基于UWB的化工厂人员定位系统设计
董云峰，刘 强
（上饶中电海康智慧城市研究院有限公司，江西 上饶 334100）
摘 要： 化工行业由于其特殊性，对生产安全需要格外重视。目前，各类化工厂都在逐步推广两级巡检制度等各种措施以提升整体安全性，但由于监管手段匮乏，改善作用有限。本文对常用室内定位系统进行了梳理、分析，提出基于DW1000模组的UWB化工厂人员定位系统。该系统采用TODA定位方式，以卡尔曼滤波实现对系统信号误差的处理。通过在厂区部署基站，向进厂人员分发定位标签，可以实现对厂区内人员位置的实时监控；在后端软件平台，能够实现包括人员定位、巡检管理、轨迹追踪等功能，具有一定的事前预防和事后追溯能力。系统在实际部署中取得了良好的效果，未来还可联动监控和报警系统，提升化工厂安全管理和过程管控水平。
关键词： UWB人员定位；定位基站；化工生产安全监管
0 引言
化工生产安全保障难，已是行业共识。为进一步推动化工企业落实安全生产主体责任，严格规范企业安全生产流程，提高化工从业人员的安全意识，相关政府部门也发布了文件要求化工厂对厂区安全监管设备进行智能化升级。化工厂通常对危险源进行两级巡检，生产车间对所有设备进行巡检之后，安全部门会对重大危险源进行再次巡检，以此来确保设备、作业环境的安全。除此之外，化工企业通常会在车间设置气体浓度两级预警信号，主要根据报警事件的严重程度设置不同的等级，相应采取不同的应急措施。如报警等级比较低时，需要对某些重要设备采取应急保护措施；等级比较高时，需要安全部门介入，紧急撤离工作人员。化工厂在事故预防、事故处理等方面做了相对全面的考虑。但效果依然不理想，安全事故仍频频发生，总结原因主要有以下几点：
（1）缺乏全面的巡检监管手段：无法随时随地监管巡检工作（巡检点位、巡检路线、巡检时长、巡检记录等），无法回溯历史工作、报警以及事故，无法无遗漏监管所有人员。管理人员无法准确获取进入厂区的工作人员和来访人员信息，无法对人员进行精准管理。
如图6，应用层中包含多个功能模块，并且各模块之间相互独立，通过Spring MVC向表示层提供统一的访问接口，在接收到表示层请求之后，根据Spring MVC的控制器分发请求，直接调用对应的模块进行其中的业务逻辑处理，同时这一过程有着Spring的管理与Mybatis对象关系映射，从而能够完成接收请求，分发请求，业务处理，访问数据源，模型生成，视图填充以及给予响应的完整过程[9]。
（2）缺乏高效、精准的定向监管手段：无法针对一些重点区域、重点时段、重点事件进行定向精准管理，无法高效、快速响应事件。管理无法图表化、可视化，无法实现直观的管理，缺乏对数据的展示、分析以及预测。事故发生时，往往会错失最佳救援时间，导致事故伤亡严重。
为了解决化工生产安全保障难问题，本文以安全管理的信息化和智慧化为基本出发点，利用UWB室内定位技术，对工厂人员以及区域进行有效定位划分，并配合传感器以及视频监控以达到精准化和可视化监管。
1 UWB人员定位系统介绍
1.1 定位技术对比
巧妙地杀菌消毒也能提升水质，该研究采用二段投加纯二氧化氯法，2/3药剂投加于取水头部，它能发挥三个作用：①充当清道夫灭杀浑水管道内沾附在管壁上的蜉螺及细菌，并减少阻力适度节能；②提前灭藻使藻类进入第一反应室能轻易被夹气托起先期排除，研究说明藻毒素有害人体；③始终保持滤池滤床无细菌及贾第鞭毛虫、隐孢子虫的滋生。其1/3经充分混合投加至清水池，与常规一样由测量仪测定合格结果，保持一定的残余量，杀除供水管道中的细菌及病毒。
当然，部分学者认为多个大股东的存在并不会对公司的绩效有好的影响。非控股股东有能力对控股股东进行监督，但是会因为某些因素的影响导致非控股股东发挥制衡作用，从而导致公司市值的降低。第二大股东对公司价值产生负面影响，特别是当两大股东基本同意投票时，如果第二大股东未能提供补偿性监管，公司的价值可能会受到损害。如果是家族企业，第二大股东可能和控股股东有某种特殊关系，使得第二大股东对公司业绩产生负面影响。
（1）WiFi定位技术
WiFi定位技术便于利用现有的无线设备实现定位功能，但由于WiFi的安全性较差，功耗较高，定位精度在米级，频谱资源已趋近饱和，因此，不利于终端设备的长期携带和化工厂区内的大规模应用。
（2）射频识别（RFID）技术
射频识别距离从几厘米到十几米。RFID用于人员定位的典型应用来自人员考勤系统的拓展，主要对人员是否存在于某个区域进行辨识，不能实现实时跟踪，并且定位应用缺乏标准的网络体系，因此，对化工厂人员定位应用来讲，网络组建成本和建立难度较大。
（3）ZigBee
