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摘 要：针对电力环境复杂的特点，合理安排系统结构，设计一种基于UWB的电力人员定位系统。根据运行、施工人员身上佩戴的电子标签发送的信号，利用TDOA的定位算法计算人员精确位置信息。经实验证明，本系统具有稳定和定位精确的特点，满足电力人员定位的要求。
关键词：人员定位系统;UWB;电子标签;TDOA
1 UWB技术介绍
UWB（Ultra-Wide-Band）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、家庭网络、位置测定、雷达检测等领域。系统容量大发送功率非常小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。
UWB定位技术具有超高的时间和空间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。常用定位方法有：基于接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）、基于接收信号到达角度（Angle Of Arrival，AOA）、基于接收信號时间法（Time difference of arrival，TDOA）、AOA和TDOA混合定位法。
2 系统工作原理
2.1 UWB-TDOA定位原理
采用TDOA定位原理，利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差，利用如下方程解算标签的坐标[1]。
2.2UWB-TDOA关键技术
UWB-TDOA定位的关键技术-基站之间时间同步;时间同步：相位同步和频率同步。
无线同步技术深入分析无线收发链路物理层误差因素，采用特殊的定位构架，实现了采用无线方式的高精度基站时间同步，使无线同步达到有线同步模式下的定位精度（0.3m）[2]。
3 系统构成
人员定位系统采用UWB定位技术实现高精度定位，是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒极窄脉冲来传输数据。精确定位系统主要由应用层、解算层、传输层和设备层（定位基站和定位标签）构成，如图1所示。
3.1 设备层
设备层主要包括定位基站和定位标签，为定位系统的核心设备，获取原始的位置信息。
定位基站周期性广播自身的ID信息，定位标签接收超宽带信号后，完成时间戳信息的获取，通过通信基站的ZigBee信道，回传时间戳信息以及相关状态信息。
通信基站以及定位基站将自身的数据通过主干网络传输到解算层，在定位解算引擎部分完成定位数据的解析。同时，通信基站也可以接收到应用层下发的指令，完成相关的操作，如对设备的呼叫、撤离。
3.2 传输层
传输层也称主干通信网（简称“主干网”），是基站与服务层、应用层之间数据传输通道。
从上往下将应用层相关指令传输到通信基站;从下将定位原始数据传输给服务层。
3.3服务层
包括定位引擎软件、系统管理软件、对外接口软件组成。
定位引擎软件根据不同的定位方式，实现定位原始数据的解算，从而得到有用的位置信息。同时，服务层可以负责管理与维护整个定位网络，保证定位的实时、可用。
3.4 应用层
应用层获得实时的位置信息后，结合视频等信息，可以实现各种复杂的应用，如实时轨迹显示;考勤统计;电子巡检;电子围栏;视频联动等。通过web socket接口可获取标签卡的实时位置数据，通过http接口可获取系统相关的数据，以便其他系统获取位置等信息进行二次开发和集成。
4 人员定位系统功能
4.1 实时显示
软件可通过平面、立体和列表三种视图方式实时显示现场作业人员（标签）的实时位置，方便管理者随时了解现场作业人员实时状态，可以分区域统计人数。
4.2 轨迹回放
软件会自动保存现场作业人员的运动轨迹，管理者可以通过姓名或者卡号查看现场作业人员在某个时间段内的运动轨迹，可支持2D与3D效果回放，可方便查看人员行动轨迹，分析异常情况。
