化工园区人员全过程轨迹化安全解决方案

1、项目背景

化工园区化工厂是生产安全重点单位，对人员定位管理需求强烈。对人员定位主要需求是：一般区域人数统计、人员轨迹、重点区域人员实时精准定位。

华安联大安全化工园区人员全过程轨迹化安全解决方案通过人员实时定位管理、移动轨迹追溯、险情一键呼救、电子围栏智能预警等功能，实现工作人员实时查看人员位置、线路回放事件追溯、危险发生时快速救援及超员/缺员预警、长时间静止预警、越界/滞留预警管控。提升应急效率，减少危险的发生。

人员数据统计、人员轨迹、重点区域数据可视化分析功能对于人员位置、人员状态等均可与监控中心大屏连接，实时显示全园区内的监控人员分布信息、异常情况等，对重要数据形成可视化统计图表，提升对整个园区的把控能力和信息化程度。

2、建设原则

本方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。本系统设计内容是系统的、完整的、全面的；设计方案具有科学性、合理性、可操作性。

其具有以下原则：

1）靠性与稳定性

整体可靠性是本系统必须解决的首要问题。从系统的结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保系统正常、稳定、可靠地连续运行，将系统发生故障的可能性降到最低。根据用户实际要求，所选用的设备在满足环境条件下完全可以长期可靠地正常运行。

2）经济性与实用性

充分考虑用户实际需要和信息技术发展趋势，根据用户现场环境，设计选用功能和适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现最佳的性能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。

3）安全性

网络安全：要求本地视频专网与互联网络物理隔离。若要建立连接必须采取符合相关部门要求的技术手段。

信息安全：要严格设置用户使用权限及审批方式。各级用户只能调看本权限范围内的视频信息。

传输安全：视频信息的传输过程要注意防止各种非法提取或篡改，应保证所有视频信号都通过视频专网进行传输。

设备安全：视频监控系统的设备必须满足可靠性和安全性的要求，设备选型要选先进成熟的市场主流产品，要求安全可靠，保证系统不间断运行。对关键的设备、数据和接口应该采用冗余设计，要具有故障检测、系统恢复等功能。

4）先进性

系统应充分考虑科学技术的迅猛发展趋势，应用国内外业界较先进和标准的主流技术来保证系统各项功能的实现；按功能做成模块化的子系统，提供强大灵活的联动平台，并保证系统可以方便灵活地在处理能力、系统容量、功能点等方面进行扩充和升级换代，从而确保系统在未来一段时间内满足形势和业务发展的需要。

5）管理性

易管理性：系统设计时要充分考虑系统的可管理性，对用户权限管理、网络管理、设备管理提出要求并给出实现方式。

易维护性：系统应具备自检、故障诊断及故障弱化功能，在出现故障时，应能得到及时、快速的维护及故障管理等。

6）开放性

以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，可与治安、防盗报警系统实现联动，具有RJ-45网络通讯口，可实现远程控制。

7）可扩充性

系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后该项目工程的实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。

追求最优化的系统设备配置在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。

保留足够的扩展容量该项目设备的控制容量上保留一定的余地，以便在系统中改造新的控制点；系统中还保留与其他计算机或自动化系统连接的接口；也尽量考虑未来科学的发展和新技术的应用。提高监管力度与综合管理水平本项目系统设备控制需要高效率、准确及可靠。

3、主流定位技术

3.1.卫星定位

图1 卫星定位

卫星定位即是通过接收卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位，卫星定位系统主要有：美国全球定位系(GPS)、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)系统、中国北斗卫星导航系统，其中GPS系统是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技术。

GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。

图2 GPS系统

空间部分是由24颗工作卫星组成，它们均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象；

控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成，主要负责GPS卫星阵的管理控制；

用户设备部分主要是GPS接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信息和观测量，经数据处理实现定位。

GPS的定位原理说白了就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距）。

当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。如下图所示：

图3 GPS定位原理

卫星定位虽然精度高、覆盖广，但其成本昂贵、功耗大，并不适合于所有用户。

3.2.基站定位

图4 基站定位

基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（LBS，LocationBasedService），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息。

手机等移动设备在插入sim卡开机以后，会主动搜索周围的基站信息，与基站建立联系，而且在可以搜索到信号的区域，手机能搜索到的基站不止一个，只不过远近程度不同，再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。其余的基站并不是没有用处了，当你的位置发生移动时，不同基站的信号强度会发生变化，如果基站A的信号不如基站B了，手机为了防止突然间中断链接，会先和基站B进行通信，协调好通信方式之后就会从A切换到B。这也就是为什么同样是待机一天，你在火车上比在家里耗电要多的原因，手机需要不停的搜索、连接基站。

基站定位的原理也很简单：我们知道，距离基站越远，信号越差，根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近，当手机同时搜索到至少三个基站的信号时（现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情），大致可以估计出距离基站的远近；基站在移动网络中是唯一确定的，其地理位置也是唯一的，也就可以得到三个基站（三个点）距离手机的距离，根据三点定位原理，只需要以基站为圆心，距离为半径多次画圆即可，这些圆的交点就是手机的位置。

