基于北斗高精度定位的安全智能管控技术研究

朱晓伟，刘成峰，吴荣基，许智贤， 伍中校

(广东电网有限责任公司阳江供电局，广东 阳江 529500)

采取有效手段及措施做好对大型工程安全的全面和及时管控是工程领域的一项重大任务。近年来，智能建造[1]、智慧企业[2]、智能建设[3]等智慧化的管理理念发展迅速，在工程领域的应用越来越广泛，同时工程质量及进度等相关目标正逐渐加快由数字化管理向智能化管控的转变。在此背景下，工程安全管理更要与智能管理概念相结合，在实际需求的导向作用下，基于先进科学技术的支持，实现工程安全由数字化管理向智能化管理的转型。作为一种智慧管理手段[4]，智能安全帽对定位[5]、识别[6]以及预警[7]等相关功能进行有效集成，将它们统一应用于工程领域，为工程安全管控目标的顺利实现打下良好的基础。

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自行研制、具有完全知识产权的全球卫星导航系统，在其飞速发展的背景下，现“北斗+”服务得到愈发广泛的应用[8]。BDS具有稳定、可靠的性能[9]，本文基于北斗卫星定位技术设计一种安全帽系统，并分析系统中的安全智能管控技术，以期为大型工程现场安全运行提供切实保证。

1 基于北斗高精度定位安全帽的安全智能管控框架

图1所示为安全智能管控框架示意图。基于现场监测数据信息，将目标定位为工程现场的安全管控，安全帽系统与工程现场的各种类型风险相结合，执行对动态电子围栏的构建任务，针对现场风险巡查路径构建静态电子围栏，通过对定位技术的合理运用，对成功佩戴北斗高精度定位智能安全帽的人员进行实时定位，同时基于5G移动通信技术，达到准确与实时传输定位信息的目的；在对人员定位和各类型电子围栏空间状态分析的基础上，达到对人员及现场安全智能化巡查的目的，在安全帽相关语音信息的支持下，针对现场安全管控进行高效把控。

图1 基于北斗高精度定位安全帽的安全智能管控框架示意图

2 安全智能管控技术

2.1 安全帽全过程北斗高精度定位

采用北斗高精度定位技术进行定位，通过建设北斗高精度GNSS监测站，实现关键区域全覆盖定位。另外，以5G移动通信网络为支持实现对北斗高精度智能安全帽定位信息的实时传输，基于相应的网络接口，达到对定位数据的集成与整合目的。图2所示为安全帽全过程北斗高精度定位示意图。

图2 安全帽全过程北斗高精度定位示意图

北斗高精度GNSS监测站的监测设备主要是北斗GNSS检测仪，其包括GNSS定位天线、太阳能电池板以及主机箱3大部分。仪器最顶端是GNSS定位天线，功能为接收北斗定位信号，位于下端的是太阳能电池板，再往下即主机箱，内有蓄电池、北斗定位模块、数据传输模块以及数据天线等。在数据传输模块内部有一张5G SIM卡，通过数据天线的协同作用，对监测数据进行无线传输。

2.2 基于5G的信息传输

5G移动通信是通过相应的链接进行通信，实现对远、近程的实时控制以及大量数据的传送。一条5G通信链路中主要包括3个模块，分别为5G通信网、地面通信方舱车以及通信指挥中心。

5G通信网主要用于5G通信，此模块的任务载荷可进一步划分为3个子模块，分别为5G通信、组网以及能量管理。其中，5G通信子模块采用的技术主要有2种，即全双工双向中继技术以及定向天线覆盖技术，从基础层次上对5G信号进行覆盖；组网子模块对组网功能进行集成，以全向天线技术[10]为支持，建立组网链路和智能组网；能量管理子模块则主要用于供电。

地面通信方舱车针对5G宏基站以及5G核心网设备等作具体的配置，对二者之间的关系进行分析，前者会借助于光纤向后者接入回程信号，后者则利用光缆连接最近的通信台。

通信指挥中心包括5G网关与通信保障子模块，前者采用的架构为B/S架构，在用户将正确的用户名和密码输进去之后，可实现登录功能，进而执行对相关数据的通信和调度任务；后者的重要功能则在于为指挥中心的正常通信提供保障。