4.3 电子围栏
系统提供电子围栏的功能，将危险区域、危险源以及特殊区域进行电子隔离，并设置每位员工进出或靠近的权限。
区域被划定后，只有具有权限的人员才可以进出或靠近，系统若发现有未授权的员工进出或靠近，立即报警。企业管理者通过系统软件在厂区的地图上设置具体的区域进行电子隔离，并设置可以进入该区域的人员ID和报警距离（即距离该区域多少米便开始报警）。除了二维电子围栏外，对于一些立体区域也可以采用立体式的电子围栏方案，对相关区域进行限定。
4.4 呼叫、撤离、求救
当厂区某处发生危险（火灾、爆炸等）时，可以在第一时间利用精确定位系统发出警报，通知危险区域内的人员进行撤离。
若发生火灾造成人员受伤的紧急情况，现场人员可按下定位标签卡的求救按钮通过管理监控系统向企业管理人员进行求救呼叫。管理监控系统收到求救信息，将自动收集危险和求救处周围可调度的人力和物力，并显示在软件屏幕上，供管理人员进行调度指挥，将进行声光报警并通过短信等方式第一时间通知管理人员，避免进一步人员伤亡，确保人员和物资的安全。
4.5 门禁、视频联动
系统支持接入已有门禁、视频监控系统，系统根据各种报警情况实现门禁、视频联动，即当紧急情况发生时，监控摄像头及时联动在软件管理端实时弹出现场视频画面显示并进行拍照记录现场情况以便以后查阅。门禁、视频联动功能极大方便了企业的管理效率以及应对紧急情况的能力。
4.6 行为监测
对人员消失、聚众、超时和消失等异常行为进行实时监控，如有发现立即告警，提高对人员自身安全的管理措施。
5 结语
本文就基于UWB技术的人员定位系统做了相应的阐述，讨论了UWB技术在燃气电厂人员定位系统中的运用，描述了系统的相关算法、工作流程以及功能。随着UWB技术的不断发展，人员定位系统在燃气电厂中的运用将越来越普遍成熟。
参考文献：
[1] 毛永毅，谢川.基于遗传算法优化神经网络的定位算法.西安邮电大学学报，2014年，第4期.
[2] 李孝辉，刘娅，张丽荣.超宽带室内定位系统.测控技术，2007年，第7期.
作者简介：
曹琪 （1975-）男，山东鱼台，武汉水利电力大学，工程师，主要从事电厂热控生产技术管理工作.
关键词：人员定位系统;UWB;电子标签;TDOA
1 UWB技术介绍
UWB（Ultra-Wide-Band）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、家庭网络、位置测定、雷达检测等领域。系统容量大发送功率非常小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。
UWB定位技术具有超高的时间和空间分辨率，保证了UWB可以准确的获得待定位目标的时间和角度信息，时间信息可以转化为距离信息，结合角度信息利用三角定位等几何定位方法求得待定位目标的位置信息。常用定位方法有：基于接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）、基于接收信号到达角度（Angle Of Arrival，AOA）、基于接收信號时间法（Time difference of arrival，TDOA）、AOA和TDOA混合定位法。
2 系统工作原理
2.1 UWB-TDOA定位原理
采用TDOA定位原理，利用UWB技术测得定位标签相对于两个不同定位基站之间无线电信号传播的时间差，从而得出定位标签相对于四组定位基站的距离差，利用如下方程解算标签的坐标[1]。
2.2UWB-TDOA关键技术
UWB-TDOA定位的关键技术-基站之间时间同步;时间同步：相位同步和频率同步。
无线同步技术深入分析无线收发链路物理层误差因素，采用特殊的定位构架，实现了采用无线方式的高精度基站时间同步，使无线同步达到有线同步模式下的定位精度（0.3m）[2]。
3 系统构成
