基于可穿戴设备的电厂人员安全管理的研究与应用

石祥文，眭华军，丰国林，祝 锐，马 骋

（1.国家能源集团 谏壁发电厂，江苏 镇江 212006；2.上海迅见自动化有限公司，上海 200125）

0 引言

人员安全是所有生产工作的基础。在火电厂中，人员安全问题尤为突出。这是由于火电厂作业环境是一个大型的、复杂的立体空间。而且，火电厂还存在高温高压力设

备多、高电压超高电压设备多、吊空镂空情况多、金属管道密布等特点。因此，火电厂生产现场的人员人身安全问题特别突出，常见人身事故包括：1）走错间隔或走错位置造成的误操作和人身伤害事故；2）不同现场人员之间的协调不畅造成的误操作和人身伤害事故；3）人员高空坠落事故；4）设备事故引起的爆炸、气体泄漏、倾倒等造成人身伤害事故。

多年以来，火电厂人员安全事故仍然频繁发生[1]，这是火电企业面临的重大问题。但是，当前发电厂管理者通常特别关心的问题，如现场人员实时位置、人员安全状态、临时安全区域设置和监控、不同现场人员之间的协调等问题，都无法进行实时的、在线的管理。

针对上述问题，本文研究了一种基于可穿戴设备的火电厂人员安全实时管理系统，并在火电厂中成功应用。

1 定位算法

目前，多数定位技术都采用的是无线技术。无线技术的定位方式主要有距离测量法和方向测量法两类。常用的定位技术有：到达角度法（AOA：Angle of Arrival）、接收信号 强度法（RSSI：Received Signal Strength Indication）、到 达 时 间 法/ 到 达 时 间 差（TOA/TDOA：Time/Time Difference of Arrival）估计等[2]。

1.1 到达角度法

到达角度法（AOA）是利用两个位置相对固定的接收机，根据测量发射节点与接受节点之间的角度信息来推导节点之间的距离。两个接收机间位置固定距离已知，可测得分别与目标发射机的角度，两个接收机（AP）分别据测量自身相对目标位置的角度，计算上可以分别得到两个射线，其交点便是目标位置[3]。通过多个天线阵列或多个接收器结合，可实现AOA 的测量。

AOA 法原理简单、计算量小，并能达到一定的定位精度。但是AOA 法依赖于波达角度的估计，如果现场物体略有遮挡，就会产生较大误差，而且信号散射现象导致测量精度随着距离增加而明显下降[4]。此外，AOA 法要求采用定向天线或天线阵列，硬件设计较为复杂。这些问题限制了AOA 法的推广应用。

1.2 接收信号强度法

接收信号强度法（RSSI）是在明确信道传播模型和无线信号发射功率的基础上，由接收节点根据收到的信号强度，通过测量获得的接收功率与已知信标节点的发射功率的差值，得到从发射机到接收机传输过程中信号的传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转换成目标物节点到参考节点的推算距离，实现对目标物的定位[5]。

由于信号强度法（RSSI）依靠信号在环境中的损耗值来测距，因而对周围环境的干扰非常敏感。而多数工厂作业环境存在大量周边物体，会对信号产生严重地遮挡、反射或者吸收，同时也往往存在其他多种较强无线电信号干扰。因此，会导致系统测得的实际信号衰减值出现严重误差[6]。因此，RSSI 法不适用于工厂作业环境。

在一个平面内，从距离推算出位置，至少需要3 个已知坐标的定位基站，3 个定位基站同时利用脉冲信号测得与被测目标之间的距离。以3 个定位基站所在位置为圆心，分别以3 个距离为半径做圆，则3 个圆的交点即为移动节点所在位置，这种方法也称为“三点定位法”。

三点定位法适用于平面上定位（二维定位），如果需要三维空间的定位测量，则需要至少4 个定位基站。如果测量环境是隧道、走廊等细长形，可以近似成一条线，这种情况可以用一维定位，只需要2 个定位基站就可以了。

