浅析发电企业移动人员快速定位方法探究

国家能源集团国源电力有限公司 李建明 王朝飞

安全生产作为电厂管理的重要环节，人员安全问题更为凸显，如何利用物联网技术、人工智能技术、虚拟现实等前沿技术辅助安全管理成为了趋势，因此急需研究一套发电企业移动人员快速定位方法。

发电企业定位人员主要包括电厂职工以及外委人员，对于现场错综复杂的设备环境，人员稍有不慎即有可能发生人身安全问题，尤其检修期间，外委人员数量多、人员素质低、安全培训不到位等各种情况而导致发生人员安全事件，因此需要对现场作业人员的工作位置进行实时监控，同时对于人员历史轨迹情况、现场视频监控情况、重大危险源区域非法闯入情况、到岗到位情况进行监控与监督，以保障现场人员的安全问题。定位系统可结合目前已完成建设的视频系统、门禁系统、两票等系统，真正实现与安全生产的紧密结合。

1 人员定位技术选型

目前针对室外定位来说，更多的应用于GPS 进行实时定位，包括对人员、车辆等，对室外信号强度要求高，但是针对发电企业来说，更多的是要对室内场景如锅炉房区域、汽机房区域等生产现场进行实时定位，因此GPS 定位方式不太适用。

针对室内定位目前比较常见的技术主要有WIFI、蓝牙、Zigbee、UWB 等技术，工业场景的安全定位服务主要针对的是人员与设备，但是对于现场复杂环境而言，UWB 其抗干扰性、稳定性、定位准确性的特点，同时UWB 技术提供厘米级的定位精度使得此技术更加适用于发电企业现场复杂环境的定位要求，因此基于以上UWB 的各种优点，选择采用UWB 超窄脉冲的厘米级无线定位技术[1]，从根本上解决了这一问题，同时针对业务场景可设置多维度的定位应用。

存在定位（零维定位）：即我们所认知的进入检测，通过感知被定位的标签信号强度和精确距离来判断目标是否进入了识别区域，通常应用于不需要精准定位的办公楼、控制楼、小房间等场景。

线性定位（一维定维）：在某些狭长的区域或场景下，管理人员更关注被定位的目标在线型道路上的移动轨迹，常用的场景有走廊、通道、道路、输煤栈桥等。

精准定位（二/三维定维）：该种定位模式一般适用于大面积、开阔的场景下，它能提供被定位目标精准的位置坐标（X,Y），同时还能提供楼层高度。常用的场景有汽机房、锅炉房等。

2 定位算法的选择

发电企业不同于一般的工厂，具有设备多、复杂，危险系数高等特点，此时不仅需要二维空间定位，更需要三维空间定位，例如电厂的锅炉普遍都有十几层楼房高，二维定位便不能满足定位需求，而UWB 定位技术通常情况下有如下几种算法：

TDOA（Timedifferent of arrival，时间差定位法）：采用到达时间差进行定位时，通过测量被定为标签信号到达不同基准站的时间差，利用多组时间差，通过二次函数相交解算算法，就能确定信号发射源（标签）的位置[2]。

TOF（Time offlight，飞行时间法）：基于测距的定位方式，需要被定位的标签和每个基站发起测距，测距完成后进行位置计算。零维模式下只需要和一个基站测距即可；一维模式下，至少需要和两个基站测距；二维模式下，至少要和三个或以上基站测距；特殊模式下，则可以和两个基站测距等。

AOA（Angle ofArriva，到达角度定位法）：基于相位差的方式计算出信号到基站不同天线的到达角度，即可测算出被定位标签的大致位置。该算法一般不单独使用，由于AOA 涉及到角度分辨率的问题，若单纯采用AOA 进行定位，离基站越远定位精度就越差。

综上所述，UWB 定位技术采用的算法主要有[3]：时差定位技术、信号到达角度测量(AOA)技术、到达时间差定位(TDOA)和飞行时间定位(TOF)等。本系统采用TOF 算法进行测距，TOF 是一种双向测距技术，它通过测量UWB 信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。其基本原理是基站连续发射UWB 信号到被观测物体（标签）上，标签接收到信号后，发送UWB 信号给基站。通过测量UWB 信号飞行（往返）时间来得到目标物距离，基于TOF 测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准[4]。

3 三维可视化技术应用

人员快速定位展现手段以电厂三维高保真模型为基础，展现电厂厂区、生产现场人员定位情况。三维场景的搭建主要依托3DMAX建模技术以及UNITY 3D 引擎得以实现，使用三维可视化平台不仅可以将真实环境形象逼真的展现在眼前，更可以将与定位相结合的业务无缝融合到平台中[5]。

在三维场景中实现厂区绿化的制作与现场实际环境一致，绿化效果真实、美观。厂区建筑物、道路、设备的位置坐标准确，偏差≤0.3m，满足人员定位的要求。道路纹理与现场一致，主道路中地面指示线类按照现场实际情况制作，实现真正的电厂模拟还原。高保真制作设备外形结构，对于设备上的脏迹、锈迹、破损美化处理。室外设备模型位置、尺寸精准，与现场实际设备偏差≤0.3m。室内设备模型与现场实际偏差≤0.2m。设备纹理、结构与现场设备一致，能真实反映现场的设备和生产环境。

在建模之前利用3D 激光扫描技术进行基础模型数据的收集，并满足定位对模型精度的要求。3D 激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图形数据。采用3D 激光扫描技术，生成与现场环境一致的点云位置信息，扫描精度偏差在±3～5cm，确保三维建模位置、尺寸精准。

综上，通过采用UWB 定位技术并结合TOF 定位算法用于发电企业工作人员的定位，使得定位误差有了很大的改善，可以将定位误差限制在很小范围内，有着较好的稳定性，同时结合三维可视化展现技术，将定位数据、业务数据进行综合展现更加直观、立体的进行人员监控与数据分析。