人员定位系统采用UWB定位技术实现高精度定位，是通过发送和接收具有纳秒或亚纳秒极窄脉冲来传输数据。精确定位系统主要由应用层、解算层、传输层和设备层（定位基站和定位标签）构成，如图1所示。
3.1 设备层
设备层主要包括定位基站和定位标签，为定位系统的核心设备，获取原始的位置信息。
定位基站周期性广播自身的ID信息，定位标签接收超宽带信号后，完成时间戳信息的获取，通过通信基站的ZigBee信道，回传时间戳信息以及相关状态信息。
通信基站以及定位基站将自身的数据通过主干网络传输到解算层，在定位解算引擎部分完成定位数据的解析。同时，通信基站也可以接收到应用层下发的指令，完成相关的操作，如对设备的呼叫、撤离。
3.2 传输层
传输层也称主干通信网（简称“主干网”），是基站与服务层、应用层之间数据传输通道。
从上往下将应用层相关指令传输到通信基站;从下将定位原始数据传输给服务层。
3.3服务层
包括定位引擎软件、系统管理软件、对外接口软件组成。
定位引擎软件根据不同的定位方式，实现定位原始数据的解算，从而得到有用的位置信息。同时，服务层可以负责管理与维护整个定位网络，保证定位的实时、可用。
3.4 应用层
应用层获得实时的位置信息后，结合视频等信息，可以实现各种复杂的应用，如实时轨迹显示;考勤统计;电子巡检;电子围栏;视频联动等。通过web socket接口可获取标签卡的实时位置数据，通过http接口可获取系统相关的数据，以便其他系统获取位置等信息进行二次开发和集成。
4 人员定位系统功能
4.1 实时显示
软件可通过平面、立体和列表三种视图方式实时显示现场作业人员（标签）的实时位置，方便管理者随时了解现场作业人员实时状态，可以分区域统计人数。
4.2 轨迹回放
软件会自动保存现场作业人员的运动轨迹，管理者可以通过姓名或者卡号查看现场作业人员在某个时间段内的运动轨迹，可支持2D与3D效果回放，可方便查看人员行动轨迹，分析异常情况。
4.3 电子围栏
系统提供电子围栏的功能，将危险区域、危险源以及特殊区域进行电子隔离，并设置每位员工进出或靠近的权限。
区域被划定后，只有具有权限的人员才可以进出或靠近，系统若发现有未授权的员工进出或靠近，立即报警。企业管理者通过系统软件在厂区的地图上设置具体的区域进行电子隔离，并设置可以进入该区域的人员ID和报警距离（即距离该区域多少米便开始报警）。除了二维电子围栏外，对于一些立体区域也可以采用立体式的电子围栏方案，对相关区域进行限定。
4.4 呼叫、撤离、求救
当厂区某处发生危险（火灾、爆炸等）时，可以在第一时间利用精确定位系统发出警报，通知危险区域内的人员进行撤离。
若发生火灾造成人员受伤的紧急情况，现场人员可按下定位标签卡的求救按钮通过管理监控系统向企业管理人员进行求救呼叫。管理监控系统收到求救信息，将自动收集危险和求救处周围可调度的人力和物力，并显示在软件屏幕上，供管理人员进行调度指挥，将进行声光报警并通过短信等方式第一时间通知管理人员，避免进一步人员伤亡，确保人员和物资的安全。
4.5 门禁、视频联动
系统支持接入已有门禁、视频监控系统，系统根据各种报警情况实现门禁、视频联动，即当紧急情况发生时，监控摄像头及时联动在软件管理端实时弹出现场视频画面显示并进行拍照记录现场情况以便以后查阅。门禁、视频联动功能极大方便了企业的管理效率以及应对紧急情况的能力。
4.6 行为监测
对人员消失、聚众、超时和消失等异常行为进行实时监控，如有发现立即告警，提高对人员自身安全的管理措施。
5 结语
本文就基于UWB技术的人员定位系统做了相应的阐述，讨论了UWB技术在燃气电厂人员定位系统中的运用，描述了系统的相关算法、工作流程以及功能。随着UWB技术的不断发展，人员定位系统在燃气电厂中的运用将越来越普遍成熟。
参考文献：
[1] 毛永毅，谢川.基于遗传算法优化神经网络的定位算法.西安邮电大学学报，2014年，第4期.
[2] 李孝辉，刘娅，张丽荣.超宽带室内定位系统.测控技术，2007年，第7期.
作者简介：
曹琪 （1975-）男，山东鱼台，武汉水利电力大学，工程师，主要从事电厂热控生产技术管理工作.