基于UWB的定位技术在智慧水厂中的设计与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：张小强（1983），男，广东东莞人，本科，自动化工程师，信息部副部长，主要从事城市供水行业信息化、仪表、自控专业技术审核及管理工作。-12-基于 UWB 的定位技术在智慧水厂中的设计与应用 张小强1 杨 勇2 胡田力3（通讯作者）1.东莞市水务集团供水有限公司，广东 东莞 523112 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010 3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082 摘要：摘要：为满足人员的安全管理需求，实现水厂中人员的精准定位，通过对比当前市场上应用广泛的定位技术，并综合技术成熟度、定位精度及工程造价等因素，最终选定 UWB 技术实现人员的定位。本文详细介绍了基于 UWB 定位系统的技术架构、硬件及软件设计，阐述了系统与智慧水厂平台及其子系统之间的融合应用。实践结果表明，该系统定位精度高、运行稳定可靠、融合应用效果良好，助力了智慧水厂的建设和运营。关键词：关键词：智慧水厂；UWB；精准定位；融合应用 中图分类号：中图分类号：TP391.9 在水厂的生产及运营过程中，安全生产一直是水务公司关注的重要环节。其中，生产人员的不规范作业，考勤无法及时、有效地确认，外来人员的监控管理难，人员不安全行为、违章的预防，证据、痕迹追溯难等都是目前水厂生产安全管理面临的难点、痛点问题。因此，实现人员的精准定位，是水厂运营管理的迫切需求，也是智慧水厂的重要组成部分。1 项目概况 东莞某大型给水厂采用“预处理+常规处理+深度处理+膜处理+安全消毒”的全流程工艺，其设计规模为 110 万 m/d，是亚洲地区一次性建成的最大给水厂，其建设目标是打造具有标杆意义的智慧型水厂。该水厂具有如下特点：（1）占地面积大、建筑面积大。水厂占地面积约19.45 公顷（291.8 亩），总建筑面积约 71715.9m2，计容建筑面积约 44470.7m2。（2）建构筑物较多。共有 30 个建（构）筑单体。（3）全流程工艺。共有 32 个工艺段。（4）构筑物结构较为复杂、跨距大。例如，配水泵房上下 3 层，长 80m。平流沉淀池长 142m，宽 112m。（5）药剂投加种类多，有碱铝药剂、次氯酸钠、臭氧、高锰酸钾、粉炭等 7 种药剂。如此大面积、全流程工艺的水厂，在今后的运行维护过程中，需要大量的操作、维修、运营管理和外委维修人员，后续还有更多的参观、学习、交流及指导的各行各业的人员进入水厂。因此，亟需一套高精度、可视化的人员定位系统，用于采集人员物理位置信息、生命体征信息和设备状态信息等，该人员定位系统可结合智慧水厂的安防系统、BIM 应用系统及管控平台等，实现厂区人员可视化监控、智能巡检、轨迹跟踪及查询等功能，保障人员安全、规避生产隐患。2 技术路线 随着定位技术的快速发展，当前市场上涌现了基于不同技术的定位解决方案，下面分别从系统组成、技术原理及技术特点方面介绍目前市场上应用较多的四种定位技术，并对这四种定位技术方案进行对比和总结。2.1 基于 RFID 的定位技术 RFID 定位系统由阅读器、标签和数据管理系统三个部分组成，标签用于存储信息，阅读器用于读写标签内的信息，数据管理系统对阅读器及电子标签进行数据管理1。RFID 定位技术通过发射电磁波实现阅读器和标签以及其他阅读器的通信，待定位标签进入定位空间内，中央处理器通过比较待定位标签与其他参考标签的信号强度值，得出定位结果。RFID 技术非视距识别和低成本的特点，但其易受环境阻隔和干扰，发生能量损耗，降低定位精度。