UWB安全管理系统

刘志华

(太原重工股份有限公司 技术中心 矿山采掘装备及智能制造国家重点实验室，山西 太原 030024)

0 引言

随着工业领域智能化和自动化水平的不断提高，工厂对人员安全管理的要求也越来越高，因此越来越多的安全管理系统开始应用于各类型工业设备现场，如仓储物流、城市服务、汽车产线等，但在工业领域中，尚处于不断开展应用的过程[1]。为对工厂人员进行安全管理，开发设计了UWB安全管理系统，对工厂指定生产区域实施人员进行安全防护。

UWB安全管理系统不仅可以通过区域划定和电子围栏等方式对进入管理区域的人员进行识别、监控、告警、统计，还可以与工业设备管理系统进行数据交互，共同管理人员安全，而且各组件安装轻松快捷，调试简单方便，对工厂人员的安全管理起到了不可或缺的重要作用。

1 系统总体设计及功能

对于UWB安全管理系统设计，首先应根据需定位的人员数量、使用环境、设备要求等要素来确定系统总体方案，然后根据要解决的譬如位置采集、进入监控、及时报警、数据交互等各类问题来规划设计系统的各项功能，以进一步根据实现的功能确定系统的硬件组成，最后根据管理要求来实现软件和管理功能。

1.1 系统总体方案规划

通过对用户需求进行采集调研和现场实地考察，绘制了系统框图并对定位基站的实际分布进行总体规划设计，最终确定了定位人员总数为1 000人，定位基站数量为78个，安全围栏区域为3个(分别是234 m×24 m、270 m×28 m、80 m×24 m)的UWB安全管理系统。

系统的主要技术指标确定为：工作频段为3 GHz～7 GHz;脉冲带宽≥500 MHz;定位数据延时≤1 s；最小传输间隔≤1 ms；发射功率≤-40 dBm/MHz；接收灵敏度≤-90 dBm；室内典型精度≤30 cm，如有一般遮挡平均误差≤50 cm；无遮挡通讯距离≥100 m；单定位区域标签容量大于500(1 Hz)，系统标签容量大于100 000。

1.2 安全管理功能设计

规划好系统功能后，开始设计安全管理的各主要功能，如图1所示。

图1 UWB安全管理系统功能结构框图

(1) 权限管理：主要是根据安全管理员、设备操作工、维护人员等权限的不同对系统的各类功能模块进行分类管理。安全管理员具有最高权限，并对系统所有用户的权限进行管理和分配，确保安全策略和安全管理逐级落实执行到位。

(2) 考勤：针对在岗人员进行考勤，负责对安全管理系统电子围栏区域内的日常工作人员进行上岗记录、考勤报表和汇总分析等。

(3) 运动轨迹管理：对人员在围栏区域内的运行轨迹进行展示、追朔和跟踪。此功能不仅可用于对当前围栏内人数和所在方位进行全面展示，而且可以选定人员进行指定时间内的运动轨迹追朔，还可以对指定的进入围栏区域的人员进行定向跟踪，描述其运动轨迹，用于安全管理。

(4) 报文管理：汇总来自UWB安全管理系统、工厂管理系统和设备的各类信息，然后进行分类管理，输出给安全系统管理员，方便管理员全面掌握系统内各类人员、设备和信息的状态[2]。通过报文功能，工厂安全管理员不仅可以全方位无死角地了解围栏内人员的分布和安全信息，而且可以通过人机界面绘制临时撤离区域并进一步通知围栏内相关人员用于紧急情况下的安全管理，如图2所示。

图2 电子围栏内划定临时撤离区域

(5) 数据交互：采用TCP/IP协议方式进行数据打包，建立数据接口用于向上层管理系统传输数据。使用S7数据打包格式与设备PLC进行数据交互，具体数据包组如图3所示。

图3 UWB安全管理系统交互数据包组

每位进入围栏区域的人员都会生成如图3所示的一组数据，同时进入围栏区域的人员不大于40人/次，所以基于上述数据组我们建立了40组数据用于人员的识别与管理。

(6) 拓展接口：主要用于与工厂管理系统的数据共享以及与其他系统交互接口的拓展，方便工厂内各管理系统及时共享人员和安全数据，对工厂进行整体化系统化的管理。

(7) 电量管理：及时掌控安全区域内人员所戴标签的当前电量状态、并对异常的标签进行警告，当标签电量低于10%时向标签持有人发出报警和充电通知。

(8) 告警：对人员、设备等运动轨迹、运动区域、行动不合理(如作业人员长期不动)或异常(如设备过快移动)等触发各类告警事件。具体包括通过标签按钮触发的主动告警和通过预设条件触发的自动告警。

(9) 实时定位：对人员、车辆、设备、资产等对象进行定位，分为电子围栏、危险区域划定和人员精准识别三种模式。

(10) 标签识别管理：对标签进行分类管理与识别，不同区域的人员拥有不同的标签类别。如管理、访客、维护、巡检以及日常工作人员都应有不同类型的标签定义和识别编号，将各类型标签录入控制和管理系统，然后根据类型和编号分别对人员进行分类管理[3]。

2 硬件组织结构设计

硬件系统主要包括中央服务器、中央交换机、远程登录站、多媒体展示、子网分布交换机、基站、标签、配电系统等，其组织架构如图4所示。

图4 UWB安全管理系统硬件组织架构

中央服务器用于安全管理系统的软件布置。中央交换机用于外接云网和子网。远程登录站主要用于对系统的远程访问和管理。多媒体展示用于用户参观。子网分布式交换机用于将各基站接入到云网中。

基站主要用于对区域的划分以及对人员的定位，通过基站的布置划定电子围栏和危险区域，并通过经纬度来识别进入区域的各类人员。标签是基站识别人员位置的信号源。

配电系统主要用于系统供电，其包括稳压电源、交换机悬挂柜、施工电缆辅材、桥架和桥架连接固定装置、光纤电缆、断路器等各类元件以及附件[4]。

3 软件实现

本文基于Linux系统，采用C#语言进行系统软件设计，主要包括系统配置模块、权限管理模块、考勤模块、运动轨迹模块、报文信息管理模块、通讯接口模块、电量管理模块、告警模块、定位管理模块、标签管理模块、基站校准模块、系统诊断模块、固件升级模块等，用于系统管理和人机交互。

本文以通讯接口模块为例介绍软件的实现。通讯接口模块的建立过程如图5所示。

图5 通讯接口模块建立过程

4 系统应用

该系统已被推广应用于国内某大型钢铁集团的智能化改造项目，满足了定位精度、系统容量、安全防护等[5]各项技术指标要求，起到了良好的安全管理效果。图6为设计完成的UWB安全管理系统架构。

图6 UWB安全管理系统架构

5 结语

本文阐述了UWB安全管理系统的规划和设计过程，通过为工厂安装布置UWB安全管理系统，不仅可以帮助用户和设备厂商实时了解人员进出状态，而且能及时报告各类安全报警事件，更能帮助工厂进行人员和设备安全的分级分类管理，为工厂的安全管理提供了支持和保障，具有良好的推广前景和应用效果。