求设计了多种基于位置信息的辅助功能。

三、硬件部分

硬件部分主要包括标签(包括防拆手环)、接收基站和定位引擎服务器等。

1. 标签

针对监狱的特殊性，采用多种标签机制进行定位追踪。标签具有多种工作模式：休眠模式、激活模式、空闲模式。标签配有一键报警按钮，在特殊情况下可以进行报警，防止意外发生。

1) 防拆手环。在押人员在监狱中是最为重要的定位人员，其位置信息需要时刻被监狱管理者知晓，标签必须有高的防破坏性，因此联睿电子针对监所实际需求将定位标签设计为防拆手环样式。

根据监管人员的特殊性，对防拆手环从多方面进行了全方位的安全设计：在手环的腕带中有多条钢丝和感应线，一旦有强烈撞击和剪切就会进行自动报警，并且能够保证在短时间内无法打开手环；手环设有特殊卡锁装置，一旦戴上除非有专业配置的钥匙，否则无法打开。多重防护装置确保了事故反应的及时性。

2) 监管人员标签。监狱管理人员进入监狱也须携带标签，监管人员标签有肩带式、挂带式、头戴式等多种样式，主要用于监管人员的智能巡查和快速调动，中心系统可根据监管人员的位置进行人员智能调配和实时监督。标签可配合电磁门卡实现多权限等智能化管理。

3) 外来参观人员标签。对外来参观者、探视人员等采用挂带式标签，保证在参观、探视期间实现全方位实时监管。

2. 定位基站

定位基站也叫接收机，从软件上可设置为主基站(master)和从基站(slave)模式。定位基站固定在已知位置，作为位置基准，用于接收标签发射的UWB信号。主基站除具备从定位标签接收信号的功能外，还向各个从基站发射同步信号，使各个定位节点获得统一的时钟，以便获得定位标签发射的信号到达不同基站的时间差(TDOA)，同时通过网络将位置信号传送至定位引擎服务器。

3. 定位引擎服务器

定位引擎服务器用于装载超宽带定位算法、定位数据优化，以及和标签属性数据库对接，其集成了多种安全加密措施防止被攻击、破坏，从多种角度增加了定位系统的安全性和可靠性。

四、功能实现

超宽带定位系统由于其自身的多种特性，在监狱管理行业拥有许多突出的优势功能，可以实现人员越狱、打架斗殴、异常行为管理、人员聚集、外诊脱逃的智能监控工作。

1) 实时定位，智能预警。进入监狱范围，无论是在押人员、监管人员还是视察人员都可佩戴不同定义属性的标签进行实时定位和智能预警。一旦发生犯人有长时间或长路程对看守人员或特定人物同一路线，中心就会立即判定为有意跟踪。

2) 异常行为报警。监狱中时常有在押人员发生聚集打架斗殴等事件，采用超宽带高精度实时定位系统可以轻松实现在押犯人的异常行为报警功能。一旦发生人员位置过于密集或在小范围内快速移动、在押人员对手环进行破坏、长时间静止不动等情况，系统就会判定为人员聚集、打架斗殴、破坏手环、异常发生等，并及时发出警报。如图1所示。

图1　在押人员异常行为报警

3) 任意电子警戒区划定。看守人员可根据不同情况或不同时间，在系统上直接进行任意电子警戒区划定，实现对在押人员的快速监管和多区域分级越狱报警。如图2所示。

图2　电子警戒区域划定

4) 重要物品监管。监狱管理中重要物品监管也可以采用超宽带定位技术来实现。采用定位标签安装在枪械等重要物资上，并结合对应标签的电子围栏功能实现实时监管，越区报警等功能。一旦标签有所移动或被带离电子围栏区域就会发出报警信号，工作人员即可根据标签的实时位置和移动轨迹迅速展开追踪和围捕。

五、总结

在监狱管理中采用超宽带定位系统，相比于现有定位追踪方式，有如下技术优势：①定位精度高：经过多次试验验证，定位精度80%能达到30 cm以内，在复杂环境下(遮挡物多、干扰多等)也能达到亚米级定位精度，高于多种现有室内定位方式，可较好地实现现代化监狱人员管理的精度需求；②实时性好：由于超宽带定位系统采用亚纳秒级脉冲信号和优化的定位算法，可以实现对人员物体进行快速高精度追踪，经试验验证，精准位置捕捉速度高达60 m/s；③安全性高：由于超宽带定位系统采用的脉冲超宽带信号传输测量技术，亚纳秒级的脉冲信号不再搭载载波信号，具有更高的抗干扰性，大大增加了信息的破解难度，使其具有更高的安全性；④功耗辐射低：采用亚纳秒级的脉冲信号进行信号通信使得系统的功耗和辐射都大为降低，标签续航能力超过3个月，而其辐射不到常规手机辐射的1%，真正实现了绿色化、节能化；⑤智能化、自动化程度高：通过采集到的精准位置信息与多种自动化设备进行联动，可实现监狱管理系统的智能化，从根本上解决设备的智能启动、停止及数据联动采集等一系列功能，大幅度提高了监狱管理系统的智能化、自动化。

综上所述，超宽带厘米级实时定位技术在监狱管理行业有着广泛的应用前景。郑州联睿电子科技有限公司在超宽带定位技术方面有着深厚的技术积累，已形成了完整的行业解决方案，能有效地解决监狱管理的实际问题，提高监狱管理的信息化、智能化水平，具有较强的技术和行业优势。

(本专栏由中海达和本刊编辑部共同主办)测绘4.0：拓普康索佳应用方案专栏