图5 基站“三点定位”原理

由于基站定位时，信号很容易受到干扰，所以先天就决定了它定位的不准确性，精度大约在150米左右，基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于sim卡注册状态（飞行模式下开wifi和拔出sim卡都不行），而且必须收到3个基站的信号，无论是否在室内。但是，定位速度超快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是没有GPS且没有wifi的情况下快速大体了解下你的位置。

3.3.FRID定位

RFID定位的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等），同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。

目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中，无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。

3.4.蓝牙技术

蓝牙定位基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication，信号场强指示）定位原理。根据定位端的不同，蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。

网络侧定位系统由终端（手机等带低功耗蓝牙的终端）、蓝牙beacon节点，蓝牙网关，无线局域网及后端数据服务器构成。其具体定位过程是：

图6 蓝牙定位

1）首先在区域内铺设beacon和蓝牙网关。

2）当终端进入beacon信号覆盖范围，终端就能感应到beacon的广播信号，然后测算出在某beacon下的RSSI值通过蓝牙网关经过wifi网络传送到后端数据服务器，通过服务器内置的定位算法测算出终端的具体位置。

终端侧定位系统由终端设备（如嵌入SDK软件包的手机）和beacon组成。其具体定位原理是：

图7 蓝牙定位原理

1）首先在区域内铺设蓝牙信标

2）beacon不断的向周围广播信号和数据包

3）当终端设备进入beacon信号覆盖的范围，测出其在不同基站下的RSSI值，然后再通过手机内置的定位算法测算出具体位置。

终端侧定位一般用于室内定位导航，精准位置营销等用户终端；而网络侧定位主要用于人员跟踪定位，资产定位及客流分析等情境之中。蓝牙定位的优势在于实现简单，定位精度和蓝牙信标的铺设密度及发射功率有密切关系。并且非常省电，可通过深度睡眠、免连接、协议简单等方式达到省电目的。

3.5.惯性导航技术

这是一种纯客户端的技术，主要利用终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息。

图8 惯性导航技术

随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起，每过一段时间通过WiFi请求室内位置，以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟，在扫地机器人中得到广泛应用。

3.6.超宽带(UWB)定位技术

超宽带技术是近年来新兴一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB技术是一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带（UWB）定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

图9 超宽带技术

超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1m~0.5m。

3.7.视觉定位

视觉定位系统可以分为两类，一类是通过移动的传感器（如摄像头）采集图像确定该传感器的位置，另一类是固定位置的传感器确定图像中待测目标的位置。根据参考点选择不同又可以分为参考三维建筑模型、图像、预部署目标、投影目标、参考其他传感器和无参考。

参考３Ｄ建筑模型和图像分别是以已有建筑结构数据库和预先标定图像进行比对。而为了提高鲁棒性，参考预部署目标使用布置好的特定图像标志（如二维码）作为参考点；投影目标则是在参考预部署目标的基础上在室内环境投影参考点。参考其他传感器则可以融合其他传感器数据以提高精度、覆盖范围或鲁棒性。

4、方案论证

结合实际化工园区的业务及场景需求，人员定位项目建设选取的技术方案通常有：

• 基于蓝牙+LORA技术的定位方案；

• 基于UWB精准定位技术的定位方案；

• 基于RFID技术的区域定位方案；

1. 蓝牙+Lora技术方案分析

蓝牙+Lora定位技术方案的核心设计思路是通过蓝牙作为位置信标点，人员卡片由蓝牙数据接收模块与lora通信模块构成，蓝牙数据接收模块接收发射的信号，通过lora通信模块将信标数据上传到后台。

此技术方案的优点非常明显，蓝牙可以通过电池进行供电，无需布线与组网，建设成本大幅减少；采用Lora技术上传数据，无需资费。此技术方案是目前化工厂人员定位主要采用的方案。

此技术方案的不利因素主要有3点：
采用Lora通信技术上传数据存在政策管控风险。尽管在频谱分配里没有对Lora技术在相应的应用进行明确限制，但是LORA技术主要是由美国公司掌握，具备广域通信能力。与有运营商部署建设的NB-IOT技术相比，由于信息安全的原因，Lora通信大概率会被限制使用而被淘汰。

卡片功耗大。由于卡片一直处于信号接收状态，会导致卡片功耗大，卡片需要充电，增加维护成本。

只能实现区域位置识别。由于蓝牙信号在2.4Ghz频段，在室内定位场景中，受信号多径影响较大，会出现所谓信号漂的现象，出现定位错误，如楼层定位错误，房间识别定位错误。

1. 基于UWB技术精准人员定位方案

UWB定位技术原理上可以实现30cm的室内定位精度，在化工厂，UWB定位技术不适合全面部署，原因如下：

成本太高，要实现全程精准定位，需要部署大量的基站，建设成本很高。
设备需要组网，部署与建设维护成本均较高。
因此，在化工厂只适合做重点区域的部署，实现高精度的人员管控。