2.2 基于 WiFi 的定位技术 WiFi 定位系统由定位工作站、无线介质、待定位访问点和传输系统四个部分组成。该定位技术利用无中国科技期刊数据库 工业 A-13-线信号覆盖范围内的待定位访问点的各项信号数据，经过信号测量技术计算得到其空间位置。该方案可结合 WiFi 信号覆盖同步实施，造价相对较低，系统搭建较为简单，但 WiFi 信号带宽小，导致定位误差较大。2.3 基于 Bluetooth 的定位技术 基于 Bluetooth 的定位系统可分为四个部分：蓝牙信标、定位标签、传输网络和定位引擎，它是基于RSSI（Received Signal Strength Indication，信号场强指示）值，通过三角定位原理实现实时定位。基于蓝牙的定位技术容易受到外部噪声信号的干扰，信号稳定性较差，通信范围较小2。如果通过优化蓝牙设备的布设数量及位置，可提高定位精度，但其工程造价将大幅增加2。2.4 基于 UWB 的定位技术 基于 UWB 的定位系统由定位服务器、UWB 基站、移动标签和传输系统四个部分组成。该定位技术通过发送和接收高斯单周期超短时脉冲3，实现未知位置标签与已知位置基站、定位服务器的位置等信息传递。由于 UWB 信号作为一种高频率的正弦信号，其时间分辨率精度高（纳秒级），从而实现高精度（厘米级）的定位。UWB 的定位方案前期建设成本较高，但它定位精度高，设备稳定可靠、适合条件苛刻的环境，因此逐渐成为工业领域的首选。2.5 技术路线的选定 通过对上述定位技术的组成、技术原理和优缺点分析，总结形成下表 1。表 1 不同定位技术特点对比 信号载体 典型定位方式 定位方法 定位精度 优缺点 造价 RFID 基于信号场强定位 邻近探测、指纹定位 米级 成本低、体积小，距离短，无源标签无通信；易受环境干扰 低 WiFi 基于信号场强定位 指纹定位 米级 易部署；信号覆盖有限 高 Bluetooth 基于信号场强定位 邻近探测、质心法、多边定位 米级 功耗低、易部署；信号稳定性差 高 UWB 基于时延或到达角的几何解算 多边定位 厘米级 精度高；成本高 较高 根据上表 1 可知：RFID 定位技术、WiFi 定位技术和 Bluetooth 定位容易受周围环境干扰，技术信号稳定性一般，而且仅能实现米级精度，难以实现精准定位4。因此本工程选择采用基于 UWB 的定位技术实现水厂中人员精准定位。3 基于 UWB 的定位系统设计 3.1 系统架构 本次水厂采用基于 UWB 的定位系统实现人员的精确定位，它主要由智能移动标签、UWB 定位基站、网络系统、定位服务器和平台软件组成，其系统架构详见下图 1 所示。智慧水厂平台服务器定位服务器水厂内建构筑物UWB定位基站定位系统网络交换机UWB定位基站UWB定位基站UWB定位基站智能移动标签水厂中控室 图 1 基于 UWB 的定位系统架构图 智能移动标签和 UWB 定位基站是实现定位功能的主体部分，它采集人员的位置信息、生命体征信息和设备状态信息等数据信息，通过网络交换机、光纤将UWB 定位基站采集的数据回传到定位服务器，服务器经过数据解算实现标签位置的计算。3.2 硬件设计 本次基于 UWB 的水厂精准定位系统的硬件部分主要有智能移动标签、UWB 定位基站和定位服务器，其中智能移动标签、UWB 定位基站采用基于飞行时间的测距原理和 TDOA/TOF 的定位原理。3.2.1 智能移动标签 智能移动标签采用腕表型和工牌型两种形式，其中腕表型标签用于水厂中生产、维修及运营管理人员使用，可采集位置信息、监测设备状态和人员生命体征信息，续航时间至少为 10 天，防护等级为 IP65；工牌型标签用于水厂外委、参观及交流等人员使用，可采集位置信息和监测设备状态，续航时间至少为15天，中国科技期刊数据库 工业 A-14-防护等级为 IP65。