關于基于TDOA技術的工廠人員安防定位系統(tǒng)設計

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?；S的火災爆炸、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的工廠人員安防定位系統(tǒng)設計方案，結合對現(xiàn)代工廠的安全隱患進行多方面的分析與總結，設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)結構設計［3］、防控功能設計［4］、運行流程設計而成，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

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定位技術是安防定位系統(tǒng)的重要基礎。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

假設移動待測目標的坐標為（x，y，z），已知第n個基站的坐標為（xn，yn，zn），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)設計

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

2.1 結構設計

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，設計了如圖2所示的定位安防系統(tǒng)結構示意圖，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)和控制室終端預警與控制系統(tǒng)可以合二為一）。

脈沖信號接收與處理的設備搭建方式有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)絡覆蓋，微基站通過無線網(wǎng)絡與系統(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)絡信號穩(wěn)定、傳輸速度快且避免了傳統(tǒng)復雜的網(wǎng)絡布線，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 防控功能設計

TDOA定位技術是安防定位系統(tǒng)中基礎且重要的部分，但對于工廠中存在的各類安全隱患就需要運用TDOA定位技術以及機器視覺等技術有針對性地進行功能設計，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)及預警系統(tǒng)中進行分析處理得出結果，圖4為控制室終端預警與控制系統(tǒng)。在視覺算法方面，系統(tǒng)添加了更高級的神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習、大數(shù)據(jù)處理等技術用來處理各種不安全狀況。

2.3 運行流程設計

電子標簽（超寬帶脈沖運用開關三極管的短暫良性雪崩效應）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)結果分析

人員安防定位系統(tǒng)是以TDOA定位技術為基礎，進行算法編寫、軟件制作、系統(tǒng)功能設計。在設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，實驗結果及誤差分析如表1所示。

4 結論

本文所提出的基于TDOA定位技術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，能跳出時鐘誤差問題達到提高精度的目的。該技術利用了雙曲線特性，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、機器學習、大數(shù)據(jù)處理等技術來處理人員不安全狀況，提高系統(tǒng)預警能力。

（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計基礎。