高思琪，孙建平

（华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003）

0 引言

当前电力生产中，发生人身伤亡事故的情况仍旧很多。2006年全国发生电力人身死亡事件48起，死亡人数达到106人[1]。2017年，全国发生电力人身伤亡事件53起，死亡人数达到62人。可以看出，过去10多年，全国电力安全生产人身死亡事故的情况虽有减少，但仍然很高，安全管理的问题没有得到根本解决。如果通过主动、实时的安全提醒、预防和控制，建立全厂智能化本质安全防控体系，就可避免人身伤亡事故的发生。

电力生产现场非常特殊，电厂范围大，设备众多，管线复杂，需要管理和维护的设备众多。而保证电厂工作人员按照指定的规则巡检这些设备，防止工作人员进入危险区域，以及了解厂区工作人员的状况，是电厂管理者急需解决的问题。其中，获取人员的实时位置是电厂管理中关键的环节。例如，在人员管理中，通过获取人员的位置，判断该员工的工作状态，了解关键岗位、安全相关岗位人员是否及时到岗，是否擅自离岗；通过记录员工的运动轨迹，可以判断员工是否巡更了设备；通过划定危险区域电子围栏，可以及时对进入或接近危险区域内的人员及时预警等。

图1 前向测距过程Fig.1 Forward ranging process

超宽带（UWB）技术是近年来新兴的一种高速传输数据的无线通信技术，其传输速度，最高可达1000Mbps以上。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果，精度达到10cm级、一般遮挡30cm；它利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉、冲传输数据。不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射[2]。超带宽信号的辐射非常低，其电磁波辐射通常只有手机辐射的千分之一，对人体的影响也会很小，低于WIFI。因此，在工业上应用时，其不存在对其他仪器仪表的干扰问题，故可以大量应用于工业环境的特殊实时定位需求。

本文是基于UWB定位技术所研究的电厂安全主动系统所应用的定位系统，以室内定位建立一个小范围预测模型，并通过在水电厂的仿真结果证明其实效性。通过在电厂三维模型中，应用高精度定位技术、无线通讯技术，结合视频、门禁的联动控制，集成设备台账、实时数据、工单、两票、巡点检等一系列设备运行和生产管理数据，建设一个与电厂真实生产场景完全一致的虚拟空间，即信息物理融合系统（CPS）。在信息物理融合系统中建立主动安全数据库，将人员任务与主动安全数据库对接，在人、机、料、法、环5个维度对人员的生产作业的全过程进行主动安全监控，实现本质安全管理。

1 UWB（超宽带）定位技术

1.1 UWB定位技术原理

图2 TDOA定位原理Fig.2 TDOA Positioning principle

超宽带（UWB）技术，采用TOF算法和TDOA算法相结合，基于TOF测距的无线定位系统采用的处理策略是分布式定位。这种定位算法是在本地移动节点中实现的，结束运算后，通过ZigBee无线网络把定位结果发送到主控节点；定位测距是采取基于传输时间特性的TOF测距机制。TDOA测距是依据双曲线的定位原理，测得定位目标的UWB信号同时到达两个接收机的时间差，时间差乘以光速就可获得距离差[3]。因为到达两个定点的距离差为定值的轨迹是双曲线，根据两个或者多个双曲线的交点，可以求得待定位点的目标位置。

1.2 TOF测距

TOF测距机制采用类似于到达时间TOA传输时间差测距方法，距离测量是使用双向通讯时间，传输时间测量机制是很精准的。TOF测距可以实现前向和反向两个方向的测距，在前向测距中，测距的主动节点是本地节点，在此系统中为移动节点。由本地节点发送数据包，此系统中的定位锚点也就是远程节点，接收数据包马上进行自动响应[4]；反向测距的主动节点是远程节点，由本地节点进行通知，远程节点采取测距操作，再由远程节点发送数据包，本地节点接收数据包再立刻进行自动响应[5]。如图1所示，该图是前向测距的进行过程，本地节点发送测距请求，然后再发送数据包，该数据包被远程节点接收后，对响应帧进行回复。

在此进行过程中，数据帧和回复帧的发送或者接收的时刻被本地节点、远程节点记录，然后获取两个时间差TTOT与TTAT。

无线电波在空气中的单向传输时间如公式（1）所示：

两节点间的距离如公式（2）所示：

1.3 TDOA定位

TDOA是指信号到达时间差，某个标签节点发送无线信号，利用到达不同定位基站的时间差，可以计算出标签节点与各个定位基站之间的距离差（通过无线信号的传播速度）。得到的距离差符合双曲线方程的条件，标签节点就在双曲线的一个分支上，可以直接求得待定位点的目标位置（通过利用两个或者多个双曲线的交点）[6]，如图2所示。

2 UWB（超宽带）定位技术在电厂主动安全创新中的应用

2.1 在电厂安全中的应用

行为安全通过多种在生产区域布置的技术装置，对现场人员的工作进行辅助、监督与防护，通过技术手段将规章制度落实到生产现场，减少现场安全违章和伤亡事故[7]。人员定位技术目前已广泛应用于矿业、隧洞施工等领域，在电力、石化等工业行业也有试点应用。其硬件技术目前相对成熟，技术路线主要有GPS、WIFI、UWB等，GPS、WIFI定位精度不高，其中WIFI定位可作为现场无线通讯的附加功能以较低成本实现一定功能，除此以外，GPS技术路线并不适用于工业场合。UWB技术安全可靠、定位精度高（厘米级）、成本可控，较适用于电力等工业场景，UWB也是目前矿业人员定位的主流技术路线[8]。