3.2.2 UWB 定位基站 UWB 定位基站也称为智能标签阅读器，布设半径为50m 左右，局部有遮挡区域应加密布置。它采用 POE供电方式，电源取自就近的 POE 交换机。户外安装时，利用监控杆体或照明灯杆抱箍安装，户内安装时采用支架吸顶或是侧壁安装，它的安装高度距其所在平面2.8m 至 3.5m 不等，防护等级为 IP68。3.2.3 定位服务器 定位服务器实现智能移动标签的位置解算，并提供与智慧水厂平台（或其他第三方）的对接接口，其安装于监控中心的微模块机房内，电源取自微模块机房的 UPS 机柜。3.3 软件设计 基于 UWB 的定位系统在定位过程中，由 UWB 定位基站接收智能移动标签发射的超宽带信号，通过定位服务器进行定位算法解算，解析出位置信息。最终，定位软件系统结合智慧水厂系统实现一系列的智能化应用场景。3.3.1 UWB 定位算法 UWB 定位系统可以采用不同的定位算法实现位置解算，每种定位算法有一定区别，所要处理与得到的参数也不尽相同。TDOA（Time Difference of Arrival）定位方法，系统简单，脉冲信号带宽大，时间测量误差小，应用较为广泛。基于 TDOA 的方法也称为双曲定位，其几何原理如下图 2 所示。Tag服务器*BS1*BS2*BS3T1T2T0T3W1W2W3t1t2t3 图 2 TDOA 几何原理图 BS1、BS2、BS3代表位置已知的 UWB 基站，Tag 为所需要定位的标签。假设在T0时刻标签同时向 3 个 UWB基站发送脉冲信号，而 3 个 UWB 基站接收到该脉冲信号的时刻分别为T1、T2、T3。当 3 个 UWB 基站接收到脉冲信号后向控制中心单元发送确认通知，控制中心单元收到该通知的时刻分别为W1、W2、W3，而t1、t2、t3为 UWB 基站到控制中心单元在线上传输的时延。由于UWB 基站到控制中心单元的信号传输采用的是光缆有线通信，这一时间都可以提前估算出来，由这些时间便可以计算到达时间差 TDOA。式（1）为 TDOA 二维平面坐标计算公式，i,j指的是不同的定位基站接收点，分别以两个不同的接收点为焦点做双曲线，它们的交点就是所需要定位的目标。,=(0)2+(0)2(0)2+(0)2 (i,j=1,2,N)(1)式中，R,表示标签到第i个基站的距离与到第j个基站的距离之间的差值，(,y)指的是不同定位基站的位置坐标，(0,y0)为智能移动标签的位置。3.3.2 实时位置解算 在软件算法计算之前，有必要提前录入各个定位基站的测量坐标，作为输入参数，再加载算法程序执行解算，实现对标签位置坐标的计算。解算出的标签的位置坐标与基站的坐标处于同一个坐标体系中，之后可以根据不同应用的需要对标签定位位置进行处理和使用。结合上述 TDOA 几何原理，基于 UWB 的位置解算计算过程如下：（1）控制中心（服务器）单元收到信息通知的时刻分别为W1、W2、W3，根据各个基站到控制中心的线上时延t1、t2、t3，推出各个 UWB 基站接收到信号的时刻T1、T2、T3，如下式（2）；1=1 1，2=2 2，3=3 3 (2)（2）标签同时向 3 个 UWB 基站发送脉冲信号的时刻为T0，由各个基站接收到信号的时刻计算得出不同的 TOA，如下式（3）；1=1 0，2=2 0，3=3 0 (3)（3）根据不同基站的 TOA 计算两个基站间的 TDOA，如下式（4）；12=1 2，23=2 3，13=1 3 (4)最后将获得的 TDOA 值代入相应的算法，再参考已知 UWB 基站的位置就可以得到待定位标签的位置。