現(xiàn)代化工廠已不是簡單的生產(chǎn)與加工場地,，它是包括了辦公區(qū)域,、生產(chǎn)研發(fā)、特種作業(yè)、倉庫,、餐廳后勤,、停車場等多種場所的復(fù)雜區(qū)域?；S的火災(zāi)爆炸,、機械廠的機械傷害、建筑工地的高處墜落以及生產(chǎn)車間的粉塵爆炸等事故在世界各地頻發(fā),，大多數(shù)都是因人的不安全行為或者物的不安全狀態(tài)導(dǎo)致的,，因此安全生產(chǎn)是工廠賴以生存的根本。與此同時,，工廠人員多樣性使得管理者需要花費更多的精力與時間,，但最后的效果卻很不理想。

    由于目前的到達(dá)時差（Time Difference Of Arrival,，TDOA）[1]技術(shù)具有理論清晰,、定位方法優(yōu)化、定位精度高,，以及所用的超寬帶UWB[2]脈沖穿透能力強,、信號保真且速率快等優(yōu)點，本文提出了一種基于該定位技術(shù)的工廠人員安防定位系統(tǒng)設(shè)計方案,，結(jié)合對現(xiàn)代工廠的安全隱患進行多方面的分析與總結(jié),，設(shè)計出針對前述不安全問題的人員安防定位安防系統(tǒng)。整個安防定位系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[3],、防控功能設(shè)計[4],、運行流程設(shè)計而成，不僅對傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控起到了輔助補充作用,，還提高了管理者對整個工廠人員與機械管理效率,。

    TDOA定位簡單來理解就是到達(dá)時間差，即移動待測目標(biāo)(Mobile station)發(fā)出UWB(Ultra Wideband)超寬帶脈沖信號到兩個基站(Base Station)接收信號的時間差,。系統(tǒng)只需要同步基站之間的時鐘即可,，避免移動待測目標(biāo)因時鐘不穩(wěn)定而導(dǎo)致的誤差。TDOA定位技術(shù)只需要得到時間差而非絕對的時間點,，時間誤差小,，定位精度高。而到達(dá)時間(Time Of Arrival,，TOA)定位技術(shù)則要求基站與移動目標(biāo)保持嚴(yán)格的時間同步,，這一要求在大多數(shù)情況下難以達(dá)到。

    求解三維立體空間數(shù)學(xué)方程組：

    高斯-馬爾科夫定理表明,，當(dāng)各誤差向量分量的方差相同時，誤差方差最小定位精度達(dá)到最優(yōu),。

    脈沖信號接收與處理的設(shè)備搭建方式有3種：存在性定位、一維定位,、二維及三維定位,。從圖2可知，存在性定位通過一個微基站就能完成,，一維定位需要兩個微基站,，二維、三維則需要3個及以上微基站定位,。脈沖信號接收與處理過程是電子標(biāo)簽負(fù)責(zé)發(fā)出特定編碼信號,，微基站接收信號并解碼計算出兩者之間的距離,。無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)主要是利用工廠現(xiàn)有的電力線系統(tǒng)安裝通信調(diào)制解調(diào)器接通寬帶進行無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，微基站通過無線網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息傳輸交換,，這種利用現(xiàn)有電力線形成的無線局域網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定,、傳輸速度快且避免了傳統(tǒng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)布線，提高效率節(jié)約成本,。終端控制顯示系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)得到微基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息,，即每個電子標(biāo)簽與微基站的距離，然后系統(tǒng)通過編寫好的MATLAB算法得出待測移動目標(biāo)的坐標(biāo),。