该项技术的应用核心在于在发电行业中的具体应用功能，目前主要总结如下：

1）人员考勤及人员进出生产区管理。

2）人员实时定位与轨迹管理。

2.2 关键模块功能设计

2.2.1 关于基站设计

1）无线发射芯片：DW1000，设计通讯距离 300m～500m

2）CPU： STM32L051单片机（低功耗）为主控芯片。通过SPI，读写DW1000模块[9]。

3）UWB通讯距离（无遮挡）：＞300m

4）稳定有效覆盖半径：150m～300m

5）定位精确度误差（空旷/复杂）：＜10m～30cm

6）支持远程固件升级：基站安装位置比较高，施工调试需及时方便，需远程升级及参数设置。

7）基站间通讯：视现场环境，可选择POE交换机网络或者WIFI环境，考虑不依赖性通讯设计，自组网进行数据传输。

8）为组网方便，支持WIFI接入。

9）WIFI模块采用MXCHIP EMW3162。内置高性能低功耗Cortex-M3微控制器、128KB RAM + 1MB Flash[10]。可以利用MiCO的 TCP/IP协议栈、多种安全加密算法来实现各种嵌入式Wi-Fi，内置WIFI瘦AP。

2.2.2 关于标签设计

1）主控制器：TI-CC2640(STM32L051)。支持蓝牙，全区域覆盖性定位中针对小办公区域环境的存在性检测需求，增加扩展性，支持多种基站并存情况下的低成本应用[11]。

2）广播数据报：可设定时间间隔发送广播数据报，两帧数据报作为完整广播数据报文分析。

3）有源低功耗设计：锂电池1000mah，预计工作30天。

4）内置十轴传感器：监测人员、设备姿态；支持人员、设备的安全性监测，针对单基站模式，提供运动方向角，作为计算中参考使用。

图3 有线网络传输架构Fig.3 Wired network transmission architecture

5）紧急报警按钮：双键按钮，紧急情况下通过按纽向监控中心报送[12]。

6）天线：陶瓷板载天线。

2.2.3 关于定位模式设计

1）依据不同现场环境，支持单基站、双基站、多基站定位实时精确定位。

2）支持TOF、TDOA混合实时精确定位计算。

3）支持低成本存在性实时定位监测。

3 利用定位技术可在电厂主动安全通讯应用中达成效果

3.1 有线网络传输架构

定位基站通过POE交换机进行供电和数据传输，将二者合二为一。如图3所示。

3.2 应用实例

对核岛建设现场安放一定数量的定位基站，对现场3000多名作业人员实行精确定位，对施工现场人员数量、人员位置完成了实时监控。考勤报表如图4所示。

软件可以显示人员的实时位置，有平面和列表两个方式，有助于管理者对人员状态的了解[13]，在统计人数时可分区域。如图5所示。

软件对员工的运动轨迹会自动保存，管理者可以查看员工在某一时间段的运动轨迹，并查找姓名或工号。如图6所示。

系统通过软件可以设定或者删除电子围栏，可以通过设置员工的进入权限和安全距离达成电子围栏功能。如图7、图8所示。

员工如果遇到紧急突发情况，通过长按卡上面的“呼救”按钮，可以立刻发送求救命令；现场发生灾情时，管理人员可立即发出指令撤离并选定撤离区域，软件会向在该区域的员工发出撤离命令。如图9所示。

图4 核岛建设现场的考勤报表Fig.4 Attendance report on the nuclear island construction site

图5 人员实时位置图Fig.5 Real-time location map

图6 员工实时运动轨迹图Fig.6 Employee real-time motion trajectory

图7 电子围栏示意图Fig.7 Electronic fence diagram

图8 报警界面Fig.8 Alarm interface

图9 撤离区域显示图Fig.9 Evacuation area display

4 结论

利用UWB定位技术，实现了人员在室内、地下通道、地下厂房等处更精确的实时定位功能，解决了GPS在室内或环境复杂地方不能工作的问题。定位系统的功能包括实时监控、事件告警等[14]。针对电厂夜间值班人员少，工作强度大的特点，设计了符合电站特点的无线定位系统，实时监控人员动态。基于UWB定位技术继续深层次研究，扩大功能实现，将可以实现实时Wi-Fi人员定位、设定Wi-Fi无线巡检、实时Wi-Fi语音调度3大功能，非常适合电厂的现场特点、工作环境和运行管理需求[15]。在电厂实现高效智能人员定位管理、无线巡检、语音调度等方面具有新的突破。可为今后在发电厂全部区域内搭建基于Wi-Fi网络的无线人员定位、无线人员巡检、无线语音调度的综合平台提供技术支撑，为电厂完善管理手段、主动防范事故、提升安全管理水平创造有利条件，将为企业带来良好的经济效益和社会效益。