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1、 寶鋼寶鋼人員定位系統解決方案人員定位系統解決方案 北京華星北斗智控技術有限公司北京華星北斗智控技術有限公司 2017-07-22 1 目錄 目錄目錄 1 目前的需求和問題.1 1.1 需求部分.2 1.2 問題總結.2 2 目前的定位技術狀況.4 2.1 常用定位技術比較.4 2.2 方案優勢.6 2.3 華星智控超寬帶定位系統優勢.8 3 方案說明.9 3.1 需求分析.9 3.1.1 區域及人數.9 3.1.2 安裝要求.9 3.1.3 準確識別.9 3.1.4 無干擾要求.9 3.1.5 安全性要求.9 3.1.6 待機要求.10 3.1.7 接口要求.10 3.1.8 系統要求.102、 3.2 系統整體設計.10 2 3.2.1 設計理念.10 3.2.2 設計原則.10 3.3 系統可選功能分解.11 3.3.1 實現立體定位.11 3.3.2 數據回放.11 3.3.3 人員分組管理.12 3.3.4 標簽智能休眠.12 3.3.5 區域告警.12 3.3.6SOS 報警.12 3.3.7 低電量提示.12 3.3.8 考勤輔助.12 3.3.9 指定提醒功能.12 3.3.10 人員靜止檢測.13 3.3.11 訪客管理.13 3.3.12 資產管理.13 3.4 系統部署方案.13 3.4.1 系統組成.13 3.4.2 系統應用架構及功能.14 3.4.3 工作流3、程.14 3.4.4 基站方案.14 3.4.5 標簽方案.20 3 3.4.6 服務器選型.21 3.5 設備參數及規格.21 3.5.1 室內型定位基站 HXZK-SN.21 3.5.2 人員定位標簽 HXZK-AQM.25 1 目前的需求和問題目前的需求和問題 工廠現場圖片 2 1.1 需求需求部分部分 2015 年政府工作報告突出了互聯網在經濟結構轉型中的重要地位，報告明確指出：要制定“互聯網+”行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展。報告引發了各行各業對互聯網行業的極大關注，未來產業與互聯網的融合將貫穿相關行業4、業務的主線。工業互聯網技術特別是移動互聯網技術發展迅速，但碼頭行業至今還沒有找到與最新的互聯網技術進行融合的有效途徑。因此鋼鐵行業的工業 4.0 智慧化管理，作為底層數據提供者的物聯網就成了首要解決的問題。除了傳統的傳感器外，現代鋼鐵企業同樣注重資產、人員智能化的管理，提高生產效率的同時也注重作業人員的人身安全。1.2 問題總結問題總結 針對目前巡檢人員實時管理方面存在難點做以下幾點總結：1)安全隱患高安全隱患高 巡檢點多，危險點多，存在發生誤操作導致的人員傷亡事故的風險。如何有效預防，科學管理，成了需要重點考慮的問題。2)難定人難定人 生產區域面積極大，人員實際位置無法實時掌握，到崗時間無法5、準確獲知，管控效率很難得到提升。3)難巡檢難巡檢 3 傳統的巡檢情況完全取決于巡檢人員的個人經驗和責任心。監控上存在真空區。巡檢到位確認方式不科學，易被修改且無電子化管理；巡檢結果無法監督和保障；巡檢過程中，漏檢、錯檢時有發生；現場發生異常時，無法直接快速的對現場作業進行指導；紙面作業繁雜耗時，記錄難以辨認，且數據無法有效分析；難以對歷史記錄進行追溯和審核；難以在巡檢中實現預測性維護，進而對具有潛在問題的設備或狀況制定特殊的應對策略。4)難保障難保障 在人員巡檢的過程中，一些特殊區域很難保障到人員的安全，需要很長時間才能找到人員所處的位置并實時救援。如何改變目前對現場工作人員、資產落后的管理模6、式，如何實現管理的現代化、信息化已成為所有工業企業重點關心的問題。