8基于高精度定位技术的智能电站巡检及安全防护系统
基于高精度定位技术的智能电站巡检及安全防护系统
郑州联睿电子科技有限公司
2017年1月
1 背景与意义
1.1 项目背景
随着室内定位技术、网络通信技术、移动计算技术、全球定位技术、地理信息系统等技术的发展，针对巡检工作的信息化实际需要，开发一套满足实际生产需要室内的巡检和安全防护系统，已成为电力巡检系统发展方向的新方向、电力巡检区域有室内区域和室外区域，在室内区域由于GPS卫星信号不能穿透建筑物,而且室内环境复杂,存在严重的多径和非视距干扰,在室内难以实现精准定位，这时就可以采用U-Loc室内厘米级实时定位系统提供位置服务。
电力行业对安全性有着非常高的要求，其中安全性包括人员的生命安全和设备工作状态的安全。水电站事故主要包括设备发生故障和人员伤亡两种。其中，人生命安全尤为重要。一旦发生人身伤亡事故，将带来极为惨重的损失和伤害。究其因果，大多数是因为操作人员在巡检过程中没有按照事先要求的操作规范进行操作或操作失误导致的。作为输变电的重要环节--水电站的安全运行就显得非常重要，它将直接影响到整个电力事业的发展方向和电力建设的前途。水电站的正常运行靠个人的知识和经验是远远不够的。水电站中存在着诸多的技术手段检测设备的正常运行，但作为安全的重要环节，现场巡检和人员安全监管是必不可少的。然而目前没有一种对人员操作的检测系统，不能保障人员操作的安全。室内区域安全防护也是安全防护的难点和痛点。
1.2 建设目标与意义
智能电站巡检和安全防护系统，整合原有平台功能，融入室内定位技术，能够在保持系统原有功能上，提高电厂巡检的信息化水平，加强人员安全防护的水平，减少人工误操作的安全风险。
利用U-Loc室内厘米级实时定位系统提供实时的高精度定位信息、对定位数据进行加工处理、可以支持人员位置实时查看、区域人员数量统计、进入危险区域报警、安全提示等功能。
2 项目方案介绍
2.1 方案概述
为了实现水电站巡检管理的实时化、科学化，提高维护管理水平及工作效率，巡检点的标定及获取人员实时位置信息是至关重要的。由于水口电站内结构复杂，障碍物以及设备居多，导致卫星一般无法正常接收，致使GPS和北斗均失效，这时就必须在综合体内部安装一种更为有效的室内定位装设备，用来对室内人员和设备进行定位。
郑州联睿电子科技有限公司通过引进、吸收国内外先进技术，采用超宽带射频技术，研发出完整的UWB定位解决方案（U-Loc室内厘米级实时定位系统）；该系统能够在传统的应用环境中达到15-25cm的定位精度，并具有很好的稳定性。借助该系统，在基于UWB定位智能巡检中可以实现对巡检点位置的快速标定，实时获取巡检人员的位置信息，监督巡检情况，提升安全保障。
UWB定位智能巡检和安全防护系统是基于U-Loc室内厘米级实时定位系统为主要技术支撑，融合3维GIS地理信息系统、无线通信技术及数据处理技术等实现对变电站工作人员、设备进行实时高精度定位和监测，有效获取变电站区域电力巡检的巡检人员、巡检路线、巡检内容的位置信息、时间信息、轨迹信息等，及时发现巡检过程的遗漏异常行为，并实时与视频监控系统、后台监管系统联动，并增加了危险报警功能，当巡检人员发现紧急情况或生命危险时可及时报警，使管理者对突发事件的应急处理提供最有效的解决方案。提高异常情况下的应急响应速度和事件的处置速度；在工作人员管控方面，方案提供工种分类、人员日常工作的考评、工作目的地路径规划和导航、特殊情况发生时人员的撤离和伤员的搜救等工作，提高工作效率的同时，保障人员的安全。形成人管、技管、物管、联管四管合一的立体化管控格局，变被动式监管为主动式智能化管控，有效提高电力行业的管理水平和管理效率。
2.2 系统架构
水口电站室内定位系统是基于U-Loc室内厘米级实时定位系统为主要技术支撑，融合目前现有的系统GPMS系统、结构图如下：
图2.1基于UWB定位智能巡检系统软件架构示意图
1、电厂巡检和安全防护后台管理系统
后台管理系统是高精度定位和安全防护系统的核心，实现了定位巡检人员管理、安全区域设置、告警信息处理、设备信息录入、人员设备位置显示、权限管理、系统配置管理功能
2、巡检APP系统
用于巡检的手持终端APP将标签信息和手持终端进行关联，通过局域网实现实时位置的查看和导航，在巡检时可查看工作人员自身实时的精准位置，安全报警、位置导航，误操作报警、巡检数据上报，巡检点标定，同时支持常见的智能手机以及平板等终端设备
