【学术论文】基于TDOA技术的工厂人员安防定位系统设计
摘要：
针对现代化大型工厂人员基数大、种类复杂难以管理以及生产事故频发等一系列问题，提出了一种能精确定位所有人员并防控人、机械之间危险隐患的工厂安防定位系统设计方案。该系统基于高精度TDOA定位技术，实现厂内人员定位、危险区域虚拟警戒、厂区空间划分以及摄像联动等预警控制功能，兼容现代工厂已有的摄像监控系统，在人员管理与安全生产方面，使管理者能够通过终端显示系统实时了解人员出入信息、厂区工作状况；通过终端预警控制系统接收危险预警信息，及时控制事故发生。将其应用在现代化大型工厂的安防系统中，该系统能够稳定地结合监控系统实现摄像联动，根据定位信息调控视频监控设备，系统的视觉分析算法可通过监控画面实时分析各种不安全状态，有效降低工厂事故发生率，提高管理效率。
现代化工厂已不是简单的生产与加工场地，它是包括了办公区域、生产研发、特种作业、仓库、餐厅后勤、停车场等多种场所的复杂区域。化工厂的火灾爆炸、机械厂的机械伤害、建筑工地的高处坠落以及生产车间的粉尘爆炸等事故在世界各地频发，大多数都是因人的不安全行为或者物的不安全状态导致的，因此安全生产是工厂赖以生存的根本。与此同时，工厂人员多样性使得管理者需要花费更多的精力与时间，但最后的效果却很不理想。
由于目前的到达时差（Time Difference Of Arrival，TDOA）[1]技术具有理论清晰、定位方法优化、定位精度高，以及所用的超宽带UWB[2]脉冲穿透能力强、信号保真且速率快等优点，本文提出了一种基于该定位技术的工厂人员安防定位系统设计方案，结合对现代工厂的安全隐患进行多方面的分析与总结，设计出针对前述不安全问题的人员安防定位安防系统。整个安防定位系统经过系统结构设计[3]、防控功能设计[4]、运行流程设计而成，不仅对传统的视频监控起到了辅助补充作用，还提高了管理者对整个工厂人员与机械管理效率。
TDOA定位简单来理解就是到达时间差，即移动待测目标(Mobile station)发出UWB(Ultra Wideband)超宽带脉冲信号到两个基站(Base Station)接收信号的时间差。系统只需要同步基站之间的时钟即可，避免移动待测目标因时钟不稳定而导致的误差。TDOA定位技术只需要得到时间差而非绝对的时间点，时间误差小，定位精度高。而到达时间(Time Of Arrival，TOA)定位技术则要求基站与移动目标保持严格的时间同步，这一要求在大多数情况下难以达到。
TDOA定位技术是安防定位系统的重要基础。TDOA定位原理来源于双曲线特性，即双曲线上的任意一点到两焦点的距离差相等，图1所示为两段相交双曲线，其中L1、L2、L3分别是移动待测目标到基站1(BS1)、基站2(BS2)、基站3(BS3)的距离。
假设移动待测目标的坐标为（x，y，z），已知第n个基站的坐标为（xn，yn，zn），在此以第一个基站作为时钟参考基站， 即可推导出三维立体空间数学方程组：
求解三维立体空间数学方程组：
高斯-马尔科夫定理表明，当各误差向量分量的方差相同时，误差方差最小定位精度达到最优。
在安防定位系统的设计过程中，根据TDOA定位技术[6]特性，本文通过系统结构设计、防控功能设计以及运行流程设计三部分，系统、清晰地呈现了系统的主体。
安防定位系统与已有的安防系统不会相互冲突，有辅助作用与增强原有的安防效果。以此为目标，设计了如图2所示的定位安防系统结构示意图，整个定位系统包括三部分：脉冲信号接收与处理、无线网络覆盖系统以及终端控制显示系统（如果有功能整合的需要，终端控制显示系统和控制室终端预警与控制系统可以合二为一）。
