卓 杰，牟家正，王 跃

（连云港杰瑞深软科技有限公司，连云港 222002）

安全生产是一项极其广泛复杂的工作，也是企业必须重视和做好的工作。首先，安全生产直接关系到人民生命财产安全和国家投资效益及社会公共利益，直接关系到企业形象；其次国家和社会对于安全生产的期望和要求越来越高，客观环境要求企业不能在安全上出现失误[1]。

当前，大型制造企业车间内人员、设备、资产等资源主要依靠监管人员进行现场管理，监管人员工作强度大、监管效率低，不仅消耗大量的人力物力，同时无法做到实时定位监控和及时响应[2]。在实际工作中，由于制造过程现场环境比较特殊，制造车间内部结构复杂，金属结构造成的内部通信困难和信息化程度低等原因，导致了车间设备、人员、资产等资源定位难度大，现场安全生产管理困难。因此，迫切需要一种手段对车间重要区域进行有效管理监督，提高安全生产管理水平，提升工作效率。

针对大型制造企业车间特定区域内的安全管理需求，通过对无线脉冲的应用，提出了基于高性能处理芯片和无线脉冲的车间资源综合管感知定位系统方案，详细分析了高精度无线定位系统的设计原理，开发出高可靠性的车间资源感知定位系统，能够方便、直观、安全、全方位对管理区域内部的人员、设备、资产等进行授权，实现船舶制造企业车间资源的实时识别和定位管理，及时发现该区域内部发生的异常状况，发布告警信息，提高安全生产管理水平，提高工作效率。

1 基于无线脉冲的车间资源定位系统架构

基于无线脉冲的车间资源感知定位系统主要由企业层和车间层两大部分组成。其中企业层主要包括：监控中心管理平台、企业IP网络、网络交换设备、系统服务器中心等。车间层主要包括：车间内部交换网络、设备网关、定位基站、定位标签、视频联动设备等。企业层和车间层通过安全防护网关以及核心交换机联通。

车间层用于识别和采集车间人员、设备、资产等制造资源的位置信息，并将采集到的数据信息通过有线通信网络传送到系统服务器中心定位软件系统进行分析和处理。系统服务器中心软件系统主要用来进行数据采集、处理、展示和存储，并通过数据集成接口与企业层资源管理系统进行数据传输，便于企业管理人员通过监控系统软件的图形界面或文字列表直观了解到车间资源的活动轨迹，确定车间综合资源位置信息。

大型制造车间环境下电磁干扰较强，而且数据采集点分布范围很广，根据车间实际情况，从系统的可靠性、实时性和可扩展性出发，本文提出了基于无线脉冲构建车间资源感知定位系统，其系统结构如图1所示。

图1 车间资源定位系统网络架构Fig.1 Network architecture diagram of positioning system for manufacturing resources

2 无线脉冲简介

无线脉冲是近年来发展起来的一种定位技术，一般使用的是极窄的脉冲信号或者极宽的频谱带宽信号进行信息的传递，与其他定位技术相比，主要优点是穿透能力强、定位精度高，具有厘米级的定位能力[3]。无线脉冲可以在封闭的室内或者障碍物较多的情况下完成测距定位任务，即使在地下空间中性能也能得到较好的发挥[4]。

无线定位技术很多，但每种定位技术都有各自特点及应用场合。文献[5-7]对常见无线定位技术进行了介绍，并对常见无线定位技术进行了对比，如表1所示。

表1 常见无线定位技术对比Tab.1 Comparison of common wireless location technologies

表中可以看出，无线脉冲的精度为厘米级，与其它定位方式相比，具有较好的定位精度。更关键的是，由于无线脉冲信号的特征，决定了无线脉冲定位能够在电磁环境较为复杂的变电站中精度不会下降，而且对计量、保护设备及通信系统不会有干扰。

无线脉冲基于到达时间（TOA）的定位方式利用3个固定位置参考点向移动标签发射信号，如图2所示。标签根据信号接收时间以及固定参考点发射信号时间，以及3个参考点到标签的距离计算出标签的位置。