    工廠員工以及外來人員的定位需要配置電子工作牌標(biāo)簽,，系統(tǒng)通過電子工作牌發(fā)出的實時脈沖信號計算出對應(yīng)人員或機械的坐標(biāo)來實現(xiàn)定位。由于部分車間空間較大,，使用旋轉(zhuǎn)云臺攝像代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全方位布控攝像頭,，利用定位系統(tǒng)來控制云臺旋轉(zhuǎn)攝像。整個車間相當(dāng)于一個三維坐標(biāo)系,，人與機器為坐標(biāo)點,，將車間中的危險區(qū)域與特種作業(yè)區(qū)域進行有等級權(quán)限的虛擬空間劃分，如高壓危險區(qū)域,、庫房重地等,，一旦人員進入已設(shè)定網(wǎng)格內(nèi)就會識別判斷身份信息，在非特種作業(yè)人員或者外來沒有權(quán)限人員進入時立刻產(chǎn)生警報,，同時劃定區(qū)間內(nèi)的攝像設(shè)備拍照記錄信息,。

    除了人員定位，系統(tǒng)還配備不安全狀態(tài)監(jiān)測,，比如對員工的特種作業(yè)服飾要求,、安全帽以及絕緣手套等，經(jīng)過攝像頭拍攝在終端控制系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)中進行分析處理得出結(jié)果,，圖4為控制室終端預(yù)警與控制系統(tǒng),。在視覺算法方面，系統(tǒng)添加了更高級的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),、機器學(xué)習(xí),、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)用來處理各種不安全狀況。

2.3 運行流程設(shè)計

    電子標(biāo)簽（超寬帶脈沖運用開關(guān)三極管的短暫良性雪崩效應(yīng)）發(fā)射特定編碼的脈沖信號,，微基站接收脈沖時間,，通過時間差求出電子標(biāo)簽與基站之間的距離,，使用TDOA定位原理計算移動目標(biāo)坐標(biāo)。安防定位系統(tǒng)按照劃分好的空間進行識別監(jiān)控,，對達(dá)到危險區(qū)域內(nèi)的非專業(yè)工作人員不安全狀態(tài)進行分析處理,，最后通過終端控制系統(tǒng)發(fā)出警告并將實時狀態(tài)信息分類保存。整個系統(tǒng)都是自動進行的,，管理者可隨時查看信息記錄,，工作流程如圖5所示。

    (1)采用了目前最新型實用的TDOA定位技術(shù),，能跳出時鐘誤差問題達(dá)到提高精度的目的,。該技術(shù)利用了雙曲線特性，通過最小二乘求解矩陣得到最為精確的坐標(biāo),。

    (2)解決了現(xiàn)代化大型工廠人員基數(shù)大,、種類復(fù)雜難以有秩序地管理問題,。在本設(shè)計中，將工廠人員按照工種,、工作區(qū)域劃分空間,，系統(tǒng)能快速記錄人員的出入考勤狀況，也能記錄在工廠中的運動軌跡,。

    (3)完成了與現(xiàn)代工廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的融合輔助,。系統(tǒng)能隨時隨地輸入人名或編號查看工人的坐標(biāo)，并調(diào)用坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)的攝像頭查看該坐標(biāo)區(qū)域能的情況,，實現(xiàn)了實時監(jiān)控攝像聯(lián)動,。

    (4)運用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí),、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)來處理人員不安全狀況,，提高系統(tǒng)預(yù)警能力。

    (5)補充了現(xiàn)代視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的不足,，給大型工廠以及有重大安保需求的產(chǎn)業(yè)提供了可靠有效的設(shè)計基礎(chǔ),。

參考文獻

[1] 牟孝龍.超寬帶無線定位算法性能分析[D].青島：中國海洋大學(xué)，2012.

[2] 歐陽永艷,，樊祥寧,，徐平平，等.超寬帶無線電中納秒級脈沖產(chǎn)生研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2003,，29(7)：44-45.

[3] 馬鋼.基于ZigBee的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[4] 游戰(zhàn)清.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2004.

[5] 田垅,，劉宗田.最小二乘法分段直線擬合[J].計算機科學(xué)，2012,，39(6A)：482-484.

[6] 李孝輝,，劉婭，張麗榮.超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].測控技術(shù),，2007(7)：1-2.

作者信息：

胡自飛,，文國軍，梁荊璞,，夏  雨

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 機械與電子信息學(xué)院,，湖北 武漢430074）