1. 基于多频有源RFID技术的区域人员定位方案

基于多频有源RFID技术的区域人员定位技术可以实现准确的区域人数统计，卡片成本低，续航时间长，用户体验较好，其不利的因素是与UWB技术一样，需要部署大量基站设备，基站设备需要布线与组网。

5、应用场景

人员定位是对园区人员及外来访客人员进行无感定位，采用身份识别与定位技术和视频人脸识别相结合的技术，以便实现人员的动态管理。

普通区域：采用性价比较高的RFID技术，对人员进行大致定位，辅助软件系统，实现人员轨迹查询等功能；

重点区域：采用精度较高的UWB技术，对人员进行误差在0.5米精确定位，辅助软件系统，实现人员轨迹查询等功能；

部分定位为覆盖区域：通过关键点位的视频监控，辅助人脸识别技术，将人员经过的视频抓拍点位，通过地图展示、串联，实现人员轨迹查询等功能。

6、业务流程

图10人员定位流程图

7、系统架构

通过在园区部署基于RFID和UWB技术的定位设备，并为相关人员配置标签卡（具有唯一ID），标签卡接收基站下发信号，通过接收信号时间差，利用定位TDOA算法实现定位功能，结合视频联动等技术，实现对人员的智能化管理。

系统由应用层、解算层、传输层和设备层（定位基站和定位标签）构成，传输层主干网通信方式采用无线主干网（现场不方便布线），基于无线主干网的系统架构，下图所示。

图11 系统架构图

8、场景方案

8.1RFID人员定位系统

8.1.1RFID系统概述

无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线电波不接触快速进行信息交换实现识别、数据传输的目的，并结合数据访问技术连接数据库系统，串联起一个极其复杂的系统。

在识别系统中通过电磁波实现电子标签的读写与通信，根据通信距离，可分为近场和远场，可以根据使用场景的需要来选择采用。

一套完整的RFID系统， 是由阅读器、电子标签以及应用软件系统三个部分所组成，电子标签和阅读器之间进行无线双向信息交换，阅读器和应用软件之间进行指令、数据的传输和处理。

人员动态管理系统，就是利用RFID系统，将电子标签制作成为人员随身佩戴的电子工牌，在工作场地或者活动的园区部署阅读器来获取工牌的无线信号，不同位置的阅读器将实时读取到的工牌信号传送到软件平台进行处理，即可生成实时位置信息、历史轨迹信息，结合相应的权限设置，即可实现人员的实时动态管理应用。

8.1.2方案介绍

（1）RFID技术选用基础

电子工牌选择近场RFID、远场RFID二合一方式，无线频段分别为13.56M和2.4G。13.56M为近场通信方式，通信范围为0~4厘米，适合作为近距离刷卡识别场景使用；2.4G为远场通信方式，其识别距离根据阅读器的接收灵敏度不同可以覆盖几十米到100米以上，作为远距离无感定位场景使用。

2.4G频段属于公共频段，不涉及无线频率的申请使用，全球范围均可免费使用。

（2）定位原理

2.4G无线技术用在远距离定位时，是将阅读器安装于不同的特定位置，其覆盖范围内的电子工牌均可视为归属于这一位置。

如下图所示：

图12 2.4G无线技术定位原理

1）通过各特定地点布设的阅读器热点，每次2.4G工牌随人移动，都会获得由诺干识别器获取的一组信号强度向量。

2）每次将该位置的向量数据与指纹库数据做对比，计算出人员位置。

3）为降低硬件成本以及计算复杂度，可以根据地形或者是否必须，来选择适当的位置部署较少的阅读器，尽量减少2.4G信号的重叠覆盖，又可以满足获取人员基本的位置信息的需求。

图13 定位布局示意图

8.1.3方案组网结构

图14 方案组网结构图

8.2.UWB人员定位系统

8.2.1.UWB系统概述

超宽带无线通信技术（UWB，Ultra Wide Band）是一种无载波通信技术，通过发送纳秒级非正弦波窄脉冲来传输数据信号。UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等。

UWB定位技术利用事先布置好的已知坐标位置的基站，与新加入的标签进行通讯，并利用TDOA（Time Difference of Arrival 到达时间差）定位算法，通过测量出不同基站与移动终端的传输时延差来进行定位，定位精度理论上可达到分米级。

基于UWB技术的人员动态管理系统，就是利用UWB标签制作成为人员随身佩戴的电子工牌，在工作场地、活动园区内部署UWB基站，确定UWB基站的坐标，通过人员工牌与各基站之间不断测距来计算出工牌的相对坐标，从而得出其实时位置坐标，并通过后台数据处理进一步得出其位置变化轨迹，最后实现人员的实时动态管理应用。

8.2.2.方案介绍

(1)UWB使用场景

UWB定位较为适合在较大空间的厂房、车间以及规则区域内使用。在该区域的四角都部署UWB基站，人员佩戴UWB电子工牌在区域内移动时，可以获得精度在1米以内的位置轨迹，可以实现对人员的精细化管理。