而通過對人員的精確定位，可以為后期精細化管理提供基礎數據。4 2 目前的定位技術狀況目前的定位技術狀況 2.1 常用定位技術比較常用定位技術比較 為了真正意義上建立一套完整的廠區管控平臺，實現對人、物的精確管控。就需要為智慧管理平臺建設一套可提供位置服務的定位系統。這套定位系統的整體精度決定了管控的準確性與時效性，同時也決定了基于位置數據分析的可靠性與實用性。因此選擇一種精度高又易于實現的定位系統尤為重要。1)1)WiWi-FiFi 技術技術 Wi-Fi 定位應用采用在區域內安置無線基站，根據待定位 Wi-Fi 設備的信號特征，7、結合無線基站的拓撲結構，綜合確定待定位 Wi-Fi 設備的坐標。Wi-Fi 定位技術便于利用現有的無線設備實現定位功能，但由于 Wi-Fi 的安全性較差安全性較差，功功耗較高耗較高，頻譜資源已趨近飽和，頻譜資源已趨近飽和，因此，不利于終端設備的長期攜帶和廠區內的大規模應用。2)2)射頻識別技術射頻識別技術 它是利用電磁感應原理，通過無線 激發近距離無線標簽，實現信息讀取的技術。射頻識別距離從幾厘米到十幾米。RFID 用于人員定位的典型應用來自人員考勤系統的拓展，主要進行人員是否存在于某個區域的辨識，不能做到實時跟不能做到實時跟蹤蹤，并且定位應用還沒有標準的網絡體系，因此，網絡建立成本和建立難度8、較大。3)3)UWBUWB UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。UWB 調制采用脈沖寬度在 ns 級的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至 GHz，不需常規窄帶調制所需的 RF 頻率變換，脈沖成型后可 5 直接送至天線發射。頻譜形狀可通過甚窄持續單脈沖形狀和天線負載特征來調整。UWB 信號的輻射非常低，通常只有手機輻射的千分之一，因此在工業上應用時，其不存在對其他儀器儀表的干擾問題。其他一些定位技術的整體比較：定位技術 定位精度 安全性 穿透性 抗干擾 功耗 輻射 傳輸距離 Wi-Fi 310m 較高 強 較強 高 較高 9、3050m 藍牙 35m 較高 弱 弱 較低 較低 10m 地磁 25m 較高 NA 極弱 較低 NA NA RFID 1-8m 低 弱 弱 低或無 低 5m ZigBee 310m 較低 弱 弱 低 較高 70m UWB 0.3m 非常高 強 強 低 低 100m 紅外 510m 高 NA 弱 高 低 5m 超聲波 0.010.1m 高 NA 強 高 低 5m 機器視覺 12m 較高 NA 弱 高 NA 10m 6 2.2 方案方案優勢優勢 更具先進性的技術 更靈活的組網方式 更高的精度 更高的時效性 更高的定位容量 更好的抗干擾能力 更多的定位模式 更具有先進性的技術更具有先進性的技術：U10、WB 原本為軍方技術，直到 2002 年才被解禁進入民用。該技術早年一直被歐美企業所壟斷，直到近兩年才被國內所關注。因為它獨特的技術特性，讓它可以替代絕大多數 RFID、藍牙、ZigBee 等技術的應用場景。被行業認為最具先進性的射頻識別及定位技術。更靈活的組網方式更靈活的組網方式：華星智控超寬帶定位系統與常用的 RFID、藍牙、WiFi、ZigBee、GPS、3G、4G 等均不存在頻譜干擾，這使它與各種通信技術的混合使用成為可能。更高的精度：更高的精度：華星智控超寬帶定位系統采用了對脈沖信號到達時間的精確測量這一方式，使得接收器對發射源的時間感知更為準確。因此在此基礎上通過電磁傳播速率與時間11、就可以精確的算出發射源與接收器的距離，精度可達+/-5cm。后期進行精確定位的精度可達 1030cm。7 更高的時效性更高的時效性：華星智控超寬帶定位系統的脈沖發射頻率是可調的，單個發射源最高可達 2000Hz。