具体软件流程图详见下图 3 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-15-开始启动结算程序载入定位基站坐标等参数标签位置解算启动区域判断最终位置解算结束测距预处理 图 3 定位位置解算的软件流程图 3.3.3 定位平台软件实现 在整个定位系统中，UWB 定位基站负责与定位标签进行 UWB 无线通信、采集数据，并与定位平台软件所在的服务器进行通信，实现位置数据的上传和系统指令的下发；定位平台软件，则是对定位数据进行各种处理，提供用户操作交互界面，并向用户展示反馈数据。定位平台软件一般基于 PC 端系统环境（如Windows 系统、Linux 系统等等）开发，同时需要部署数据库软件（Oracle、Mysql 等）来组织、存储和管理定位数据，并提供各项定位服务（如解算服务、消息服务、统计服务、推送服务等等），它支持上层应用、二次开发和第三方对接，来满足用户的业务需求。定位平台软件架构如下图 4 所示。基于上述选用的操作系统、数据库和定位平台软件的架构，通过汇编语言（C+、C#、Java、Python等等）将定位软件平台各项功能进行程序化实现。其中汇编语言各自都有配套开发环境、编译、调试工具支撑，均能满足复杂的软件功能开发的需要，以 Java汇编语言为例，在 Window 上开发用到 JRE 环境、IntelliJ IDEA 开发调试工具，可以开发WEB应用程序、桌面应用程序等。通过程序编程，将定位数据处理、业务应用流程、接口功能等等业务需求，编译成操作系统可以识别的语言，并转化为操作系统上可执行的进程，最终实现定位软件平台的各项功能。图 4 定位平台软件架构图 为助力智慧水厂的建设，定位软件平台提供丰富的应用功能，如位置地图管理、实时位置查看、电子围栏报警、历史轨迹追踪、热图分析、工时统计、自动巡检等等应用功能。另外，它还提供开放的 API 接口，该接口推送消息队列中的位置数据、报警数据、统计数据等，可以支持实现定位系统与智慧水厂平台、安防系统、自动化系统融合应用。4 结语 近年来，精确定位技术已广泛应用于自来水厂中，尤其在智慧水厂的建设过程中变得不可或缺，其中基于 UWB 的精确定位技术，具备高精度、低功耗、高可靠性的特点，有效地为水厂的安全管控提供了数字化的手段。在智慧水厂的生产运营过程中，通过智慧管控平台将定位技术提供的位置信息及其相关数据转化为可用的信息，同时与运营单位的管理机制、体制相融合，实现水厂的精细化管理，助力智慧水厂的高效运营。参考文献 1王翠香,邵星.基于物理层网络编码的 RFID 标签防冲突算法研究J.软件导刊,2015,14(12):53-55.2 CHEN Liang,KUUSNIEMI H,CHEN Yuwei,et al.Information filter with speed detection for indoor 数据库核心服务部署环境硬件架构x86ArmAarch64软件OSWindowsDocker数据库MysqlOracleLinux二次开发C+SDKJAVA SDKC#SDKJS SDK展示层Web定位应用AppPostgresqlHTTPWeb管理后台NSQ集群高精度定位解算服务权限管理硬件管理存储服务服务监控基础服务位置应用服务消息服务统计服务推送服务大屏应用中国科技期刊数据库 工业 A-16-bluetooth positioningC/The Institute of Electrical and Electronic Engineers(IEEE).Proceedings of 2011 International Conference on Localization and GNSS(ICL-GNSS)J.Tampere,Finland:IEEE,2011(1):47-52.3许辉.宽带卫星 IP 通信网络中的可靠传输技术研究D.成都:电子科技大学,2008.4闫大禹,宋伟,王旭丹,胡子烨.国内室内定位技术发展现状综述J.导航定位学报,2019,7(4):5-12.