智能定位系统在桥梁预制工厂内的应用研究

方维炯，李清云，周瑞杰，许成涛，娄晓峰

（1.绍兴市城市建设投资集团有限公司，浙江 绍兴 312000；2.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

1 前言

目前我国正处于高速发展的阶段，工厂化预制构件的生产形式被推上发展浪潮。工厂化预制构件生产以工厂的形式存在，这类大型工厂因其占地面积大、工种繁多、危险性高等特点，无法实现高效安全的工厂化生产，因此在工业化生产的同时必然需要信息化、智能化管理技术的支持。其中人员定位及有关的应用技术，因其具有能降低事故发生率、厂内管理难度及提高生产效率等优点，越来越受到大型预制构件工厂的青睐。

为了进一步提高施工场地及工厂的安全性、保障施工作业人员的人身安全及降低监督难度、提高管理效率，世界上许多科研工作者和企业在人员定位技术上进行了广泛的探索和研究。L.M.Ni等探讨了射频识别技术在室内定位方面的应用。C. Matteo研究了基于WiFi的人员定位系统，通过检测无线信号的衰减，系统可以推断出目标与自身的距离，最后结合多个距离信息计算出目标的坐标。S.Gezici讨论了UWB用于定位问题的可能性，并给出了UWB定位与测距的性能下限，指出定位方法最能挖掘UWB的技术优势。Chen L等提出了一种贝叶斯融合方法来度量蓝牙RSS的统计信息和运动模型中的检验信息。

在我国人员定位技术首先被应用在了事故多发的煤矿井下的人员定位上，王璐等提出了一种RFID井下人员定位系统，该系统通过将多个RFID阅读器沿着巷道串联起来，获取井下人员的路径信息。张志斌等研究了ZigBee与无线传感器网络结合的煤矿人员定位方法与系统设计。王睿等研究了一种基于WI-FI和蓝牙融合的定位算法。为了解决单一定位算法精度不高的难题，采用欧几里德向量距离作为相似度标准，对实验点划分的网格进行合并，提高了定位精度。此外随着信息化时代，物联网、空间定位、移动通信、大数据等技术逐渐发展成熟，人员定位开始结合其他技术，在各行各业普及开来。

以上多种定位技术在实际应用中都需要设备部署大量外接电源和外接网，设备及设备部署成本较高，且存在一定的施工危险性与灾备性。本文针对桥梁预制工厂的特定场景，介绍一种基于钛准定位系统，以多种定位标签为载体的新型定位系统。该系统不需零星弱电施工、安装方便、建设成本低，在保证工作人员安全的基础上，实现对人员建立数字画像，便于管理者进行功效分析、劳动力分配及减少非增值移动并助力企业降本增效的目的。以解决桥梁预制工厂内事故发生率难以控制，管理难度高，生产效率不够高等问题。

2 人员定位系统的设备组成及原理介绍

2.1 定位系统的设备组成

系统由定位信标、定位标签、定位基站、交换机等网络设备及系统服务器组成。

2.2 定位系统原理介绍

钛准定位技术，该技术采用物联网（LoRa）+蓝牙定位技术，一方面承续了蓝牙定位技术的低功耗、低成本、普适性强、技术成熟等优势，另外还具有通信距离广、数据传输稳定、专网通信安全性高等优点，能够满足室内定位特别是桥梁预制工厂的距离要求。

2.2.1 区域定位原理

区域定位系统是由移动设备和AP（即无线访问接入点）之间的蓝牙信号传输来进行定位的，其中我们称AP为定位信标。钛准定位采用TOA测距定位法即三边定位法，根据场内设备所发射的RSSI建立距离转化模型,这种方法分为测距和定位两个阶段。

测距阶段的的工作是，在能够满足三边定位算法的前提情况下，求解未知点到可以应用三边定位算法进行位置计算的三个不同的定位信标之间的距离。在实验过程中，如果在某一点处可以接收到三个不同的定位信标的信号，就可以获得三个信号强度，那么可以根据特定的蓝牙信号强度与距离之间的衰减模型求出这一点到可以接收到信号强度的三个定位信标的距离。

在定位阶段，将测距阶段得到的定位标签到定位信标之间的距离分别作为半径，以三个定位信标作为三个不同圆的圆心，分别画圆，使得这三个圆能够存在唯一的交点，从而可以得出定位标签的位置信息，如图1所示。

2.2.2 通信原理

采用LoRaLAN技术实现标签与后台的通信，一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。采用433MHz自由频段进行通信。LoRaLAN采用扩频与FSK混合的通信技术，具有基站覆盖范围大（室外4km，中空室内环境40万m2）、功耗低（接收电流<10mA，休眠电流<200nA）的特点。可解决网络控制、网络并发、终端功耗控制等问题，组建用于室内定位系统的低功耗通信网，使得定位标签功耗下降10倍，组建覆盖建筑内部及周边的独立通信网络。