ZigBee的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗和高数据速率，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee定位的最大优势是功耗低，但ZigBee穿透性较弱，抗干扰能力不足，定位精度无法达到厘米级，不适用于化工厂的复杂环境。
（4）UWB
UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号的辐射非常低，通常只有手机辐射的千分之一，因此在工业应用时不存在对其他仪器仪表的干扰问题。UWB能准确分辨出多径，具有纳秒级的高时钟精度，在定位测距中，可以实现分米级的定位精度。其系统发射功率非常小，可以用小于1mW的发射功率完成通信，大大延长了系统电源工作时间。
RFID、WiFi、ZigBee、UWB 定位技术的发展可参见图1。常用定位技术的整体参数比较如表1所示。综合各定位技术的整体参数指标，可以认为UWB定位技术是化工厂人员监管系统定位方案的最优选择。
1.2 系统功能实现
1.2.1 系统功能
UWB人员定位系统由硬件定位设备 （定位标签、定位基站）、定位引擎和应用软件三部分组成，系统可实现如下功能：
（1）区域定位（0 维定位）
受化工厂特性决定，在某些情况下，需要确保特定空间、区域内没有人员存留，以免发生伤害，因此通过区域定位实现此功能。其通过检测房间内是否有定位标签卡的存在实现，即感知人员是否进入特定区域，不具体到精确坐标。实施时仅需要部署单一基站。
图1 无线定位技术发展
表1 常用定位技术性能比较表
（2）巷道定位（一维定位）
用于走廊、通道、隧道、管廊等场景的定位。典型情况为巷道定位，只确定定位目标在该巷道的前后位置，不讨论巷道宽度。
（3）精确定位（二维定位）
基站分组配置，分组原则：
（2）确定坐标系
（4）空间定位（三维定位）
定位基站（定位传感器）可以通过标签发送信号脉冲到达的时间差计算出位置距离，利用TDOA测量算法确定标签的位置坐标，并将数据传输至网络控制及定位引擎软件，系统可以实现厘米级的定位精度。出于简化部署的诉求，定位基站以有线网络部署，以POE方式供电。如图4所示为其原理框图，如表3所示为基站的具体性能参数。
图2 UWB人员定位系统整体架构和功能
系统架构和实现功能如下图2所示。
1.2.2 人员定位实现流程
人员定位具体实现流程如下：
（1）每个定位标签以UWB脉冲重复不间断发送数据帧；
（2）定位标签发送的UWB脉冲串被定位基站接收；
（3）每个定位基站利用高敏度的短脉冲侦测器测量每个定位标签的数据帧到达接收器天线的时间；
（4）定位基站通过WIFI或者以太网实现与后台服务器通信；
（5）定位引擎参考标签发送过来的校准数据，确定标签达到不同定位基站之间的时间差，并利用TDOA算法来计算标签位置；
化工厂人员定位系统具体部署步骤如下：
2 UWB定位系统设备及组件
2.1 UWB定位标签
定位标签为基于DW1000模组设计的有源标签，定位精度最高可达10cm。标签发出的UWB脉冲信号，通过定位基站（定位传感器）接收和传输。每个标签都有唯一的ID号，可通过ID号与被定位的对象发生联系，使定位基站通过标签发出的脉冲信号找到实际位置。定位标签搭载三轴运动探测器以提供功能扩展，采用单节锂电池供电，具体硬件模组如图3所示。表2所示为UWB定位标签的具体性能参数。
2.2 UWB定位基站
以车间，尤其是大型生产设备为主要应用对象，通过得到定位标签的三维坐标，判断人所处的位置，与生产安全管理策略相结合，避免事故的发生。在具体部署时，定位基站的安装需要特别拉开Z轴的高度差，以确保在Z轴定位的精度。
表2 UWB定位标签具体性能参数
图3 UWB定位标签硬件模组
图4 定位基站原理框图
表3 定位基站具体性能参数
2.3 定位引擎
定位引擎部署于定位服务器，实现定位算法并提供API与上层应用软件调用。UWB定位主要基于 TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法和卡尔曼滤波算法。
TDOA定位算法利用时间差进行定位，通过测量信号到达基站的时间，确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离，就能确定信号的位置。但由于绝对时间一般比较难以测量，所以通常会通过比较信号到达各个基站的绝对时间之差进行确定。如图5所示，以基站为圆心，以信号发出位置到基站的距离为半径作圆，圆的交点即为信号发出位置。TDOA定位算法基于多基站测量结果，因此实现对信号的定位必须不少于3个基站进行同时测量。
