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基于TDOA技術的工廠人員安防定位系統(tǒng)設計

2018年電子技術應用第5期

胡自飛，文國軍，梁荊璞，夏雨

中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北武漢430074

摘要： 針對現(xiàn)代化大型工廠人員基數(shù)大、種類復雜難以管理以及生產(chǎn)事故頻發(fā)等一系列問題，提出了一種能精確定位所有人員并防控人、機械之間危險隱患的工廠安防定位系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)基于高精度TDOA定位技術，實現(xiàn)廠內人員定位、危險區(qū)域虛擬警戒、廠區(qū)空間劃分以及攝像聯(lián)動等預警控制功能，兼容現(xiàn)代工廠已有的攝像監(jiān)控系統(tǒng)，在人員管理與安全生產(chǎn)方面，使管理者能夠通過終端顯示系統(tǒng)實時了解人員出入信息、廠區(qū)工作狀況；通過終端預警控制系統(tǒng)接收危險預警信息，及時控制事故發(fā)生。將其應用在現(xiàn)代化大型工廠的安防系統(tǒng)中，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地結合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)攝像聯(lián)動，根據(jù)定位信息調控視頻監(jiān)控設備，系統(tǒng)的視覺分析算法可通過監(jiān)控畫面實時分析各種不安全狀態(tài)，有效降低工廠事故發(fā)生率，提高管理效率。

關鍵詞： TDOA定位技術機器視覺安全防護系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN911；TP315
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173096
中文引用格式： 胡自飛，文國軍，梁荊璞，等. 基于TDOA技術的工廠人員安防定位系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2018，44(5)：144-146，150.
英文引用格式： Hu Zifei，Wen Guojun，Liang Jingpu，et al. Design of factory personnel safety and protection location system based on TDOA technology[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(5)：144-146，150.

Design of factory personnel safety and protection location system based on TDOA technology

Hu Zifei，Wen Guojun，Liang Jingpu，Xia Yu

School of Mechanical Engineering and Electronic Information，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China

Abstract： Aiming at the problems such as a great amount of personnel in large modern factory, complicated management of complex company types and frequent accidents, a design scheme of factory security and protection positioning system which can accurately locate all personnel and prevent dangerous risks between people and machinery is put forward. The system is based on high-precision TDOA positioning technology to achieve the staff positioning, dangerous area of virtual alert, plant space division，camera linkage and other advance warning control functions. In personnel management and safety in production, it makes the managers get the knowledge of personnel access information and work conditions compatible with the modern camera monitoring system in the factory. By the terminal early warning control system, the managers receive dangerous warning information in time which can control the accident in advance. This system can be used in the security and protection system of the modern large-scale factory because it could stably combine the monitoring system to realize the camera linkage, and adjust the video monitoring equipment according to the positioning information. What′s more, the visual analysis algorithm of the system is able to analyze various unsafe states in the monitoring screen to efficiently reduce the rate of accident and improve the management efficiency.

Key words : TDOA positioning technology；machine vision；safety protection；system design

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?；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（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)安裝通信調制解調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；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；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，管理者能隨時查詢人員位置與軌跡信息，調出實時攝像畫面，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。