通常的華星智控超寬帶定位系統定位系統中，對資產類物品定位刷新率一般選擇在 0.1Hz1Hz；對人員定位刷新率一般選擇在1Hz5Hz，特殊場景可以更高；對車輛定位刷新率一般選擇在 5Hz10Hz。更高的定位容量更高的定位容量：以每張標簽刷新率 1Hz 計算，單區域最多可支持 240 張標簽，全區域則不受此限制。更好的抗干擾能力：更好的抗干擾能力：華星智控超寬帶定位系統的工作頻段為 3.112、10.6GHz，且為直接脈沖調制技術，無需載波，這與現有的一些通信技術的調制方式不同，它不會受到載波干擾的問題。同時 UWB 的輻射功率極低，一般為手機的千分之一，所以對常用的電子儀器儀表和通信設備不會造成干擾。更多的定位模式：更多的定位模式：華星智控超寬帶定位系統定位技術兼具射頻識別和精確定位兩種技術的特點，所以它可以支持多種定位模式。0 維定位（維定位（0D），），即我們所認知的進入檢測。該定位模式一般為 RFID、WiFi、ZigBee 的主要定位方式。上述 3 種技術均是通過感知信號強度的方式來判斷被定位的標簽是否進入感知區域。而華星智控超寬帶定位系統即可以通過信號強度，又可以通過精確13、距離來判斷目標是否進入感知區域。8 1 維定位（維定位（1D），），該種定位模式一般在狹長的走廊、通道或隧道中使用。由于地形的特殊性，監管平臺更多關注的是被定位目標在線型道路上的移動軌跡。2 維定位（維定位（2D），），該種定位模式一般適用于大面積、開闊的室內外區域定位。它能精準的提供被定位目標在一張平面圖上所處位置的坐標（x,y），與GIS 地圖管理數據對接。3 維定位（維定位（3D），），該種定位模式除了提供 x,y 坐標，還提供 z 軸坐標，或樓層高度。一般適用于已有 3 維模型的管理平臺。2.3 華華星智控超寬帶定位系統星智控超寬帶定位系統優勢優勢 更為豐富的硬件選擇 提供給客戶的硬件14、全系列產品均兼容于華星智控超寬帶定位系統定位系統。無論是成熟產品，標準模塊，客制化模塊等等，都可以用華星智控超寬帶定位系統系統實現定位功能。更符合應用的產品組合 對于不同的應用場景，在充分認知項目應用的基礎上給客戶提供更準確，更合適的產品組合。更多的應用領域 華星智控超寬帶定位系統現已普遍用于石化、大型電廠、工廠車間、倉庫管理、隧道建設、機器人導航、無人機編隊、軍事演習、VR 游戲等等。更良好的開發支持 上述如此多的應用更好地證明了華星智控超寬帶定位系統對于應用層開 9 發的良好支持。更專業的技術和服務團隊 為客戶提供最為專業的 UWB 技術服務、方案評估、開發設計、項目支持等。3 方方案案說15、明說明 3.1 需求分析需求分析 3.1.1 區域及人數區域及人數 硅鋼部 Q312 產線，產線全長約 300m，其中底層無嚴重遮擋區域長約 190m，內部遮擋嚴重部分長約 100m，另有控制室兩個，各操作小室若干。定位目標為在職員工及部分訪客，初步規劃 200 人。要求：室內設備，高溫環境下長時間穩定工作，POE 供電；實時查詢人員位置，支持歷史軌跡查詢，支持人員數量統計；支持數據提取供其他業務應用。3.1.2 安裝要求安裝要求 考慮到廠區鋼結構較多，安裝環境復雜，系統應具備易安裝、易調試、易維護、安裝成本低等特點。3.1.3 準確識別準確識別 各樓層安全等級不一致，要求系統準確分層，不能將16、人員定錯樓層。3.1.4 無干擾要求無干擾要求 系統不能影響廠區內的電子儀表、無線對講系統的正常使用。3.1.5 安全性要求安全性要求 設備工作功率滿足國家無線電行業要求，對人體及其他設備無害。設備 10 離開廠區進入休眠模式，不再發射射頻信號。3.1.6 待機要求待機要求 設備應滿足長時間待機功能，設備設計待機時間不低于一月。3.1.7 接口要求接口要求 由于保密性要求，系統必須采用純內網接口數據采集的方式，不得訪問外網或被外網訪問。