图2 无线脉冲三参考点定位示意Fig.2 Wireless impulse positioning system based on three-point wireless impulse

3 车间资源感知定位系统硬件设计

基于无线脉冲的车间资源感知定位系统的硬件设计包括定位基站、定位标签硬件设计。车间资源感知定位系统主要完成对车间内人员、设备、资产等位置信息的采集任务。控制器设计主要根据车间资源感知定位系统需要采集的定位传感器数据以及数据处理精度来选择主控芯片的类型、定位模块型号、存储器存储方式、网络通信方式、数据传输形式。考虑到大型企业制造车间的复杂电磁应用环境，硬件电路设计重点考虑无线定位模块抗复杂电磁干扰能力。定位系统具有较高的数据传输速率以及较强的实时性要求，系统选用高性能ARM芯片、DW1000无线定位模块等完成控制器硬件部分电路设计，定位基站控制器硬件框图如图3所示。

图3 定位基站硬件框图Fig.3 Hardware system architecture diagram of base station

4 车间资源感知定位系统软件设计

车间资源感知定位系统的软件设计包括：定位基站控制器嵌入式软件设计、定位系统管理软件设计。

4.1 嵌入式软件设计

嵌入式软件设计主要是完成定位标签到定位基站信号到达时间的测量、定位基站之间信号到达时间信息的测量、将定位基站获得位置信息传送给监控系统。嵌入式软件的信息处理流程采用顺序处理，包括主控芯片的复位和时钟配置模块、以太网模块、定时器模块、DW1000模块等初始化，DW1000无线定位处理模块采用中断方式进行处理。定位基站传感器嵌入式软件流程如图4所示。

4.2 定位系统管理软件设计

定位系统管理软件主要完成定位分析、定位解算、定位基站状态显示、位置信息显示、系统配置管理等。定位基站状态显示主要显示定位基站是否连接到定位系统软件，网络连接是否成功；位置信息显示主要显示定位标签的位置信息以及定位标签的工作状态，实时显示车间内人员、设备、资产定位标签的活动轨迹；系统配置管理主要包括定位管理系统的功能模块配置以及定位基站的配置。定位系统管理软件流程如图5所示。

图4 嵌入式软件流程Fig.4 Embedded software flow chart

图5 监控系统软件流程Fig.5 Monitoring system software flow chart

5 系统测试与结果分析

车间资源感知定位系统的性能分析，主要是在实际的总装联调车间环境下通过安装的一套定位系统软硬件进行系统验证，车间资源感知定位系统由定位基站、定位标签、POE交换机以及定位系统管理软件组成。系统验证包括：系统定位基站传感器与定位标签通信测试、车间资源位置信息、定位管理系统实时定位轨迹显示、定位系统视频联动功能展示、定位系统电子围栏报警灯功能。通过定位基站传感器通信指示灯以及定位系统后台观察定位基站与定位标签之间通信是否成功，如图6所示管理系统实时显示的定位基站与定位标签之间通信成功。如图7所示为定位管理系统中车间资源实时定位轨迹显示，图示主要为人员实时轨迹显示。如图8所示为定位管理系统视频联动功能显示，主要为定位管理系统电子围栏子系统中人员入禁区视频联动功能验证。

6 结语

图6 基站与标签通信成功Fig.6 Success of communication between base station and label

图7 定位系统轨迹显示Fig.7 Track display

图8 定位系统视频联动Fig.8 Video linkage supervision

本方案通过设计基于无线脉冲的车间资源感知定位系统，以无线脉冲作为无线定位系统通信的载体，提出并应用了DW1000无线定位模块以及高性能ARM芯片设计并实现了定位基站传感器。设计的车间资源感知定位系统通过无线脉冲基站传感器获取车间内人员、设备、资产的位置信息，车间管理人员通过定位系统管理软件的图形界面或文字列表直观了解到车间资源的活动范围，确定了车间资源位置信息，完善了车间制造资源数据的完整性。本系统与传统的室内定位系统相比具有数据传输速度快、定位精度高、可靠性高、适应恶劣工作环境、抗干扰能力强等优点，能够实现预期目标。