2.3 系统网络结构
本系统运行于局域网中，硬件主要由服务器、后台终端PC机、巡检终端等组成，巡检人员在PC手持终端上接收到巡检任务信息，在外出巡视时手持终端通过UWB电子标签系统设备，获取现场巡视坐标进行定位，定位后根据定义的设备巡视项进行逐项进行巡视，记录数据内容。实时将巡视结果通过网络上传到巡视管理主机上，系统网络结构图如下：
图2.2系统网络结构示意图
2.4 工作原理
基于UWB定位智能巡检系统主要由定位标签，定位基站，手持设备和后台管理软件组成。
在示范区域内架设基站，为巡检人员以及关键巡检点配置定位标签，定位标签发射超宽带定位信号，定位基站接收解调定位信号，将数据传回后台管理中心，后台管理中心通过优化的高精度定位算法，解算出巡检点和巡检人员的位置信息，并将位置信息及运动轨迹在基于UWB定位智能巡检系统显示。巡检人员通过手持设备可以自动或手动上报巡检信息，后台管理中心会自动的进行处理、分析、统计、制作报表、告警信息等。
管理人员可通过电脑客户端（或Web客户端）登陆系统平台，随时查看各部门、各人的巡检到位情况，结合电子地图可查看水电站信息，巡检轨迹，异常点分布等，从而实现了对巡检工作信息化、数字化、网络化、图形化的管理，为巡检制度的落实及资源管理提供了技术保障。
图2.3基于UWB定位智能巡检系统工作原理示意图
2.5 系统功能
水电厂巡检系统结合现有GPMS巡检后台系统分为融合巡检后台管理系统和巡检APP两大部份组成，融合巡检模块使用原有巡检模块的管理功能，结合室内定位特点，系统中进行定位标签信息管理、标签和移动巡检设备的关联管理、检查点位置信息管理，扩展如下的功能：
2.5.1 电厂巡检后台和安全防护管理系统
安全管理模块
l 告警区域设置
通过室内定位系统的GIS系统，设置一个或多个危险区域，
l 巡检误操作通知
室内定位系统通过对巡检轨迹数据的分析，并结合巡检流程进行比对，对误操作动作进行提示，通过多种方式将告警信息通知巡检人员和后台系统、并给出正确的流程。
l 紧急事件处理
移动端触发紧急报警，后台快速响应，分析危险等级，判断事故原因，发送危险信息到各个部门，或自动关闭危险等级高的设备，降低事故。
自动记录各个设备运行状态及设备参数，超出正常范围值自动发起报警通知,管理者通过报警信息，迅速排除设备故障，降低事故的损失。
l 隐患报警
根据巡检轨迹信息、结合图像、视频等可视资料记录及上报，系统自动分析数据，检查是否含隐患信息，同时服务端触发报警提示，留档保存以供日后处理，有避免口头通报后遗漏、遗忘造成不必要的损失。
l 超速报警
规范人员的巡检速度，超出后手持端及服务端自动触发报警提示。如领导需要巡检人员步行巡检，而有些巡检员骑车或开车，超速工作起不到应有的工作效果，通过超速报警就可以有效防止人员超速巡检。
GIS管理模块
l 人员和设备实时位置显示模块
在室内GIS中显示人员和设备的实时位置，可以统计区域的人员和设备信息。
l 历史轨迹回放模块
系统自动记录巡检轨迹信息，可随时调阅查看并对历史巡检轨迹进行动态回放，直观还原工作人员以往的整个巡检过程。当某天的巡检工作出现状况，通过对以往轨迹的回放，直观展示出问题的所在，为找出问题提供有效依据。
l 区域人员统计
巡检后台可以实时统计地图某一区域内人员数量，统计巡检过程中任意时段的人员数量，如果单位时间内没有达到设定数量，系统多种形式输出告警信息，提示相关的操作人员和巡检人员。
l 二、三维展示
二、三维一体化展示是指利用虚拟现实技术克服二维显示技术的平面视觉效应，让观察者能够获得观察物体的立体视觉效果。下图为三维立体显示，结合二维平面导航图和现场实时监控图，效果图如下：
图2.4二、三维展示示意图
系统管理
l 人员管理
本模块主要管理人员相关信息，实现了人员信息的录入、人员信息的修改、人员信息删除等管理功能
l 标签管理
本模块主要管理UWB标签的相关信息、以及与RFID标签对应关系。实现了定位标签信息的录入、标签信息的修改、标签信息删除等管理功能。
l 设备管理
本模块主要在现有PDA巡检基础上、增加一个设备的坐标信息的管理， 实现了设备坐标数据的录入、查询、修改、删除等操作。
l 系统的配置管理
