王东阳
91404部队 河北秦皇岛 066000
摘 要：军用舰艇由于平台武器装备的装舰密度大、人员配置数量多、舱室分布错综复杂战位分散等因素带来了执行任务或日常管理过程中，对人员管控不足的矛盾。水面舰艇人员实时定位管理系统旨在通过技术手段降低海上作业或生活中潜在的各类安全风险，基于现有定位技术、通信技术和数据管理技术的发展，提出一种水面舰艇人员实时定位管理系统设计方案。方案技术成熟度高，开发风险低，适用性好。
关键词：有源RFID；Zigbee自组网；超宽带UWB
0 引言
水面舰艇具有隔舱分布数量多、人员流动性大、金属材料不易进行无线通信等特点，舰面作业存在落水的风险，给遂行各项任务带来了极大安全隐患。需要在日常管理和作业过程中有效地掌握人员实施分布情况，在出现危险时第一时间告警并采取措施，最大程度确保人员的安全。因此提出设计船舶人员定位系统设计。现有室内定位技术、自组网技术、数据可视化技术和三维虚拟现实技术等相对成熟。对于大型水面舰艇的作战使用特点，只需进一步创新集成，即可在短期内迅速解决人员实时定位管理需要，实现船舶人员跟踪定位，汇总各部位信息，使管理决策人员掌握舰员的位置、工作状态等，便于人员调度和分配，提高工作效率。
1 应用需求分析
归纳舰艇常见的人员实时定位使用需求包括：
人员定位：实时按照标签定位舰员所处位置。
人员轨迹跟踪：对进入任务现场的每位舰员的实时轨迹进行跟踪监控，并绘制行动路线图，也可以调阅其历史时段轨迹路线图。
人员活动分析：对进入任务现场的每个人员的行动路线图、区域停留时长、活动时间段进行分析。
人员实时考勤：根据人员在工作考勤地点的进入和离开记录，进行实时考勤。
监控区域维护：维护管理各任务区域基本信息、危险程度、允许最大停留人数等。将高等级的告警直接上报指挥员，减少中间环节。
电子地图管理：系统支持自定义现场地图，并在电子地图上标注各个监控点，支持电子地图无极缩放，支持跨区域切换。
人员进入预警：设置危险程度警告级别，对进入危险区域人员发送警告，并通知相关责任人进行监控处理。
人员聚集预警：当区域内人员聚集达到预警人数，发送人员密集警告，通知相关负责人尽快处理。
区域活动分析：对进区域内人员、人数、在此区域停留时长、活动时间段进行分析。
人员到位提醒：与数据库信息管控平台结合，当执行任务人员到达工作地点时，自动提醒反馈人员到达现场信息。
人员分布查阅：对当前时刻或者历史任意时刻各个区域的人员分布情况进行查询统计。
点检活动分析：分析点检人员行动路线图、区域停留时长、活动时间段等信息。
2 关键技术筛选
2.1 基本定位原理
目前室内定位常用的定位方法，从原理上主要分为七种：邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。不同的探测方法在技术实现难度、成本、精度等方面各有优劣，适用于不同场合。
而常用的定位算法分为几何定位、靠近感知、场景分析和航位推算等。最常用的几何定位基本原理就是测绘中的角度或距离交会，根据测距或测角的方法，如TOA/RSSI测距/TDOA/AOA等，基本原理如图1所示。
不同的定位方法选择不同的观测量，将不同的观测量代入定位算法，进而获得定位信息。
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图1 基本定位算法原理
2.2 常见定位技术
根据定位原理和观测量，衍生出了多种室内定位技术。常见的高灵敏度GNSS定位技术、伪卫星基站定位、蜂窝定位技术、RFID定位技术、WiFi定位技术、蓝牙定位技术、ZigBee 定位技术、UWB定位技术、计算机视觉定位技术、红外线定位技术、LED可见光定位技术、地磁定位技术、超声波定位技术、惯性定位技术。如图2所示，综合比较各种定位技术的精度与规模化难以程度，为合理的技术选型进行参考。
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图2 定位技术综合比较
2.3 通信技术
