UWB人员定位系统在火力发电厂的应用

史雷冰 郝建楼

（华电忻州广宇煤电有限公司，山西忻州034000）

0 引言

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，获取人员实时位置是电厂管理中的关键环节[1]。

随着现代科技的飞速发展，越来越多的新技术和新产品被运用到火力发电厂运行和管理中，火力发电厂的自动化水平和运行管理水平随之提高[2]。人员定位作为－种日益成熟的定位技术，已经走出试验室，被越来越广泛地应用到各行各业。超宽带（UWB）定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术，它具有吉赫兹量级的带宽，因此穿透力强、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低[3]、定位精度可达厘米级，应用前景广阔[4]。

发电厂厂内转动机械多，干扰大，设备数量多，遮挡严重，安全要求高，即使在当前严格的发电厂生产管理制度的管理下，每年也会发生很多人身安全事故。可见，在发电厂采用人员定位技术加强电厂人员的安全管理还是有必要的。

1 UWB人员定位系统的组成

人员定位系统主要由人员携带的定位标签、接收信息的定位基站、传输和供电的网线及POE交换机、上位机及定位软件等组成，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

定位标签和定位基站是系统最重要的设备。定位标签用于寻找定位基站和发射UWB无线脉冲定位信号；定位基站分为主定位基站和从定位基站，主基站用于定位标签搜索、切换基站搜索/UWB等多工作模式、主基站和从基站的同步、接收无线脉冲UWB定位信号、定位信息数据上传等，普通基站只具有被动同步、接收无线脉冲UWB定位信号、定位信息数据上传的功能。定位基站将接收到的定位信号通过网线和POE交换机上传到上位机，置于上位机的定位软件，将不同基站的定位信息解码，进而通过定位算法，依据解码后的原始定位信息计算出移动目标——标签的具体定位结果。

2 UWB人员定位系统的关键算法

TDOA定位类似TOA，但是TDOA不像TOA那样对目标与微机站之间有严格的时钟同步，因此得到了广泛应用。TDOA定位通过计算时间差的原理进行定位，最能突出UWB信号时间分辨率高的优点。基于到达时间差，TDOA定位算法的实现过程主要分为三步：一是根据时延估量标签发送UWB信号到达基站的测量值T；二是根据TDOA计算距离d然后联立方程组；三是采取球体定位方法计算待定位标签的位置[5]。

本系统采用少基站几何定位TDOA算法。以二维定位为例，令（x0，y0）为需要定位的标签的坐标，（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）分别为三个基站的坐标。d10、d20、d30为各基站与标签的距离，根据以上定义，可以得到如下基本关系公式：

后面的方程减去前面的方程，并且令d21、d31为到达时间差，则d21=d20-d10，d31=d30-d10，进而得到以下关系：

式中：d21、d31为标签信号达三个基站的时间差，可由标签—定位测量获得实际数据。

若进行如下定义：

将此式代入公式（1），则得到关于d1的一元二次方程式，然后通过求解关于d1的一元二次方程，获得d1的数值，再将d1代入式（11），则获得定位的结果。因一元二次方程式有两个结果，选择相对误差偏小的结果，从而获得定位标签的具体定位。

图2是在发电厂汽机房进行定位测验的结果。

图2 几何TDOA算法定位结果

图中的方格间距为1 m，用于测量定位结果的误差；“A”样的标志为基站；叠加在底图的曲线为标签移动时产生的轨迹线。由定位结果可知，少基站几何定位TDOA算法结果波动较小，定位误差波动程度小，可作为人员定位算法的基础。

3 UWB人员定位系统的功能

本系统通过融合应用多种无线通信和传感技术，实现电厂中人员、设备、环境的全过程、多维度状态感知、态势分析和实时管控。其功能如下：

3.1 实时显示

系统可通过平面、立体和列表三种视图方式实时显示现场作业人员（标签）的实时位置，方便管理者随时了解现场作业人员实时状态，可以分区域统计人数。

3.2 轨迹回放

系统会自动保存现场作业人员的运动轨迹，管理者可以通过姓名或者卡号查看现场作业人员在某个时间段内的运动轨迹，运动轨迹数据保存时长（自动保存多少天的数据）可根据客户需求定制。

3.3 考勤管理

系统可自动生成某个时间段的考勤报表，通过姓名和卡号可以进行查询，导出个人的考勤记录；可以通过图表的方式直观查看出勤率和出勤人数。

3.4 人员管理

通过人员管理可以新增、删除人员，也可以通过Excel文件（xls、xlsx等格式）批量导入、导出人员信息；可以通过人员姓名查询人员状态；可以管理各类人员出入时间。

3.5 电子围栏

系统提供电子围栏的功能，将敏感区域、危险源以及特殊区域进行电子隔离，并设置每位员工进出或靠近的权限。区域被划定后，仅具有权限的人员才可进出或靠近，系统若发现有未授权的员工进出或靠近，系统将立即在客户端上进行报警，第一时间告知管理者出现危险情况，使管理者及时应对。同时，系统通过基站对误入电子围栏区域员工发送报警指令，提醒员工尽快离开无权限电子围栏区域。

