0 引言

    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雜區(qū)域,。化工廠的火災(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,。

1 TDOA定位技術(shù)

    TDOA定位簡單來理解就是到達時間差,，即移動待測目標(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,，避免移動待測目標因時鐘不穩(wěn)定而導致的誤差,。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,。而到達時間(Time Of Arrival，TOA)定位技術(shù)則要求基站與移動目標保持嚴格的時間同步,，這一要求在大多數(shù)情況下難以達到,。

1.1 TDOA定位原理

    TDOA定位技術(shù)是安防定位系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。TDOA定位原理來源于雙曲線特性,，即雙曲線上的任意一點到兩焦點的距離差相等,，圖1所示為兩段相交雙曲線,，其中L₁、L₂,、L₃分別是移動待測目標到基站1(BS1),、基站2(BS2)、基站3(BS3)的距離,。

1.2 TDOA定位算法

    假設(shè)移動待測目標的坐標為（x,，y，z）,，已知第n個基站的坐標為（x_n,，y_n，z_n）,，在此以第一個基站作為時鐘參考基站,， 即可推導出三維立體空間數(shù)學方程組：

    求解三維立體空間數(shù)學方程組：

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

2 安防定位系統(tǒng)設(shè)計

    在安防定位系統(tǒng)的設(shè)計過程中,，根據(jù)TDOA定位技術(shù)[6]特性,，本文通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、防控功能設(shè)計以及運行流程設(shè)計三部分,，系統(tǒng),、清晰地呈現(xiàn)了系統(tǒng)的主體。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

    安防定位系統(tǒng)與已有的安防系統(tǒng)不會相互沖突,，有輔助作用與增強原有的安防效果,。以此為目標，設(shè)計了如圖2所示的定位安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,，整個定位系統(tǒng)包括三部分：脈沖信號接收與處理,、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)以及終端控制顯示系統(tǒng)（如果有功能整合的需要，終端控制顯示系統(tǒng)和控制室終端預(yù)警與控制系統(tǒng)可以合二為一）,。

    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簽負責發(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的坐標。

2.2 防控功能設(shè)計

    TDOA定位技術(shù)是安防定位系統(tǒng)中基礎(chǔ)且重要的部分,，但對于工廠中存在的各類安全隱患就需要運用TDOA定位技術(shù)以及機器視覺等技術(shù)有針對性地進行功能設(shè)計,，圖3所示為精確定位與不安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，涉及機器視覺檢測人員準入,、實時虛擬警戒線,、電子警戒墻以及報警裝置。

    工廠員工以及外來人員的定位需要配置電子工作牌標簽,，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,。整個車間相當于一個三維坐標系，人與機器為坐標點,，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)、機器學習,、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簽與基站之間的距離,，使用TDOA定位原理計算移動目標坐標,。安防定位系統(tǒng)按照劃分好的空間進行識別監(jiān)控，對達到危險區(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,。

3 系統(tǒng)結(jié)果分析

    人員安防定位系統(tǒng)是以TDOA定位技術(shù)為基礎(chǔ)，進行算法編寫,、軟件制作,、系統(tǒng)功能設(shè)計。在設(shè)備安裝完備的前提下,，電子標簽與微基站的距離測量值誤差控制在0.1 m內(nèi),；通過TDOA定位算法得到的人員坐標，橫縱坐標誤差控制在0.2 m內(nèi),；虛擬警戒線,、電子警戒墻等空間劃分正確，與人員,、機械的位置信息交互精確,；攝像聯(lián)動方面，坐標信息能控制相機云臺旋轉(zhuǎn)拍攝,；視頻信息能在系統(tǒng)機器視覺算法的處理下，及時反饋預(yù)警信息,；利用顯示記錄功能,，管理者能隨時查詢?nèi)藛T位置與軌跡信息，調(diào)出實時攝像畫面,，統(tǒng)計考勤,。利用現(xiàn)有實驗條件進行3組實驗，實驗結(jié)果及誤差分析如表1所示,。

4 結(jié)論

    本文所提出的基于TDOA定位技術(shù)的工廠安防定位系統(tǒng)是現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)的一個低成本,、低能耗、高效率,、高可靠性的輔助系統(tǒng),，主要特點包括：

    (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。

    (2)解決了現(xiàn)代化大型工廠人員基數(shù)大,、種類復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,，并調(diào)用坐標區(qū)域內(nèi)的攝像頭查看該坐標區(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),、機器學習、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

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作者信息：

胡自飛,，文國軍,，梁荊璞，夏  雨

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