在构建安全帽全过程北斗高精度定位信息5G通信网时，采用高低频协作组网方式，以达到有效覆盖5G基础信号的目的，同时可规避频率干扰情况的发生。通信链路的频率设定为3.5 GHz，用以对5G信号进行覆盖，组网链路则借助于5.8 GHz的频率达到组网的目的。

2.3 动静态电子围栏智能生成

1)静态电子围栏的构建。以对安全风险距离和定位精度的全方位掌控为基础，得到静态电子围栏安全智能管控区域半径计算公式：

(x-a)2+(y-b)2=r2

(1)

式中：x，y为基于静态电子围栏安全智能管控区域半径坐标轴的横、纵坐标；(a,b)为风险源的实际坐标；r为静态电子围栏安全智能管控区域的半径。

2)动态电子围栏的构建。以现场监测结果为依据，基于分级预警状态获取动态电子围栏。安全监测平台将数据异常设备坐标、风险类型与等级等风险预警信息发送至智能安全帽，待安全帽获取预警信息之后，自动构建电子围栏，动态电子围栏安全智能管控区域半径计算公式为：

(x-a′)2+(y-b′)2=r′2

(2)

式中：(a′,b′)为异常设备的具体坐标；r′为动态电子围栏安全智能管控区域半径。

针对不同的风险等级，可进行不同范围告警区域的设置，公式为：

(3)

式中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示一级、二级、三级预警。电子围栏的范围会随着预警等级的上升而扩大。待风险解除之后，电子围栏也会随之自动解除，在此过程中，亦可采用人工方式将电子围栏解除。

2.4 基于电子围栏的危险源巡查技术

1)安全监管人员固定巡查。应用北斗高精度定位技术实时统计并分析人员进出电子围栏的具体时间，同时构建履职监督指标体系，以完成对有效工作天数以及月总工作时间的智能化分析任务。

月有效工作天数D以及总工作时间T计算公式分别为：

(4)

(5)

通过对上述指标的统计分析，可以得到安全监管人员的工作情况，工作状态S计算公式为：

S=(D≥22)∧(T≥22×5)

(6)

如果S为true，意味着工作状态为正常，如果S不为true，即为不正常。由此可得到安全监管人员工作情况的智能统计结果。

2)危险源巡查率指标构建。以危险源责任清单为依据，进行巡查点位和路线图以及动态电子围栏的构建，通过对人员巡查到位与否的判断，执行预警分析任务。以定位信息为基础的危险源巡查率指标构建如公式(7)所示：

(7)

式中：p为危险源巡查率；N为等待巡查的危险源的总数量；m为已经巡查完毕的危险源的数量。若p<1，意味着巡查工作没有到位，发出相应的提示或告警信息。

2.5 安全信息预警

如果定位信息满足如公式(8)所示条件：

(x-a)2+(y-b)2≤r2

(8)

则意味着基于北斗高精度空间定位技术的智能安全帽平台监测到有佩戴安全帽的人员闯进电子围栏，此时平台会通过安全帽将警告信息发送给闯入人员，以语音播报的形式提醒其快速撤离现场。

3 实际工程应用

在2中所述技术的支持下，以电力工程为例，面向安全管理人员进行安全智能管控系统的构建，表1所示为基于北斗高精度定位技术的智能安全帽参数。基于对系统的应用，电力工程安全管理人员工作到位情况得到了切实的保证，人员工作效率增加了18%，对安全隐患的排查覆盖率也达到100%。

表1 基于北斗高精度定位技术的智能安全帽参数

4 结束语

本文基于北斗高精度定位技术，将智能安全帽作为载体，完成了对人机交互式安全管理预警模型的设计。借助于北斗高定位技术，实现了智能安全帽定位；通过对现场数据的收集，完成了对动静态电子围栏的构建；通过对现场人员的智能监管，进行安全预警体系的构建，最终实现对工程现场安全的智能与高效管理及控制。由于北斗高精度定位是一项复杂的前沿技术，因此要求展开更加细致、深入和系统化的研究，持续性地对相关模型予以优化。在今后研究过程中，北斗高精度定位应将更高的准确性以及实效性作为其不断追求的目标。