图5 TODA定位算法示意图
卡尔曼滤波（Kalman filtering）是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据受系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。面对室内复杂的环境，信号在传输过程中，不可避免地会遇到非视距障碍物的阻挡产生误差，对于这一问题，采用卡尔曼滤波错误检测算法来消除传输误差。把基站分为主基站和从基站，通过一个同步周期的时钟信息去估计下一个同步周期的主从基站时钟间的漂移，无线时钟同步可运用卡尔曼滤波消除信号传递过程中的干扰。
2.4 上层应用软件
UWB室内定位系统的上层应用软件可实现以下应用：
（1）分布显示：佩戴定位标签的人或物的分布情况。
（2）移动轨迹：通过电子地图实时显示一个或者多个对应标签的移动轨迹。
其次，阅读作为作文素材的来源，需要学生在平时课外阅读或是看到课文中的好的词语和句子时，摘抄到一个本子上，收集起来，便于使用时查找，例如“问渠那得清如许？为有源头活水来”的名诗。又如朱自清在《春》中是这么描写南方春雨的，“看，像牛毛，像花针，像细丝，密密地斜织着，人家屋顶上全笼着一层薄烟”。胸中有墨水，下笔之时才能够信手拈来、旁征博引。
（3）跟踪指定标签：地图随着标签的移动自动切换，将鼠标移到标签上可以看到标签的当前状态。
有研究者将70例葡萄糖耐量降低（IGT）的T2DM患者随机分为生活干预组和二甲双胍（250 mg，tid）+生活干预组。治疗1年后，二甲双胍+生活干预组患者餐后血糖水平和颈动脉内膜厚度的增量均显著低于生活干预组（P＜0.05），从一定程度上证实了二甲双胍对T2DM患者心血管系统的保护作用[21]。
（4）电子围栏：通过平面电子地图上不同颜色和形状显示人员的报警位置状态。
3 UWB定位系统平台部署
（6）终端设备（应用软件）显示出定位标签的位置。
随着21世纪经济的快速发展，我国的城市化发展也进入一个高速扩容阶段。高楼大厦拔地而起，景观设计日日出新，在这个过程中，大部分城市逐渐失去自己的本来面貌，各城市的色彩形象也失去了鲜明的个性象征。在与国外诸多特色城市的比较中，城市环境色彩设计越来越受到关注，但是对各地色彩文化根源性的探讨与应用却没有得到很好的挖掘和足够的重视。
4.教学目标上，追求高品味、高质量、精品力作。“求木之长者，必固其根本；欲流之远者，必浚其泉源。”当下的中国画要获得广泛的传播，强烈的审美感受，不仅要继承中国画传统的精髓，而且必须创作当代的精品力作。这就要将境界高远、内涵丰富、技法到位、色彩和谐的精品创作作为中国画教学的追求。只有这样，才可以努力做到“笼天地于形内，挫万物于笔端”，也才能真正做到文化自信。
“哇哦！想不到一个小小的糖人，竟然有这么大的来头，我以前还从没听说过这样的事呢！糖人国……听上去很有趣嘛。”唐小果兴奋地瞪大了眼睛，可转眼间，又为难地捏着下巴，“不过，我要怎么帮你呢？难道把你们都吃掉吗？虽然我也很喜欢吃糖，可吃不了这么多。而且你们不受欢迎，说不定也有你们自己的原因。”
（1）绘制地图
根据现场的测绘数据，按照1：1的比例绘制CAD图，并转成png、jpg、jpeg或bmp的图片格式。
本文主要研究方向为验证适合我国NAFLD合并2型糖尿病患者的治疗方案。本研究选择NAFLD合并2型糖尿病的患者而不是单纯NAFLD患者为研究对象，是考虑到以下3个方面的原因：(1)单纯以NAFLD就诊的患者数量较少，为保证样本量，选择NAFLD合并2型糖尿病的患者；(2) NAFLD合并2型糖尿病的患者需要一个综合的管理，这利于从中选择所需的数据进行统计研究；(3)NAFLD和2型糖尿病关系密切，两者相互作用。
按照方便显示的原则，选取坐标原点和坐标系。定位系统的坐标系是相对的，用户可以根据现场情况，灵活选取坐标系的坐标原点和X轴的朝向，灵活的坐标系选定方式可以减少用户测绘的工作量和测绘难度。需要注意的是，对于同一张图纸，坐标系只能有一个，所有其他的信息，如基站坐标信息等，都以选定的坐标系为参考测量得出。一般情况下，坐标原点选在墙角或者走廊入口，或者具有明显标志性的节点。坐标系的X轴一般与墙体或走廊的延伸方向一致；Y轴则与X轴垂直。例如化工厂走廊，一般选定走廊入口处为坐标原点（0，0，0），走廊的 X 轴水平垂直于走廊轴线的方向为Y轴，竖直垂直走廊轴线的方向为Z轴。
（3）部署基站