3.1.8 系統要求系統要求 由于系統為安全生產管理提供數據支撐，因此要求 7*24h 不間斷工作。3.2 系統整體設計系統整體設計 3.2.1 設計理念設計理17、念 利用先進的人員定位系統，可以有效地加強對現場操作人員、技術人員的安全管理，實時定位現場人員，直觀及時地反映廠區內的作業情況、人員狀況，提高人員安全保障的力度及效率，是人員安全監控管理的有力工具。3.2.2 設計原則設計原則 整個系統方案的設計貫穿以下原則：先進性先進性 整個系統選型，軟硬件設備的配置均應符合物聯網要求，采用先進的 UWB 技術，現場定位精確至樓層，領先同類產品。穩定性穩定性 網絡的穩定性對系統的可用性和使用率來說至關重要，因此硬件設備采用高速以太網，為網絡高可用性提供有力保障。11 開放性開放性 系統中的硬件設備均采用標準接口，便于第三方設備的接入。網絡設備遵從國際、國內標18、準，使網絡具有開放性和兼容性，本方案所選用的產品均能夠與當前網絡設備兼容或提供相應接口。低成本低成本 系統可以充分利用有線網絡線路進行 POE 供電，在復雜的環境中具有靈活的安裝方式，大大降低了實施和維護成本。可管理性可管理性 具有良好的可管理性，每臺基站具有 WEB 連接功能，可通過界面化的配置方式進行快速管理，對此系統遠程管理、遠程升級、準確判斷故障等功能能夠使網絡管理人員能方便及時地掌握故障等信息，能簡便地對網絡進行配置和調整，確保網絡工作在良好狀態。易操作性易操作性 系統的易操作和易維護是保證非計算機專業人員使用好一個系統的條件，我們的方案集中了已有的豐富的施工經驗，以及在物聯網領域強19、大的產品優勢，實現所需的設計需求，系統操作簡單，易操作，易維護。3.3 系統可選功能分解系統可選功能分解 3.3.1 實現立體定位實現立體定位 需要能實時識別出工作人員具體位置定位精度 1m 內。3.3.23.3.2 數據回放數據回放 系統數據實時保存至后臺數據庫，全部信息支持歷史檢索及回放。12 3.3.3 人員分組管理人員分組管理 系統支持人員分組管理，不同組別的人員擁有不同的權限。3.3.4 標簽智標簽智能休眠能休眠 為增加待機時長，減少無線射頻信號發射，標簽增加智能休眠機制，當人員脫離定位區域后、標簽靜止等情況下標簽智能休眠。3.3.5 區域告警區域告警 針對部分危險區域，按照人員權限20、判斷是否準入，檢測到非法進入系統及時給出告警；對于有權限人員進行區域內人員靜止檢測，當人員長時間未活動時系統給出告警信息。3.3.6 SOS 報警報警 當人員出現危險時，按動標簽自帶 SOS 報警，可將及時地將報警信息發送至管理平臺。3.3.7 低電量提示低電量提示 定位設備具有自檢測電池電量功能，當設備電量低時提示及時充電。3.3.8 考勤輔助考勤輔助 基于系統高精度定位的特性，可在廠區入口等任意位置加設定位設備實現考勤輔助功能，記錄出入廠區記錄并記錄時間。3.3.9 指定提醒功能指定提醒功能 系統可向標簽下發指定提醒，標簽通過內置蜂鳴器及震動器進行指定模式提醒。13 3.3.10 人員靜止21、人員靜止檢測檢測 設備內置靜止檢測傳感器，當檢測設備長時間未運動向系統提交靜止信息，系統根據設備所在區域判斷人員未攜帶設備或發生危險情況。3.3.113.3.11 訪客管理訪客管理 攜帶有定位標簽的訪客可實時掌握所處區域，可為訪客定制區域權限。3.3.123.3.12 資產管理資產管理 可通過為特定車輛、資產加裝定位標簽實現車輛、資產實時定位。3.4 系統部署方案系統部署方案 該系統部署整體規劃分為鍋爐復雜區域、傳送空曠區域、控制室等室內區域三部分。3.4.1 系統組成系統組成 系統主要由計算服務器、定位基站、人員標簽組成。