3.6 求救、撤离

当工作区域某处发生危险（火灾、爆炸等）时，管理人员通过管理系统下发撤离命令，系统会第一时间发出警报并通知危险区域内的人员进行撤离；现场人员可以通过标签卡向控制中心发出求救信号，管理人员收到求救后可通过视频联动功能实时定位到现场画面，从而快速处理求救，避免事故扩大。

3.7 重要设备管理

管理监控系统除保证员工的安全作业外，也具有保护贵重物资、防护危险品的功能。对于需要保护或防护的物资，将定位标签安装在需要监控的物体上，标签卡具有防拆功能，若被拆下，则标签卡自动上传强拆信号，标签卡和管理软件同时报警。管理者可通过系统软件设置每个被监控物体的安全区域，若发现被监控物资被移出安全区域，管理软件将进行声光报警；同时，系统会给被移动物资上的标签卡下发报警指令，标签卡收到指令后也会声光报警，提醒违规操作者；系统同时启动视频联动，实时对物资所在区域现场画面进行记录保存。

4 UWB人员定位系统在火力发电厂的应用

华电忻州广宇煤电有限公司为了响应集团的智能化发展，建设了基于虚拟信息物理融合技术的智能风险预控管理系统，其中一个重要部分就是人员定位系统。本系统通过融合应用多种无线通信和传感技术，实现电厂中人员、设备、环境的全过程、多维度状态感知、态势分析和实时管控。

4.1 定位基站和定位标签设计

POE定位基站性能指标如表1所示。

定位标签参数如表2所示。

4.2 定位基站部署

定位将采用超宽带（UWB）无线通信技术，依据定位精度要求的不同，采用不同策略，实现人员分类、位置显示、轨迹查询、设置权限和危险呼叫等功能。

主厂房0 m，总共布置86台室内型定位基站，实现对汽机侧重点区域的二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

主厂房6.9 m，总共布置90台室内型定位基站，实现对汽机侧重点区域的二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

主厂房12.6 m层，总共布置24台室内型定位基站，实现对汽机侧区域的二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

热网站0 m层，总共布置20台室内型定位基站，实现二维精确定位和一维定位。

热网站7 m层，总共布置20台室内型定位基站，实现二维精确定位和一维定位。

热网站12 m层，总共布置20台室内型定位基站，实现二维精确定位和一维定位。

升压站室外区域布置16台室外型定位基站，实现二维精确定位。

空冷配电间及网络控制楼0 m层，总共布置16台室内型定位基站，实现二维精确定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

空冷配电间及网络控制楼6.9 m层，总共布置16台室内型定位基站，实现二维精确定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

化学水车间区域总共布置58台室内型定位基站，实现重点区域二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

煤场及输煤区域总共布置84台室外型定位基站，实现重点区域二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位；为了避免对高精密的电子产品产生干扰和影响，电子间不安装定位基站。

厂区主要道路总共布置50台室外型定位基站，实现重点区域二维精确定位、次重点区域的一维定位、非重点区域的零维定位。

表1 POE定位基站性能指标

表2 定位标签参数

4.3 实现功能

系统基于超宽带（UWB）无线通信技术的亚纳秒级超窄脉冲对现场操作人员的厘米级精确定位，实现现场人员行为实时感知和关键位置的安全围栏，同时对异常行为通过联动视频进行全程监控和管理；系统通过基站内置的多类型环境监测无线传感器实现对现场环境数据的可靠、实时采集；系统中的设备运行状态监测传感器群与基站进行无线组网，对设备状态数据进行采集和传输；上述人—机—环境数据通过基站上报到主控平台并进行综合化分析和决策，实现厂内人员异常行为管控，以及设备状态和环境变化的态势分析和预警。与此同时，厂内巡检人员可通过手持终端根据需要对设备运行状态进行现场采集，并通过厂内基站网络进行数据上报，实现人工巡检和状态检修相结合的高效、灵活的运维模式。

5 结语

由上文所述可以看出，在物联网技术大发展的背景下，发电厂可以考虑部署人员定位系统以提高企业安全管理水平，实现安全生产。采用人员定位系统，辅加电厂可视化三维系统，发电厂可直观地监管人员轨迹，提高事前预测、事后追溯、应急响应的水平，可用于电厂日常巡检人员监控和检修期间的人员管理，如进一步与视频监控、人脸识别、安全报警等结合，此系统将大幅度提升发电厂人员管理和生产监控的安全水平。

人员定位技术在发电厂的应用方兴未艾，随着安全事故成本的增加、物联网技术的成熟，越来越多的发电厂将可采用先进的安防科技，在已有安全管理制度的基础上，利用人员定位等技术提升发电厂的本质安全管理水平。通过人员定位技术提高发电厂生产安全保障水平，必将逐渐成为行业共识。