系统配置主要的功能有系统管理员对初级密码和用户名进行修改，对系统的肤色管理，地图的设置等。
权限管理
权限管理系统，根据用户所拥有的权限级别，分配给用户对应级别的操作权限，操作人员登录后，根据所拥有的权限级别，显示对应的功能模块。本系统主要包括用户管理、组织结构管理、角色管理、功能管理四个功能模块。具有修改用户权限的操作员能够对各个部门、机构、人员进行管理，可以自定义岗位职责，分配不同的操作权限。
l 用户管理
对用户信息进行管理，也可以查看用户所属角色、所属机构和拥有的功能。
l 组织机构管理
对组织机构信息进行管理，也可以编辑其包含的用户和查看所属角色。
l 角色管理
对角色信息进行管理，也可以编辑各角色包含用户、包含机构及可操作的功能。
l 功能管理
对功能信息进行管理，也可以查看可操作各功能的都有哪些角色。
图2.5后台管理系统示意图
2.5.2 巡检APP功能
巡检APP整合原有PDA功能，在原有的基础上增加，巡检导航，二、三维显示、巡检点查看、标定，危险报警等：
危险报警
可以根据具体情况选择报警级别：
l 紧急事件
遇到紧急情况，一键式报警，后台系统快速响应。
l 设备故障报警:
巡检过程发现设备运行状态不稳定，标定设备，并对次设备触发报警,管理者通过报警信息，迅速排除设备故障，降低事故的损失。
l 超速报警
规范人员的巡检速度，超出后手持端及服务端自动触发报警提示。通过超速报警就可以有效防止人员超速巡检。
l 误操作报警
如果后台系统中发生了误操作提示，在客户端及时报警。
实时位置显示
巡检人员可以客户端查看自己实时位置
巡检点标定
当巡检人员在巡检过程中发现问题，可以在该位置放置定位标签，准确标定巡检点的位置，管理者在后台可以查看巡检点的具体位置，方便对该处进行持续跟踪。另外，可以将故障类型以及设施类型（如阀门，开关等）与不同类型的标签进行绑定，通过查询标签的类型则能获取到哪些设施出现哪种故障，为接下来及时，快速的做出正确的决定提供必要的信息。
图2.6特殊位置标定示意图
巡检路径导航
l 路径导航
可通过输入起始点位置和目标点位置得到路线的导航信息，或根据自身的位置信息输入目标位置得到导航路线，辅助工作人员快速有效地找到目标地址；也可在手持终端APP中选择固定的可选路线，即工作人员根据不同的职责选定对应的路线进行巡检，通过标签和手持终端的联动，可保证巡检路线的正确性，杜绝安全隐患；
二三维显示
l 二三维显示
二三维显示是指可以根据现场需求，巡检人员选可以查看二维或三维地图。并可以显示地图上各个巡检点的位置。
3 公司介绍
郑州联睿电子科技有限公司是广州中海达卫星导航技术股份有限公司旗下企业，是专业从事高精度定位、防丢监管等相关技术的研究和开发工作的技术创新型企业。
公司拥有一支由多位海内外信息领域的资深专家带领的专业研发团队，其中20%以上拥有博士学历，60%以上拥有硕士及以上学历。公司拥有多名研发能力强、技术水平高和工程化实践经验丰富的工程技术带头人，在室内外高精度定位技术方面拥有强大的研发实力。
联睿电子一直以来坚持以独立自主，技术创新为主导，打造行业内领先的室内外一体化实时高精度定位系统，推动高精准位置信息服务行业的发展。公司的战略发展思想是将国际上最先进的无线通讯技术，定位技术，以及射频技术进行整合，同时结合国内市场发展，在产品开发和设计上不断创新，完全掌握无线实时高精准定位系统的核心技术和自主知识产权。通过“共赢、互动”的市场策略成为国内领先的实时定位系统供应商，为客户带来最全面最优质的解决方案。
其自主研发打造的U-Loc室内厘米级实时定位系统，定位精度高，功耗低，辐射小，能够同步、精准、实时地为用户提供给定区域内的人员和设备的瞬间位置和运动信息，便于用户直观地从全局把握现场情况从而做出决策，在精准度、实时性、稳定性、覆盖面、适用性等方面均具有较大的优势，可广泛应用于大型商超、智能巡逻、仓储物流、智慧医疗、智能工厂、模拟训练、室内导航、文物监管、监狱管理等领域的人员和设备实时精准定位。
公司于2012年获得“河南国家大学科技园杯”科技创新大赛二等奖；入选2012年科技部科技创新推进计划；2014年建立了郑州市“无线高精度定位”工程技术研发中心。2016年荣获“智汇郑州·1125聚才计划”首批创业领军团队称号。
联睿电子上下团结一致，致力于打造全球知名的实时精准定位品牌，成为无线精准定位技术行业领军者！