14 3.4.2 系統應用架構及功能系統應用架構及功能 3.4.3 工22、作流程工作流程 標簽發射出 UWB 信號基站接收 UWB 信號計算服務器進行數據解算計算服務器輸出定位數據至上級應用系統。3.4.4 基站基站方案方案 3.4.4.1 部署方案部署方案 定位覆蓋區域為 Q312 線加廠房主通道。該區域細分為三種區域類型，分別采用不同的定位算法實現定位精度與成本及可操作性的高效平衡。主通道、產線內側至外墻通道及產線一層平臺為精確定位區域，該區域空間寬闊，兩側安裝位置較多，采用二維精確定位。產線二層、三層區域為狹長的巡檢步道，可放棄水平方向的精度，采用一維直線定位。產線兩側控制大廳及各操作間空間狹小，內部封閉，適于 0 維進入檢測。15 二維定位區域分布原則：二維23、定位區域分布原則：1)底部無遮擋區域主通道。該區域遮擋不嚴重，可將主通道、產線底層、產線內側至外墻通道合并，基站對稱安裝于兩側外墻，基站間距50-60m，遇對側房間遮擋則安裝至房間頂部以躲避遮擋。預計基站數量為12 臺。16 2)頂部一維+二維定位：因暫時無法判斷頂部全局環境，而一維、二維定位均需對稱安裝，故該處暫定為二維定位安裝方式，二維難以實現的區域采用一維定位，安裝方式不變。基站間距同底部主通道，預計為 20臺。3)產線遮擋嚴重區域底層。該區域產線遮擋嚴重，左右兩側信號不能穿透，故需分別做定位覆蓋。主通道區域基站對稱安裝于兩側產線爬梯位置，間距約 47-50m。基站數量約為 10 臺。產24、線內側區域因相對較窄且遮擋較多，故基站間距適當縮短，至 30m 每兩臺，預計基站數量為 12臺。4)控制室。控制室內相對空曠，可采用 2 維精確定位或 0 維進入檢測，基站數量分別為 3*2=6 及 1*2=2 臺。預留 10%備用，基站總數約為 68 臺。17 3.4.4.2 網絡網絡架構架構 3.4.4.3 基站選型基站選型 定位基站選用產品型號為 HXZK-SN。3.4.4.4 基站安裝基站安裝 產品圖片產品圖片：18 19 適用適用環境環境 適用于存在室內環境下固定場所。適用溫度范圍廣，最高 75，最低工做溫度為-10；適用工作濕度為0%90%無凝結。主要主要技術參數技術參數 供電：D25、C12V/POE；功耗：5W；組網方式：高速有線網絡連接；工作溫度：-1075；工作濕度：-40C to 90C；安裝方式：支架；凈重：559g；外形尺寸：161mm*131mm*31mm;外部接口：SMA 接頭*2；DC 插頭*1；安裝螺栓間距：135mm*75mm。結構說明結構說明 1.本產品為室內型定位基站，增加散熱孔降溫，請注意防水。2.易損件：橡膠堵頭。裝裝環境選擇環境選擇 本產品應安放于盡可能高處，避免緊貼墻壁及金屬物體，安裝、聯調完畢后請勿輕易移動基站位置。20 安裝安裝說明說明 1.基站安裝時應注意天線務必向下垂直于地面。2.基站供電及網絡均由 8 芯網線接入，網線品質需保證 26、8 芯超五類以上。3.供電電源 DC12V，工作電流 180ma。3.4.5 標簽方案標簽方案 人員佩戴標簽選用型號：HXZK-AQM。產品圖片產品圖片 21 適用適用環境環境 適用于存在室內環境下固定場所，可安裝于安全帽內、外側或肩部，獨特的天線形制設計使得該款標簽具有更高的穩定性及更好的定位視野。適用溫度范圍廣，最高 75，最低工做溫度為-10；適用工作濕度為0%90%無凝結。佩戴方式佩戴方式 標簽采用 3M 魔術貼粘合方式固定于安全帽內側頂部，工作環境下保證可靠固定，充電、維護等情況下可快速摘取。3.4.6 服務器選型服務器選型 服務器硬件需求：推薦操作系統 WINDOWS 10 或 L27、inux 烏班圖 14.0 系統，處理器不低于 I5 CPU，運行內存不低于 8G，硬盤空間不低于 1T。