3 人员定位系统在实际生产中的应用流程

3.1 定位智能标签

定位信标部署在需要定位的区域内作为定位基础网络设施，在预制工厂内外贴地或者侧贴墙面方式部署，如图2所示。冲击钻在地面打孔，通过塑料膨胀管、自攻螺丝固定。采用封闭灌胶工艺，防静电、防水抗压、防尘、防腐蚀设计，电池可供电8～10年。

定位标签用来接收定位信标信号，将信号测量结果通过物联网LoRaLAN技术进行回传基站。厂内人员佩戴多种定位标签，包括定位胸牌、定位手环及定位安全帽。定位标签的按键操作模块支持开关机、音量调节、牌照、SOS警告、通话等功能。

3.2 数据传输基站

数据传输基站与定位标签通信，通过有线网络或5G网络将数据回传至服务器，构成通信网络。基站布置时根据预制工厂的平面图规划基站布置位置与布置数量，安装于的室外空旷区域，立杆（高4m）在地面或墙面、楼顶，如图3所示。

通信基站采用DC 12V/2A或PoE电源供电，可提供实时性高达1s的下行通信能力，支持GPS授时，提供精准时钟、位置信息和多种终端接入。

3.3 数据处理服务器

数据处理服务器用于解算定位标签的位置，并提供地图及应用服务。由于定位引擎服务器与定位标签的通信量较大，建议基站与定位服务器之间采用有线网络，利用企业局域网，完成数据回传。

地图服务器可以选择云部署（租赁云服务器），基站与服务器之间采用5G通讯，利用Internet网，完成数据回传。后台系统采用B/S架构，分布性强，只要有网络（与服务器相通）、浏览器，就可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。

3.4 后台管理

使用PC后台和手机APP可以进行基于定位的安全管理应用，功能包括查询人员实时的位置分布、目标追踪、历史轨迹查询、电子围栏、告警查看、危险作业情况展示、标签管理等。

3.5 系统在工厂内的运行流程

系统在工厂内的运行流程，如图4所示。桥梁预制工厂内的定位信标与人员佩戴的定位标签之间利用无线信号进行定位，并用LoRaLAN技术将测量数据传回通信基站，通信基站利用有线网络和5G网络相结合的方式将数据转递给服务器并上传至云端。服务器解算定位标签的位置，并提供室内地图的信息。最后通过电脑或手机后台查询人员详细位置及信息，进行综合管理应用。

4 系统作用

4.1 人员调动

由智能安全帽实时定位标签和通信基站反馈的定位数据显示监控区域内人员的数量及位置，并且动态显示数量及分区域显示统计数量。系统可通过大屏，显示不同区域内人员/设备的实时统计情况。通过在区域人员设置中预设每个区域合理的人数范围，可提供超员告警和缺员告警，超员告警主要是针对车间人数的管控，缺员告警主要针对如监控室内的必须有人在的区域进行管控，必要时还可以查看人员的每日行为轨迹，如图4所示。实现实时把控工厂内的人员配置，并根据需求及时进行人员的调动。当管理层不在厂区内或不方便查看电脑时，可通过微信小程序/APP快速进入管理后台，查看厂区实时状态。具体功能包括：厂区人员实时定位、特定人员目标跟踪、各类报警事件查看、企业数据统计分析等。

4.2 安全监控

可以在地图中自由添加危险作业内容，自由设置各个区域的风险等级、可进入人员类别、生效时间、报警内容、安全措施内容。并在对人员动态、分区域显示的基础上，使用不同颜色的安全帽区分不同类型人员，如：红色代表管理人员，蓝色代表巡检人员，黄色车间人员等。当非对应类型的人员进入到危险区域时系统就会进行警告，此时管理人员可以点击自动弹出的该区域的区域风险分级管控清单、危险（有害）因素进行排查。并可根据需求进行人员越界和滞留告警设置，针对车间人员越界/滞留重点生产车间的行为管控。

4.3 一键求救

当人员遇险，按下定位标签上的一键报警按钮，及时发出求救告警信息。系统监控大屏上会立即弹出告警，并定位该人员，可立即通过视频联动查看现场监控画面，并火速安排端救援人员到现场排查情况。可在监测大屏报警管理中显示所有报警信息，在确认报警事件后，预设的人员安全疏离路线与地点会发送到每个人员的定位标签上，人员可以快速选择的最便捷的逃生路线到指定的安全区域。

4.4 实时交流

采用定位胸牌与厂区内的网络摄像头相对接的形式，实现“人员位置”与“视频”联动的效果，管理人员能够直接在地图上查看摄像头视频，如图5所示。

5 结语

基于钛准定位技术的桥梁预制工厂人员定位系统以多样化的定位标签为定位终端，搭建方便、施工安全、造价与运维成本低，可以实现机电施工现场的远程管理，且多种定位标签协作定位的模式大大提高了定位系统的容错率和精准度，有效保障了人员作业安全。此外系统还能够获取大量现场数据，为分析决策提供数据支撑。解决了传统制造模式中出现的各种问题和弊端，具有极大的实用价值和推广价值。