为了建立一套完整的化工厂三维管控平台，实现对人的精确管控，需要建设一套可提供位置服务的定位系统。系统的整体精度决定了管控的准确性与时效性，同时也决定了基于位置数据分析的可靠性与实用性。由于化工厂人员主要分布在室内，环境较为复杂，因此选择一种精度高又易于实现的定位系统尤为重要，以下对主要定位技术作对比分析：
需要根据定位要求进行基站部署，视存在性定位、一维定位、二维定位、三维定位来确定具体的部署方式。场景不同，基站的架设需求也不同，如下是常用场景的安装方式：
一维线性定位：直线走廊，每隔100米安装一个基站；遇到走廊拐弯，需要在拐弯处增加基站，并为基站供电供网。
二维定位：系统在平面区域边沿架设基站，遇到柱子、墙壁等阻挡源需要增加基站，并为基站供电供网。
总体按照“一核多群多点”进行空间布局，“一核”即：以重庆主城区为核心，集聚全国、全市线上线下互动创新资源要素，形成吸引境内外知名电商服务企业集聚发展的核心区。“多群”即：相关区县特色产业“+电子商务”形成特色电商产业集群。“多点”即：全市基层各园区、各镇街辖区内特色专业市场、零售卖场、便民商圈、商业网点等载体“+电子商务”，形成特色电商网点。
三维定位：系统需要基站架设出高度差（Z值坐标），有了高度差，标签就会以不同高度状态呈现在地图上。遇到柱子、墙壁等阻挡源需要增加基站，并为基站供电供网。
（4）基站坐标测绘
基站安装完毕后，应对基站的坐标进行测量。测量的坐标系先以选定的坐标系为准，例如：对于一段长100米的直线走廊，选定了走廊入口为坐标原点（0，0，0）走廊的轴线为 X 轴，水平垂直于走廊轴线的方向为Y轴，竖直垂直于走廊轴线的方向为Z轴。第一个基站安装在坐标原点处，高度2米，Y向偏移0.5米，则此基站的终坐标为（0，0.5，2）；第二个基站安装在100米处，高度2米，Y向偏移0.4 米，则此基站的最终坐标应为（100，0.4，2），其他基站以此类推；基站的坐标测量应及时记录，并录入软件管理系统。
（5）网络调试
首先把各个基站用交换机或路由器连接在同一个局域网上，然后测试基站网络的连通性。
（6）软件调试
通过4个以上的基站，来确定定位标签的空间二维坐标，从而确定区域内人员或物资的位置。
第一，每组最少需要4个基站才能使用，其中至少需要1个主基站；
第二，每组内的基站与主基站之间不要有阻挡；
第三，每组内的基站负责该组基站之间围成的形状之内的定位；
第四，在一个区域中，标签所处的位置应能看到4个基站（这4个基站都需要与同一个顶级主基站进行时间同步），方可实现标签的定位。
将基站坐标信息及其他系统必需的信息输入系统，启动定位引擎和地图程序即可。
4 实际应用
2018年，本系统在江西某工厂实现成功交付，本次交付的人员定位管理系统旨在协助车间管理人员高效管理车间内的员工以及保障员工的人身安全。基于这两个目的，系统主要实现了以下功能：
（1）实时位置显示
对于高压旋喷桩，其检验方法主要是钻孔取芯法。首先，在完成施工的桩体上通过钻进取得岩芯，然后把岩芯制成试件，送到室内开展性能测试，确定桩体是否均匀，以及抗渗能力能否达到要求[4]。
系统能够实时显示佩戴标签的人员在车间的位置。并根据系统反馈的结果，实时掌握人员位置、在班人员的情况，对员工的行为绩效量化考核。具体如图6所示。
图6 人员定位系统厂区实时监控界面
（2）轨迹回放功能
实现对不特定个人的轨迹历史重放，通过查看历史轨迹判断是否合规及有无串岗等。具体如图7所示。
从图4可以看出，氧化单元对总氮几乎没有去除效果，脱氮主要发生在生化单元，出水前期较高，后期稳定在10 mg/L左右。
图7 人员定位系统历史回放界面
（3）人员管理
系统可以查询历史人员定位信息，实现对各部门、各岗位的具体管理，能够掌握每个部门的工作岗位人数和个人信息。具体如图8所示。
（4）警戒区域安全控制
当人员进入与其权限不符的区域时，系统会根据策略进行报警。通过设定安全警戒区域和报警策略，可以最大程度保证工人的安全。如果发生安全问题，能够通过定位系统第一时间发现人员所处的位置，进行抢救。
图8 历史人员定位信息界面
5 结语
化工生产安全保障难已是行业共识。当前，越来越多的企业开始部署人员定位设备以提高工厂安全管理水平，实现安全生产。作为精准可视化监管工具，化工厂UWB人员定位系统可帮助企业提升生产安全管理水平，提高事故响应速度与质量，做到事前可预测、事后可追溯。定位系统还可进一步联动各类传感器、视频监控、报警系统等实现功能扩展，成为化工厂安全管理和生产过程管控体系的一部分。
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Design of Chemical Plant Personnel Positioning System Based on UWB
