人员定位技术在水电站的应用研究

李 冲 张维华 关培烁 王清萍

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都610051）

0 前言

水电站电力生产现场比较特殊，其管理范围大，管线复杂，需要管理和维护的设备众多。如何获取人员的实时位置是水电站管理中的一个关键环节，例如，在人员管理中，通过获取人员的位置，判断该员工的工作状态，了解关键岗位、安全相关岗位人员是否及时到岗，是否擅自离岗；通过记录员工的运动轨迹，可以判断员工是否巡检了相应设备；通过划定危险区域电子围栏，可以及时对进入或接近危险区域的人员及时预警等[1]。通过基于物联网的室内人员定位技术可以有效获取水电站电力生产现场的人员位置信息，从而实现对人员有效管理。

1 人员定位技术概况

1.1 RFID定位技术

RFID人员定位单元由RFID标签和阅读器组成。RFID标签由被定位人员佩戴，布置在建筑物内的阅读器即时读取标签发出的无线射频信号，最终实现人员的实时定位[2]。电子标签按供电方式分为无源、有源和半有源三类。日常应用最为简便的无源电子标签，通过接受阅读器传输来的微波信号，以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，从而完成信息交换。因省去供电系统，故无源标签的体积可以达到“厘米级”甚至更小，而且自身结构简单，故障率低，使用寿命较长。

1.2 WiFi定位技术

WiFi是一种短程无线网络传输技术，具有覆盖范围广、传输速度快、危害小、成本低、容易搭建和管理等优点[3]。WiFi定位方法按照是否基于RSSI（信号强度）分为两大类。不基于信号强度RSSI的方法有根据ToA（Time of Arrival，到达时间）、TDoA（Time Difference of Arrival，时差）、AoA（Angle of Arrival，到达角）这些参数进行的定位，基于WiFi信号强度RSSI的定位算法有两种，即三角定位算法和指纹算法。

1.3 蓝牙定位技术

蓝牙定位原理通过检测信号强度来实现，具有应用场景不受限制、易普及等优势。蓝牙定位技术的定位过程为：蓝牙Tag定时发送BLE广播帧；AP接收BLE广播帧，记录每个收到帧的RSSI、MAC地址等信息，处理并转发给定位服务器；定位服务器按照定位算法对报文中的RSSI等信息进行计算，计算出蓝牙Tag所在的位置或者区域。

1.4 UWB定位技术

UWB是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。由于UWB技术传输速率高，能够抵抗多径环境，并可与现有其他无线通信系统共享频谱，具有功耗低、穿透力强、保密性好、抗干扰能力强等优点，能提供精准的定位精度[4]。UWB定位原理为：由定位标签每秒钟打出若干次脉冲定位信号，定位基站进行接收，通过标签到达不同定位基站的到达时间差进行解算，得出标签的实时位置。

1.5 ZigBee定位技术

ZigBee是一种短距离无线网络协议，其拓扑结构可以为星形、树形和网状型等。ZigBee定位系统分为无线网络及监控中心，前者分为网关节点、参考节点与未知节点，后者则由串口数据线和上位机所组成。其中，网关节点往往被用来配置相关信息，参考节点指的是位置确定的节点；未知节点与之相对，通常是指坐标不确定的节点，不同节点经由无线通信的方式，在计算定位坐标的基础上，为后续工作提供便利[5]。ZigBee定位系统具有功耗低、抗干扰能力强、自组网能力强、成本低的优点。

2 人员定位技术对比

综上所述，目前现有的RFID、WiFi、UWB、蓝牙、ZigBee等人员定位技术在定位精度、建设成本等方面各不相同。如表1所示：

表1 各类定位技术对比表

3 水电站人员定位系统特点

相比于其他应用场景，水电站有着很多独有的特点，因此人员定位系统的设计应充分考虑水电站的特点，采用最适用的人员定位技术，以达到更优的定位效果。水电站人员定位系统特点如下：

（1）水电站可根据功能及重要程度划分为不同区域，考虑到管理需求和建设成本，不同区域所需的定位精度有所差异，因此可针对不同区域设计不同的定位技术。比如营地、封闭区范围的管理重点在于判定和统计该区域内的人员出入情况，并实时掌握该区域内人员数量和分析出人员组成情况；大坝、地下厂房等生产区域需对区域进出权限的管控有严格的要求，需要实现颗粒度较细的人员定位；厂房机电设备核心区域在巡检、检修等生产作业场景中需实现工作人员的实时监控以及过程可视化，对人员进行精准的跟踪定位，在进入设备警戒区域或走错间隔、或未按照规定巡检路线或未完成巡检要求的规定动作，可及时预警。

（2）可结合水电站现有基础设施进行人员定位系统设计。水电站基础设施一般都包含工业电视、WiFi等系统，若能在这些已有系统的基础上进行人员定位系统设计，不仅可以提升项目的可行性、降低建设成本，还可以减少以后设备检修、维护的工作量。

（3）水电站核心生产区域对人员定位的精度要求高，同时也需要较高的准确性和稳定性，现有的几种人员定位技术各有优缺点，若使用单一技术很难突破技术壁垒，可采用两种以上技术融合的方式进行设计，以弥补单一人员定位技术所固有的缺点。

（4）人员定位系统的电子标签应尽可能简单，同时应结合使用人员的日常习惯，这样更容易被使用人员所接受。比如根据水电站的安全管理要求，进入生产区域必须佩戴安全帽，若能将电子标签和安全帽有机结合在一起，可以大幅度提高人员定位系统的实用性。

4 结语

水电站人员定位系统对于提升水电站的智能化水平有着重要意义，同时对于提升水电站的人员管理水平而言，人员定位系统所起到的作用也是显而易见的。随着物联网技术的发展，现有人员定位技术已相对成熟，而如何利用这些技术来提升人员定位系统的定位精度、准确性、稳定性，降低建设成本是目前该领域研究的一个重要方向，也是人员定位系统今后能否在水电站大规模普及的一个关键因素。