關(guān)于基于TDOA技術(shù)的工廠人員安防定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(fù)雜區(qū)域?；S的火災(zāi)爆炸、機(jī)械廠的機(jī)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(dǎo)致的，因此安全生產(chǎn)是工廠賴以生存的根本。與此同時(shí)，工廠人員多樣性使得管理者需要花費(fèi)更多的精力與時(shí)間，但最后的效果卻很不理想。

由于目前的到達(dá)時(shí)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(qiáng)、信號保真且速率快等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)方案，結(jié)合對現(xiàn)代工廠的安全隱患進(jìn)行多方面的分析與總結(jié)，設(shè)計(jì)出針對前述不安全問題的人員安防定位安防系統(tǒng)。整個(gè)安防定位系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［3］、防控功能設(shè)計(jì)［4］、運(yùn)行流程設(shè)計(jì)而成，不僅對傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控起到了輔助補(bǔ)充作用，還提高了管理者對整個(gè)工廠人員與機(jī)械管理效率。

1 TDOA定位技術(shù)

TDOA定位簡單來理解就是到達(dá)時(shí)間差，即移動(dòng)待測目標(biāo)（Mobile station）發(fā)出UWB（Ultra Wideband）超寬帶脈沖信號到兩個(gè)基站（Base Station）接收信號的時(shí)間差。系統(tǒng)只需要同步基站之間的時(shí)鐘即可，避免移動(dòng)待測目標(biāo)因時(shí)鐘不穩(wěn)定而導(dǎo)致的誤差。TDOA定位技術(shù)只需要得到時(shí)間差而非絕對的時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間誤差小，定位精度高。而到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrival，TOA）定位技術(shù)則要求基站與移動(dòng)目標(biāo)保持嚴(yán)格的時(shí)間同步，這一要求在大多數(shù)情況下難以達(dá)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(diǎn)到兩焦點(diǎn)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(dòng)待測目標(biāo)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(dòng)待測目標(biāo)的坐標(biāo)為（x，y，z），已知第n個(gè)基站的坐標(biāo)為（xn，yn，zn），在此以第一個(gè)基站作為時(shí)鐘參考基站， 即可推導(dǎo)出三維立體空間數(shù)學(xué)方程組：

求解三維立體空間數(shù)學(xué)方程組：

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

2 安防定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在安防定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)、防控功能設(shè)計(jì)以及運(yùn)行流程設(shè)計(jì)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(jì)

安防定位系統(tǒng)與已有的安防系統(tǒng)不會(huì)相互沖突，有輔助作用與增強(qiáng)原有的安防效果。以此為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的定位安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)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(gè)微基站就能完成，一維定位需要兩個(gè)微基站，二維、三維則需要3個(gè)及以上微基站定位。脈沖信號接收與處理過程是電子標(biāo)簽負(fù)責(zé)發(fā)出特定編碼信號，微基站接收信號并解碼計(jì)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(gè)電子標(biāo)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(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)。

2.2 防控功能設(shè)計(jì)

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(yùn)用TDOA定位技術(shù)以及機(jī)器視覺等技術(shù)有針對性地進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，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(jī)器視覺檢測人員準(zhǔn)入、實(shí)時(shí)虛擬警戒線、電子警戒墻以及報(bào)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(biāo)簽，系統(tǒng)通過電子工作牌發(fā)出的實(shí)時(shí)脈沖信號計(jì)算出對應(yīng)人員或機(jī)械的坐標(biāo)來實(shí)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?cái)z像頭，利用定位系統(tǒng)來控制云臺旋轉(zhuǎn)攝像。整個(gè)車間相當(dāng)于一個(gè)三維坐標(biāo)系，人與機(jī)器為坐標(biāo)點(diǎn)，將車間中的危險(xiǎn)區(qū)域與特種作業(yè)區(qū)域進(jìn)行有等級權(quán)限的虛擬空間劃分，如高壓危險(xiǎn)區(qū)域、庫房重地等，一旦人員進(jìn)入已設(shè)定網(wǎng)格內(nèi)就會(huì)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(jìn)入時(shí)立刻產(chǎn)生警報(bào)，同時(shí)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(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)、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(yùn)行流程設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽（超寬帶脈沖運(yùn)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(shí)間，通過時(shí)間差求出電子標(biāo)簽與基站之間的距離，使用TDOA定位原理計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)坐標(biāo)。安防定位系統(tǒng)按照劃分好的空間進(jìn)行識別監(jiān)控，對達(dá)到危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的非專業(yè)工作人員不安全狀態(tài)進(jìn)行分析處理，最后通過終端控制系統(tǒng)發(fā)出警告并將實(shí)時(shí)狀態(tài)信息分類保存。整個(gè)系統(tǒng)都是自動(dòng)進(jìn)行的，管理者可隨時(shí)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(jìn)行算法編寫、軟件制作、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。在設(shè)備安裝完備的前提下，電子標(biāo)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(biāo)，橫縱坐標(biāo)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(jī)械的位置信息交互精確；攝像聯(lián)動(dòng)方面，坐標(biāo)信息能控制相機(jī)云臺旋轉(zhuǎn)拍攝；視頻信息能在系統(tǒng)機(jī)器視覺算法的處理下，及時(shí)反饋預(yù)警信息；利用顯示記錄功能，管理者能隨時(shí)查詢?nèi)藛T位置與軌跡信息，調(diào)出實(shí)時(shí)攝像畫面，統(tǒng)計(jì)考勤。利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(gè)低成本、低能耗、高效率、高可靠性的輔助系統(tǒng)，主要特點(diǎn)包括：

（1）采用了目前最新型實(shí)用的TDOA定位技術(shù)，能跳出時(shí)鐘誤差問題達(dá)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(biāo)。

（2）解決了現(xiàn)代化大型工廠人員基數(shù)大、種類復(fù)雜難以有秩序地管理問題。在本設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(shí)隨地輸入人名或編號查看工人的坐標(biāo)，并調(diào)用坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)的攝像頭查看該坐標(biāo)區(qū)域能的情況，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)z像聯(lián)動(dòng)。

（4）運(yùn)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、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(bǔ)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(jì)基礎(chǔ)。