基于人员定位技术的半潜平台船体建造安全管理系统设计

张 兴， 路俊智， 程雪飞

(海洋石油工程(青岛)有限公司，青岛 266520)

0 引 言

半潜平台船体部分的建造相较于普通船体，具有空间狭小、通道复杂、立体交叉、吨位大等特点，对半潜平台船体在建造中存在的施工面广、多工种交叉、人员密集、流动性大等安全管理问题提出了新的挑战。每个隔舱涉及有限空间作业管理，而隔舱的内部又可能涉及交叉作业，面对复杂多变的施工环境，传统的人员巡查方式已经无法进行施工现场作业及时有效的全覆盖。同时由于金属电磁屏蔽效应，存在无线通信不畅的情况，传统的通信手段无法对现场人员进行查找跟踪，一旦出现火灾、中毒等应急救援情况将不能第一时间获得信息或及时得到救援，给半潜船体建造现场的应急救援等安全方面带来了一定的管理难度。

传统的室内人员定位系统方案日渐成熟，在医院、养老院、隧道施工等场所得到了推广和应用[1-2]，而将人员定位技术应用到船舶建造的施工现场中鲜有方案应用[3]。虽然国外的船舶公司也进行了相关技术的应用，但目前未取得成功，和我国一样处于起步阶段[4-5]。将人员定位系统的人员数据与安全管理相结合，为安全管理信息化提供数据支持，可有助于安全管理信息化的发展。本文通过对人员定位技术研究，利用人员定位技术与半潜平台建造期间的安全管理相结合，探讨一套以人员定位技术为核心的半潜平台船体建造安全管理系统，并在半潜平台船体陆地建造中验证人员定位技术，用于保障半潜平台船体陆地安全建造的可行性及适用性，为安全管理信息化提供数据支持。

1 人员定位系统研究

人员定位技术是以人员的位置跟踪为目标的无线网络通信技术，其脱离于现有的手机通信网络、GPS等常规网络，通过在一定区域内自建网络，实现一定区域内的无线网络信号覆盖，实现低数据流的信息交互，避免了常规网络存在金属屏蔽的情况，具有通信稳定、网络可控的特点。目前人员定位技术常用的无线通信技术已经成熟，并广泛地应用于仓储、医院、船舶、商场等领域，实现对人员位置的跟踪服务。

目前常用的人员定位系统根据通信制式的不同可分为蓝牙技术、ZigBee(紫蜂)技术、Wi-Fi技术以及UWB(超宽带)技术，按照定位算法和定位精度的不同可以分为一维定位、二维定位及三维定位。根据定位精度、算法及通信制式的不同，可以总结出定位系统由3部分组成[6]： 人员携带的定位卡、位置标定的信标点以及网络覆盖的基站。定位卡由人员携带，用于人员身份的识别和信息传递，如紧急呼叫、数据传递等。信标点放置在格舱、房间、通道等位置，用于位置标记功能，实现与后台地图位置相关联。基站则主要用于对整个区域信号的全覆盖，并将收集的信息传递给终端服务器，进行相关功能的运行。信标点与定位卡之间的无线通信常用蓝牙、Wi-Fi、 UWB、 ZigBee等2.4G高频通信，一般通信距离在10 m内，适合近距离通信。基站与信标点或定位卡进行通信，一般采用500 MHz的低频通信，具有较好信号穿透性，适合远距离通信，基于上述系统常用的人员定位系统方案有2种架构模型，具体如图1和图2所示，每种模型其核心是实现信息的交互，都有其各自的优缺点，本方案采用的是第一种人员定位模型。

图1 信标点-定位卡-基站模型Fig.1 Model of punctuation-positioning-base station

图2 定位卡-信标点-基站模型Fig.2 Model of positioning-punctuation-base station

2 人员定位系统方案

本方案采用基于蓝牙的人员定位系统方案[7]，采用信标点-定位卡-基站模型，重工建造的现场在建造中无须精确定位，只需要进行区域定位，能够知道人员的大概位置即可满足要求，基于此方案采用信号强度法的一维定位算法。信标点： 内置蓝牙通信技术，使用电池供电，安装在定位区域，不间断进行蓝牙信号广播，广播信息中包含了信标点编号、电池电量、信号强度等状态信息。定位卡： 内置蓝牙、低频两种通信技术，使用电池供电，人员随身携带，通过蓝牙接收信标点的广播，并将自身的数据信息通过低频通信发送到基站。基站： 内置低频通信技术，与定位卡进行双向通信，实现信息交互，通过以太网将数据发送到服务器，进行位置解算、显示等功能。

信标点采用低功耗的蓝牙技术，功能单一，功耗低，体积小，成本低，可采用磁吸、胶粘等方式进行固定安装，使用寿命一年。由于低成本，制作成一次性产品，具有部署方便、设备维护简单的优点。定位卡承担数据交互和传递的功能，能耗较高，而人员随身携带，便于充电，设备损坏维修、替换方便。基站： 采用220 V供电，采用低频通信，覆盖范围大，用量少，减少部署时间。同时也存在一定的缺点，如定位卡投入成本高、通信容量受限等，但对于复杂多变的重工施工现场环境，本方案现场部署较少的线路，避免了施工的复杂性，同时也利于网络维护。

