宋龙坤、郭丽莹、李琳、袁威、张文华
（山东协和学院，山东 济南 250107)
摘要：针对化工厂复杂的作业环境，开发了一套基于UWB高精度定位技术的人员安全监控系统。本系统通过对TDOA算法的不断优化，打造出一整套集人员精准定位、轨迹跟踪、多信息融合的安全监测系统平台，还具有人员管理、报警管理、轨迹管理三大管理模块。化工厂管理者能够实时监控现场人员的生命体征并接收人员的紧急呼救信号，有效减少人员伤亡。本系统可应用在制造业、煤矿、隧道、司法等应用领域。
关键词：UWB技术；物联网；人员安全管理；化工厂
1 研究背景
1.1 UWB技术
UWB技术是一种无载波通信技术，定位精度可达3-30cm，抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大，功耗非常小。定位算法主要是基于到达时间差定位的TDoA定位[1]，基站接受标签发出的UWB信号后，加盖基站的定位报文的时间戳，再将内容发送到定位服务器，服务器更加其他时间戳，计算出被定为目标的位置。
1.2 人员安全管理
随着互联网及物联网技术的迅速发展，化工厂也将走向智慧化之路。如何将传统的生产数据、生产效率与人员安全紧密结合到一起，并给化工厂的生产带来收益，成了化工行业日益关注并急需解决的问题[2]。
智慧化工厂尤为注重的就是人员的智慧化管理，在提高了生产效率的同时也看重作业人员的人身安全。因而，首先要解决的问题人员就是在人员在化工厂中的实时位置数据。在这种迫切需求下，基于UWB技术的高精度人员安全管理系统应运而生，在化工厂的转型之路上提供精准的位置服务。
2 人员安全管理在研究中遇到的问题
人员安全是所有化工生产工作的基础，在化工厂中，人员安全问题最为重要。这是因为化工厂作业环境是一个大型的、复杂的空间，而且，化工厂还存在高温高压力设备多、高电压超高电压设备多、金属管道密布等特点。因而，化工厂生产现场的人员人身安全问题尤其突出，常见人身事故包括：
（1）人员和物料合理调度性差，造成资源浪费、生产效率低。
（2）产品智能跟踪不善，高度精细化库内管理实现难。
（3）高危区域损害员工身体健康，安全隐患高。
多年以来，化工厂人员安全事故仍在发生，当前化工厂管理者通常关心的问题，如作业人员的实时位置、人员的安全状态、不同区域人员之间的调配等问题，都没办法进行在线实时管理。
针对以上问题，本文研究了一种基于UWB高精度定位技术的人员安全实时管理系统。
3 基于UWB技术的人员安全管理的研究
3.1系统构成
基于UWB高精度定位技术的人员安全实时管理系统构成如图1所示。
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图1 人员安全管理系统的系统架构
人员安全管理系统由特殊手环、定位基站、定位引擎、监控终端等构成。
定位标签：佩戴特殊手环的人员由内置的标签发射UWB信号与基站相互通信，使标签自身被定位[3]。
定位基站：基站检测到附近的超宽带信号，3个或以上定位基站检测到该标签的距离，根据预先设计好的定位基站坐标可以计算出该标签在平面内的精确坐标，并将结果发送到服务器。
定位引擎：基站实时将获取数据发送给服务器。定位引擎通过多种定位算法和大数据分析技术，实时确定超宽带标签的所在位置。
监控终端：监控终端实现人机交互查询和操作，实时接收各种报警信息，可以通过接收到的报警信息跳转到报警人员所在区域，及时快速制定解决方案，最大程度减少人员伤亡。
3.2定位流程
每个现场人员佩戴的特殊手环是一个基于超宽带信号的定位标签，每一个标签都有唯一的ID号，该标签定时发送含有识别信息的超宽带脉冲信号，使定位基站确定实际所需定位的位置。
定位基站在时间同步的前提下，收到标签发射的信号后加盖时间戳，然后将信号通过WIFI等传输方式传输给定位服务器。
定位服务器在收到超宽带信号后按照到达时间差算法，来确定标签的位置，并将数据传输至定位服务器。
系统平台收到定位信息后在后台屏幕上显示人员的准确位置及其移动轨迹，以达到快速精准定位的管理要求。
3.2系统三大管理模块
（1）人员管理
人员管理，主要包括员工基本信息、考勤功能和人数统计。人员安全管理系统在化工厂的任意区域内可以进行人数的实时点名，并且将工作车间的工作人数用图表显示出来。实时监控人员的状态，快速定位出缺勤人员，并且实时跟踪锁定，系统还具备平面区域考勤和立体空间区域考勤功能，分部门订制考勤任务，统计人员的出勤、准时、迟到、早退次数，以达到生产效率的最优化。
（2）报警管理
报警管理，主要包括越界报警、静止报警等。按需设置警戒区域和岗位区域，在检测到区域人数异常时及时触发越界报警，独立的离岗报警，支持关联多个岗位区域，实现人员离岗的智能监测和实时告警，方便化工厂管理者跨区域监管。
（3）轨迹管理
轨迹管理，主要包括人员追踪、实时定位、查询巡检轨迹等功能。本系统可以实现任意UWB标签的实时追踪，实时监视标签的电量，低电量时及时提示佩戴人员。并拥有在线、休眠、离线三种活动状态，回放轨迹同时动态呈现人员分布情况。
4 结束语
该系统的研究，可以实现对人员安全的实时精准管理，从而大幅度减少人员伤亡的发生，同时也是人员安全管理实时化、智能化的重大突破，必将推动工厂人员安全管理方式进行重大变革。
【参考文献】
[1]欧阳文,蒋理兴,罗豪龙,郑凯,李雪强.一种UWB协作式定位方法[J].导航定位学报,2020,8(04)：20-25+38.
[2]石祥文,眭华军,丰国林,祝锐,马骋.基于可穿戴设备的电厂人员安全管理的研究与应用[J].仪器仪表用户,2020,27(02)：70-74.
[3]王浩,李波.基于UWB的室内高精度动态定位算法实现[J].信息通信,2020(03)：35-39.
作者简介：宋龙坤(1996-），男，河南鹿邑人，计算机科学与技术专业，本科学生