1.3 到达时间法（TOA）

到达时间法（TOA）是利用信号在发射机和接收机（定位基站和被测目标）之间的传播时延来实现距离测量。如果知道脉冲从一个点到另一个点的传播时间，根据电波传播速度，就可以获得发射机和接收机之间的估计[7]。因此，可以判定被测目标位于以定位基站所在的位置为圆心，定位基站与被测目标之间的距离为半径的圆周上。

TOA 定位的优点是计算过程简单，无需复杂的学习过程，但是TOA 法需要视距无遮挡。如果定位基站与被测目标之间有遮挡，则会形成折射和绕射，导致准确性下降。此外，空间中各种噪声的干扰和硬件的延迟现象会使测量值与实际距离存在很大的误差，在存在较强反射的密闭环境中，无线多径效应对定位精度影响非常大。不过，在有遮挡和干扰情况下，TOA 法的效果要远好于AOA 法和RSSI 法。

1.4 到达时间差法（TDOA）

到达时间差法（TDOA）是利用不同基站接收到同一移动站的定位信号的时间差来测量，并由此计算出移动站到不同基站的距离差[8]。TDOA 法与TOA 算法相比，TDOA法发送信号时不需要加入专门的时间戳，也不需要定位基站与被测目标之间的时间高精度同步。但是，TDOA 法必须保持多个基站之间高精确时间同步。

TDOA 法定位至少需要3 个定位基站，其中一个是主站，两个是从站。3 个定位基站同时接收到被测目标发出的信号，两个从站把接收时间发送给主站，主站分别计算该时间与自身接收到的被测目标时间之间的时间差，把时间差换算成距离差，形成两个距离差曲线，两个距离差曲线的交点就是被测目标的平面位置。

通过测试分析可以发现，被测目标的位置位于3 个被测基站所组成的三角形内部时，定位的准确度最高，越靠三角形边沿的位置，误差越大。这主要是由于TDOA 法的距离差曲线是双曲线型的，而不是像TOA 法那样是标准圆形。因此，边沿区域和边外区域，误差会越来越大，解决这一问题的方法只能是布设更多的基站。

2 室内高精度定位技术

室内定位无法采用室外定位一般采用的卫星定位技术，如GPS、北斗等，这是因为卫星定位技术难以穿透建筑物，而且只能投影定位，因此进行高度定位。

在过去30 年里，出现了很多室内定位技术，文献WiFi 基站定位、无线射频（RFID）定位、蓝牙定位、UWB定位、红外线定位、超声波定位、可见光定位、ZigBee 定位、地磁定位、基于移动通信网络的辅助GPS 定位、地面数字通信及广播信号定位、伪卫星定位。这些室内定位技术中，有些严格来说不是定位，而是存在性检测，如RFID技术、红外线技术等。文献[9][10]介绍了这些技术的原理。部分室内定位技术对比见表1。

表1 部分室内定位技术对比Table 1 Comparison of indoor positioning techniques

图1 人员安全管理系统的系统架构Fig.1 Architecture of personnel security management system

从表1 中可以看出，只有UWB 技术可以达到亚米级的高精度实时定位。此外，UWB 具有功耗极低、抗干扰能力很强、安全性高等方面优点。因此，本文选择了UWB 作为定位监测的基本技术。

UWB 信号是指相对带宽超过中心频率20%，或者绝对带宽超过500MHz 的信号。UWB 技术用于定位时，利用的是发射和接收大带宽脉冲信号进行位置测算的。相比较于传统的窄带信号，UWB 超大的带宽保证了其具有穿透力强、发射功率低、传输速率高、抗多径效果好等优点。正是这些优点，使它在室内定位领域中得到了较为精确的定位结果。