实现定位，需要大量的数据进行处理和传递。常用的通信技术主要有IrDA技术、WIFi技术、Bluetooth技术、UWB技术、RFID（射频识别技术）、Zigbee技术等几种无线通信技术。其中，IrDA技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，体积小、功耗低、传输速率高、成本低廉，但只能在2台设备之间连接，传输距离小并且存在有视距角度等问题。WiFi技术传输速度较高、有效距离长、稳定性和可靠性好，但技术安全问题大、功耗大、成本高，组网能力差。Bluetooth技术传输速度较高、功耗较低。但传输距离、网络的可扩展性等方面都略逊于ZigBee技术。UWB技术对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、系统复杂度低、定位精度高，但传输有效距离较短，设备成本高。RFID技术环境适应能力强，有源RFID技术可以提供更远的读写距离，但需要电池供电，维护成本高。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗的双向无线通信技术，可以实现一点对多点的快速组网，网络容量大。尽管ZigBee技术定位和通信过程也受船体金属舱壁影响，但如果配合有线网络布局，在甲板、机库、轮机舱等大空间采用ZigBee自组网技术进行补充，则比较适合舰艇使用。
3 集成方案设计
3.1 技术方案
对比各项技术的优缺点，综合考虑使用需求与建设成本，系统采用UWB定位技术、有源多频RFID定位技术、Zigbee和有线网络通信方式的组合定位方案。在甲板或舷侧外进行海上接收补给和收放小艇等高风险漏露天作业区域，采用UWB技术高精度定位。在舰面环境空旷区域，采用Zigbee无线自组网进行定位和无线通信。在舱室内部和走廊中小空间，则采用多频RFID技术进行定位。在舰船主要部位设置无线数据接收转换节点，通过有线网络实现向主控计算机的数据传递，有效的化解金属隔舱对数据传递带来的影响。但这也涉及到多种技术体制的转换或集成，无线自组网和有线网络传输的结合工作，需要进行独立设计。
系统由信标定位、网络传输和数据管理系统组成。其中，RFID信标定位系统由RFID电子标签、RFID远距离读写器、RFID信标和定位服务器组成。UWB局部区域定位系统由UWB电子标签（与RFID集成）、接收天线（基站）和数据转接控制器等组成。Zigbee通信自组网由中心协调器和若干个路由器组成。路由器与RFID远距离读写器或UWB数据转接控制器连接，将读取电子标签的定位信息数据通过中心协调器转发至目标节点，目标节点经转换，连接到以太网进入有线网络传输，最终所有信息数据汇集到服务器计算机进行数据处理，实现人员的实时定位。
3.2 软件功能
定位系统软件可根据需要作为模块部署于挥员台位，并将客户端查询、管理和操作按照需要延伸至值班室、舰长室、机电长室和各部门长室等各处。根据任务需要，要求管理软件设计具备以下主要功能：
人员定位：实时定位并在可视化交互界面进行人员位置信息显示。
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图4 定位信息可视化显示
人员轨迹跟踪：对进入任务现场的每个人员的运动轨迹进行跟踪监控，并绘制行动路线图，也可以调阅其历史时段轨迹路线图。
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图5 轨迹跟踪示意图
人员活动分析：对进入任务现场的每个人员的行动路线图、区域停留时长、活动时间段进行分析。
人员实时考勤：根据人员在工作考勤地点的进入和离开记录，进行实时考勤或人员到位提醒等。
监控区域维护：设置并管理各个区域基本信息、危险程度、允许最大停留人数等。
电子地图管理：系统支持自定义现场地图，并在电子地图上标注各个监控点，支持电子地图无极缩放，支持跨区域切换。
进入和集聚预警：设置危险程度警告级别，对进入危险区域人员发送警告。当区域内人员聚集达到预警人数，发送人员密集告警。
人员脱离告警：当执行任务人员突然脱离实时定位区域，以最高等级发送告警信息。
历史信息查询：对当前时刻或者历史任意时刻各个区域的人员分布情况进行查询统计。
4 结论
单一技术体制的设计方案适用于某一种场景，而每一种技术体制均存在其固有的技术弱点。综合集成应用，取长补短，以作战使用和日常管理需求为牵引，不断提升军事经济效益。本文提出的综合集成方案基于现有技术能力，综合运用不同技术体制的成熟产品，根据使用需求，进行二次集成开发设计，在技术风险可控，方案实际可行。
参考文献
[1] 胡兴柳. 船舶人员无线定位装置设计背景与研究现状报告. 百度文库，2018.
[2] 王喆.基于WiFi的井下人员定位系统研究与设计[D].长沙：中南大学，2012.
[3] 任 伟，郑 华，张晓再，林志勇. 大型舰艇人员定位系统设计[J]. 广东造船，2018，160(3):47 -48.
[4] 郑卫东，谭亮，石剑，姚腾钢. 物联网技术在海军舰艇工程中的运用探讨[J]. 中国舰船研究 2013，8(3):94 -99.
作者简介：王东阳 1976.5 男 硕士 高级工程师 武器装备试验