3.5 設備參數及規格設備參數及規格 3.5.1 室內型定位基站室內型定位基站 HXZK-SN HXZK-SN 是一款 IEEE802.15.4a 定位基站，可以支持 ToF/TDoA 兩種定位方法，也支持無線精確測距，其測距精度達 5cm。該設備為 UWB 高功率設備，在視距模式下，工作距離超過 100 米。主要應用在遠距離，高精度定位，可以應用在工廠人員定位，倉庫物資，機器人/AGV 等廣泛的領域。該設備采用有線回傳的方式，通過交換機可以連接到計算引擎。HXZK-SN 采用寬電壓 DC28、 1257 V 供電，也可以通過網口進行供電，支持標準的 802.3af/at PoE 供電，可以通過 PoE 交換機集中管理。22 HXZK-SN 設備支持溫度范圍達到-2065 攝氏度。可以通過支架安裝。產品特點產品特點：802.15.4a UWB 無線 高精度，測距精度可達 5 厘米（標準差）高功率，視距工作距離大于 100 米 外置全向天線 802.3af PoE 供電 產品圖片產品圖片 23 產品規格產品規格 項目項目 描述描述 概述概述 產品名稱 HXZK-SN 相關規范 802.15.4a 接口 DC 供電口 RJ45 10/100M LAN SMA(UWB)按鍵 Default29、 按鍵 輸入電壓 DC 12V 57V 平均功耗 100 米6.8Mbps 無遮擋 測距精度 5 厘米（1 萬次標準差）時間同步 無線時間同步 配置方式 服務器配置 網頁配置 配置管理 基于 Web 的用戶管理接口(遠程管理/本地管理)TFTP/HTTP 軟件升級 網絡協議 DHCP 客戶端 備份 IP 備份 IP 連接計算引擎 廣域網 IP 或 域名 自動發現 上行接口 Interface B 物理規格物理規格 尺寸(毫米)16113131 重量(克)559 25 環境規格環境規格 溫度 工作溫度:-2065 存儲溫度:-30C75C 濕度 工作濕度：0%90%無凝結 存儲濕度：0%90%無30、凝結 RoHs 兼容 3.5.2 人員定位標簽人員定位標簽 HXZK-AQM HXZK-AQM 是基于 UWB 技術開發的高精度高功率定位標簽，該標簽支持頭盔佩戴方式。支持 TDoA 和 ToF 兩種定位方式。該標簽主要用于特殊場景的人員定位。產品特點產品特點：802.15.4a UWB 無線 高精度，測距精度可達 5 厘米（標準差）高功率，視距傳輸大于 100 米 內置板載天線 大容量可充電鋰電池 SoS 按鍵 26 產品圖片產品圖片、27 產品規格產品規格 項目項目 描述描述 概述概述 產品名稱 HXZK-AQM 相關規范 802.15.4a 充電接口 Micro-USB 按鍵&開關 電源31、開關 SoS按鍵 充電電壓 DC 5V 瞬時功耗 1個月（ToF）6個月(TDoA)刷新率 0.01100Hz（可調）三色LED（單）工作中 綠色閃爍 充電中 藍色亮 充電滿 綠色亮（工作時，綠色閃爍）電池低電量 紅色閃爍 射頻規格射頻規格（UWBUWB）28 工作頻段 3.25GHz 6.75GHz(Channel 1/2/3/5)物理速率 110 kbps 850 Kbps 6.8 Mbps 輸出功率(25)-24dBm/MHz 信道頻寬 500MHz 天線增益 0.5 dBi 軟件規格軟件規格 UWB 工作模式 TDoA TOF UWB 有效距離 100 米6.8Mbps 無遮擋 測距精度 5 厘米（1 萬次標準差）休眠 智能休眠 告警上傳 SoS 按鍵 低電量告警 告警下發 振動 配置 UART 接口，CLI 配置 物理規格物理規格 尺寸(毫米)534527.4mm 重量(克)33.5 克 環境規格環境規格 29 溫度 工作溫度:-2065 存儲溫度:-30C75C 濕度 工作濕度：0%90%無凝結 存儲濕度：0%90%無凝結 防水防塵 IP54 RoHs 兼容