3 系统的功能

本文开发的高精度人员安全管理系统，通过在电厂生产区内布设有限数量定位基站，实时精确地定位现场人员的位置，实时发现现场人员位置错误报警、心率突变报警、人员呼救报警，零延时地将人员位置信息和上述报警信息显示在集控中心，实时向现场人员发送各种提示信息，进行安全区域管控、目标对象在岗监控。位置精度理论值达到20cm 级、有干扰和部分遮挡时30cm，提高电厂管理水平。

3.1 系统设计原理

高精度人员安全管理系统的系统架构如图1 所示。

人员安全管理系统由人员手环、定位基站、TCP/IP 局域网、服务器、监控中心等构成，也可以通过网络中的分布式终端计算机访问，或者开通Internet 网络，通过手机等移动终端访问。

系统的基本工作原理如下：

每个现场人员佩戴的人员手环是一个基于UWB 信号的标签，该标签定时发送包含识别信息的UWB 脉冲信号。人员手环具有心率检测功能，当心率异常时向后台报警；具有高空跌落检测功能，如果以自由落体速度下落超过2m，则判定为意外跌落，并向后台报警；人员手环还可以接收系统自动发出的警告信息或者监控中心人工发出的通报信息；人员手环还具有操作按钮，可以实现紧急情况下的一键呼救功能。

定位基站检测到附近的标签信号，基于TOA 算法计算与该标签之间的距离。3 个或以上定位基站检测到该标签的距离，根据预先设计好的定位基站坐标可以计算出该标签在平面内的精确坐标，并将结果送到服务器。定位基站与人员手环之间通过UWB 的通信协议进行各种信息的交互。

服务器的功能包括数据库服务、报警服务、交互信息处理服务、系统后台管理、Web 服务等。系统后台管理可以进行系统配置、地图配置、人员配置、电子围栏配置、历史数据查询等功能。

监控中心实现人机交互查询和操作，可以在图形界面中实时查询所有人员位置，点击某个人员，可以查询该人员的详细信息，如部门、职务、状态、轨迹、历史报警等信息。监控中心实时接收各种报警信息，可以通过报警信息跳转到报警人员所在区域。监控中心还可以向现场人员发布事故或警告信息。

图2 定位基站外观Fig.2 Appearance of positioning base station

各部门管理人员可以基于网络，使用计算机或手机等移动终端访问查询监控中心的各项功能。

3.2 定位基站的技术指标

定位基站外观如图2 所示，其主要技术指标如下：

1）定位技术：UWB，TOA。

2）通信方式：基于TCP/IP 协议，有线以太网或WIFI。

3）定位精度：30cm。

4）检测半径：单基站50m（视距条件）。

5）采样时间可以设置，缺省采样时间1s。

6）供电方式：以太网供电（POE）或者直流24V，具有上电自恢复工作能力。

7）内置电池：可充电锂电池，外部电源掉电时，可维持工作8h。

8）掉电报警：外供电失去时后台报警。

9）天线形式：内置全向天线。

10）同步机制：无需同步机，无需精确矫正，抗震动干扰。

11）防水等级：IP65。

3.3 人员手环的技术指标

人员手环的外观如图3 所示，其主要技术指标如下：

1）定位技术：UWB。

2）心率传感器：具有心率监测功能，心率异常时向监控中心报警。

3）加速度传感器：具有跌落监测功能，高空跌落时向监控中心报警。

4）振动马达：具有震动提醒功能。

5）液晶屏：显示文字交互信息。

6）具有紧急呼救按键。

7）具有智能电量管理功能，充电一次工作时间＞5 天（开心率监测）或15 天（关心率监测）。

8）具有低电量报警功能，电池电量不足时，向监控中心报警。

（1）在做动物心脏实验时，我们一般先指导学生观察猪心的外形等外部组织结构，识别心房、心室等结构；切开猪心后，观察猪心的内部形态和结构，指导学生观察心室壁、瓣膜等结构的形态。随后，我们通过解剖家兔，在活体上观察心尖的跳动、心率、节律、与心脏相连接的血管、心脏的收缩与动脉搏动的关系等。通过心脏实验使学生对人体心脏结构、形态、功能等方面有所掌握，加深对教材知识的理解；同时让学生亲自动手分辨心脏结构组织，真实触摸心脏，感受心脏触感，提高其对心脏知识的理解程度。