DONG Yun-feng,LIU Qiang
（CETHIK Shangrao Smart City Research Institute Co.,Ltd.,Shangrao 334100，China）
Abstract： Due to its particularity，the chemical industry needs special attention to production safety.At present，various chemical plants are gradually promoting various measures such as two-level inspection system to improve overall safety.However，due to lack of supervision means，the improvement effect is limited.In this paper，the common indoor positioning system was sorted and analyzed，and the UWB chemical plant personnel positioning system based on DW1000 module was proposed.The system adopted TODA positioning method to realize the processing of system signal error by Kalman filter.By deploying base stations in the plant area and distributing positioning tags to the incoming personnel，real-time monitoring of the location of personnel in the plant area could be realized;in the back-end software platform，functions such as personnel positioning，inspection management，and trajectory tracking could be realized，it has the capabilities of prior prevention and post-tracking.The system has achieved good results in actual deployment.In the future，it can link monitoring and alarm systems to improve chemical plant safety management and process management and control.
Keywords： UWB personnel positioning；positioning base station；chemical production safety supervision
【中图分类号】 TN929.5；TQ086
【文献标志码】 A
【文章编号】 2096-6059（2019）03-042-07
收稿日期： 2019-05-02
作者简介：
董云峰（1980-），男，浙江杭州人，硕士，中级软件工程师，主要研究方向：物联网技术与应用、智能设备与软硬件一体化系统，通讯邮箱：dongyunfeng@cetiti.com；
目前，国外的很多企业生产的颗粒成型设备技术已经日趋成熟，像德国SALMATEC公司的MAXIMA模块化设计的制粒机，可以适应多种原料，生产率高达30 000kg/h；奥地利ANDRITZ公司生产的Feed & Biofuel系列颗粒机，轧辊可以快速、简单、准确的滚动调整，模孔尺寸通常的范围从1.5～9.5mm，颗粒模具可达到约90mm厚。此外，ANDRITZ公司针对每道工序或完整的工艺生产线采用全自动控制系统，确保成型颗粒质量的同时，符合成本效益。模块化设计的控制系统，范围从业务职能的基本控制到整个工艺生产线，包括先进的电脑控制、秤、粉碎机、搅拌机、挤压机、烘干机、制粒机、冷却器和涂层机等。
刘 强 （1989-），男，江西上饶人，本科，工程师，主要研究方向：嵌入式硬件系统开发设计，通讯邮箱：liuqiang685685@163.com。