3 安全管理系统部署

传统的人员定位系统主要应用于医院、公园、仓库等场所，现场应用环境稳定，无强磁干扰等问题，并且对无线信号的屏蔽小，有利于人员定位系统的部署。半潜平台船体建造属于过程管理，相较于传统的人员定位系统部署存在一定的区别，如无线传输、电磁干扰、通信带宽、地图完善、设备部署等问题。同时，半潜平台船体建造中涉及安全管理工作，如人员权限管理、应急管理等，围绕着人员定位技术开展应用于半潜平台船体建造现场的安全管理系统设计和部署工作[8]，具体的系统架构如图3所示。

图3 安全管理系统架构图Fig.3 Architecture of the safety management system

围绕着信标点-定位卡-基站模型系统架构进行硬件的部署工作，系统在人员定位方面使用2.4G的蓝牙无线+低频无线方案。信标点设备部署在需要定位的空间区域，对外广播蓝牙信号，蓝牙通信距离一般为10 m内，由于现场钢铁的信号屏蔽效应，降低了蓝牙信息的覆盖范围，对于在舱室、隔舱、房间等较封闭区域提高了人员定位准确度，为了提高人员定位的准确性，将在每个舱室、房间、走廊等区域安装信标点。考虑到施工现场处于一个变化的过程，大量的安装外部供电的信标点存在一定的施工难度，选用电池版的信标点设备部署现场，可以灵活快捷地部署现场，满足施工现场的需求。基站设备用于实现对施工区域无线信号的全覆盖，采用低频无线通信方案，一般通信距离为100 m，为了提高现场信号稳定性，可以增加部署密度。基站设备负责将无线信号汇总后通过网线传递到后台服务器中，用于人员定位服务。定位卡属于便携式电子设备，施工人员随身携带，当人员进入基站的无线范围内将自动与基站进行信息交互，人员行走中接收信标点的无线广播，通过信号强度法完成一维位置的定位，同时收集信标点的工作状态，上传到服务器中，用于后台设备状态显示和管理。

人员定位系统属于单向的信息传递，在现场管理中，后台人员在紧急情况时需要进行双向沟通，以满足施工应急管理需求。基于此，在施工现场部署了应急广播系统[9]，在走廊、房间等区域部署广播喇叭，当后台出现异常时，例如人员报警、无授权进入、紧急撤离等，可进行信息广播，提高现场应急能力。

4 系统运行及验证

通过系统研究，开展基于人员定位的安全管理系统在半潜平台船体建造过程中的应用测试。系统测试的半潜船体平台信息如下： 长100 m，宽100 m，高80 m，立柱21 m×21 m×60 m。施工现场共布署了信标点、定位卡、基站、喇叭、服务器、应急广播共6类设备，具体数据如表1所示，设备安装及定位系统显示效果如图4和图5所示。

表1 设备投入清单Tab.1 List of deploy equipment

图4 设备安装效果图Fig.4 Effect drawing of equipment installation

图5 定位系统显示效果截图Fig.5 Screenshot of display effect of positioning system

部署完毕后进行系统的运行和验证工作，在人员定位方面，后台数据可以顺利查询现场人员定位卡、信标点、基站设备的数据信息。结合实际需求，对设备信息进行深度分析，通过随机选取某一时刻系统的数据，从人员定位成功率和设备连通率对系统可行性进行分析，具体数据如表2和表3所示。

表2 人员定位成功率数据记录Tab.2 Data of success rate of personnel positioning

表3 设备连通性数据记录Tab.3 Data of device connectivity

(续表)

通过表1和表2数据，在人员定位成功率方面，一开始存在丢数据情况，通过现场查看，主要存在定位卡电量不足的情况，通过后台提供低电量报警功能，大大提高了人员定位成功率。在设备连通性方面，基站通过网线连接，成功率极高，但在施工中存在无意断线的情况，需要人员进行维修，通过优化现场布线和网线保护等措施。信标点的通信是通过定位卡间接传递到基站，实现数据通信的，随着人员定位卡数量的增加，人员的活动范围将扩大，信标点的数据采集的机会将增加，满足方案设计之初的规划。

在应急救援方面，通过人员定位后台的人员位置信息情况掌握现场的施工状态，当发生意外或者寻求帮助时，通过广播系统进行现场人员调动和部署工作，再通过人员位置的移动情况印证应急救援的有效性，对于解决现场的应急救援问题具有积极的效果。

5 结 语

半潜平台船体建造中存在较多的安全管理风险，而以人员定位为基础的安全管理系统对于提升施工现场的安全管理水平具有一定的帮助，通过将人员定位与应急广播结合应用到施工现场的安全管理中，验证了其具有可行性和适用性。在应用中发现人员定位系统部署的过程实际上是施工现场组建自有网络的过程，一旦通信网络建立，该系统将具有一定的提升和扩展能力，如通过引入作业许可管理、人员控制、隐患跟踪、违章处理等功能，可以使基于人员定位系统的安全管理功能更加强大，通过进一步的研究和应用，可为未来安全管理信息化方面提供一定的技术基础。