9）具有手表的时间日历、电量显示功能。

10）防灰防水等级IP65。

图3 人员手环外观Fig.3 Appearance of safety bracelet

图4 典型实时监控界面示例Fig.4 Typical example of real-time monitoring interface

11）适应火电厂各种电子噪声、强电磁辐射等环境。

3.4 软件的技术和功能

系统的典型人机交互界面如图4 所示。

人机交互界面基本框架中，框架顶部包括系统登录信息、在线的人员（标签）和定位基站数量、滚动实时报警信息、实时报警分类统计。框架底部有实时报警、人员管理、标签管理、任务管理、历史记录、历史报警、系统管理等功能按钮。

中间是主显示区，缺省显示当前查询区域的人员位置实况，左上角有当前显示区域所在的层次关系。点击图中某个人员会打开对话框，查询该人员的详细信息。

系统的软件主要基于以下技术路线开发：

2）服务器采用Linux 环境自主开放的时序数据库。

3）客户端采用WEB 访问方式，不需安装浏览器插件。

4）提供基于HTTP 的开放接口API，与具体程序语言无关。

5）同时支持经过授权的手机访问，并且不需安装App程序。

图5 300MW机组炉内的烟道吹灰器中上层定位基站和无线路由器布设图Fig.5 Layout upper and middle positioning base station and wireless router of flue soot blower in furnace of 300MW unit

6）兼容多种云空间平台，可以在本地与云平台间自由迁移。

7）一般性系统维护可在线进行，不影响系统正常工作。

4 应用实例

该系统已经成功应用于国家能源谏壁发电厂的2×1000MW 和2×300MW 机组的现场人员安全管理中。特别是，系统成功应用于锅炉炉膛内部和脱硫吸收塔内部检修时的人员安全监控。

锅炉炉膛内检修的工作环境非常复杂而且条件恶劣，在正常运行时由于高温而无法安装任何通信设备，只能在机组停运时历史布设定位基站。而且锅炉炉膛是一个大型、全金属、基本密闭的空间，无线信号基本无法直接穿透。因此，必须解决炉膛内外信号传递问题。

本系统采用全无线通信，内置电池供电模式，克服了锅炉炉膛内部难以布线问题，并采用预设位置、炉降温后临时布设的方法解决了定位基站的布设问题。在每层的一个人孔位置，采用一个自供电的无线路由器，解决了无线信号传递的问题。

以300MW 机组炉内的烟道吹灰器中上层（8 层）为例，其布设图如图5 所示。

磨煤机出口管平台层（2 层）是一个开阔的立体空间，采用标准的四边形布置方式，由于检修时有大量脚手架，因而定位基站和无线路由器可以固定在脚手架的管架上，其布设图如图6 所示。

5 结论

图6 定位基站和无线路由器固定示意图Fig.6 To fix the positioning base station and the wireless router

本文开发了一套基于可穿戴设备的人员安全管理系统，并将该系统成功应用于国家能源谏壁发电厂的2×1000MW和2×300MW 机组的现场人员安全管理中。特别是，该系统成功应用于锅炉炉膛内部和脱硫吸收塔内部检修时的人员安全监控。通过该系统，电厂管理者可以实时在线监控现场人员的生命体征、跌落事故、走错区域等风险，实时收到人员呼救信息。

该项目的开发与实施，可以实现对生产人员安全的实时、精准管理，从而大幅度预防和减少人员伤害事故的发生，也可以预防和减少误操作等原因造成的设备事故，保证生产经营活动得以顺利进行，这些都具有重要的经济效益；同时，该项目的开发与实施，是人员安全管理信息化、实时化、自动化的重大突破，必将带来人员安全管理方式的重大变革。