脉冲信号接收与处理的设备搭建方式有3种：存在性定位、一维定位、二维及三维定位。从图2可知，存在性定位通过一个微基站就能完成，一维定位需要两个微基站，二维、三维则需要3个及以上微基站定位。脉冲信号接收与处理过程是电子标签负责发出特定编码信号，微基站接收信号并解码计算出两者之间的距离。无线网络覆盖系统主要是利用工厂现有的电力线系统安装通信调制解调器接通宽带进行无线网络覆盖，微基站通过无线网络与系统进行数据信息传输交换，这种利用现有电力线形成的无线局域网络信号稳定、传输速度快且避免了传统复杂的网络布线，提高效率节约成本。终端控制显示系统通过网络得到微基站传输的数据信息，即每个电子标签与微基站的距离，然后系统通过编写好的MATLAB算法得出待测移动目标的坐标。
TDOA定位技术是安防定位系统中基础且重要的部分，但对于工厂中存在的各类安全隐患就需要运用TDOA定位技术以及机器视觉等技术有针对性地进行功能设计，图3所示为精确定位与不安全状态监测系统，涉及机器视觉检测人员准入、实时虚拟警戒线、电子警戒墙以及报警装置。
工厂员工以及外来人员的定位需要配置电子工作牌标签，系统通过电子工作牌发出的实时脉冲信号计算出对应人员或机械的坐标来实现定位。由于部分车间空间较大，使用旋转云台摄像代替传统的全方位布控摄像头，利用定位系统来控制云台旋转摄像。整个车间相当于一个三维坐标系，人与机器为坐标点，将车间中的危险区域与特种作业区域进行有等级权限的虚拟空间划分，如高压危险区域、库房重地等，一旦人员进入已设定网格内就会识别判断身份信息，在非特种作业人员或者外来没有权限人员进入时立刻产生警报，同时划定区间内的摄像设备拍照记录信息。
除了人员定位，系统还配备不安全状态监测，比如对员工的特种作业服饰要求、安全帽以及绝缘手套等，经过摄像头拍摄在终端控制系统及预警系统中进行分析处理得出结果，图4为控制室终端预警与控制系统。在视觉算法方面，系统添加了更高级的神经网络、机器学习、大数据处理等技术用来处理各种不安全状况。
2.3 运行流程设计
电子标签（超宽带脉冲运用开关三极管的短暂良性雪崩效应）发射特定编码的脉冲信号，微基站接收脉冲时间，通过时间差求出电子标签与基站之间的距离，使用TDOA定位原理计算移动目标坐标。安防定位系统按照划分好的空间进行识别监控，对达到危险区域内的非专业工作人员不安全状态进行分析处理，最后通过终端控制系统发出警告并将实时状态信息分类保存。整个系统都是自动进行的，管理者可随时查看信息记录，工作流程如图5所示。
人员安防定位系统是以TDOA定位技术为基础，进行算法编写、软件制作、系统功能设计。在设备安装完备的前提下，电子标签与微基站的距离测量值误差控制在0.1 m内；通过TDOA定位算法得到的人员坐标，横纵坐标误差控制在0.2 m内；虚拟警戒线、电子警戒墙等空间划分正确，与人员、机械的位置信息交互精确；摄像联动方面，坐标信息能控制相机云台旋转拍摄；视频信息能在系统机器视觉算法的处理下，及时反馈预警信息；利用显示记录功能，管理者能随时查询人员位置与轨迹信息，调出实时摄像画面，统计考勤。利用现有实验条件进行3组实验，实验结果及误差分析如表1所示。
本文所提出的基于TDOA定位技术的工厂安防定位系统是现代化监控系统的一个低成本、低能耗、高效率、高可靠性的辅助系统，主要特点包括：
(1)采用了目前最新型实用的TDOA定位技术，能跳出时钟误差问题达到提高精度的目的。该技术利用了双曲线特性，通过最小二乘求解矩阵得到最为精确的坐标。
(2)解决了现代化大型工厂人员基数大、种类复杂难以有秩序地管理问题。在本设计中，将工厂人员按照工种、工作区域划分空间，系统能快速记录人员的出入考勤状况，也能记录在工厂中的运动轨迹。
(3)完成了与现代工厂的视频监控系统的融合辅助。系统能随时随地输入人名或编号查看工人的坐标，并调用坐标区域内的摄像头查看该坐标区域能的情况，实现了实时监控摄像联动。
(4)运用了神经网络、机器学习、大数据处理等技术来处理人员不安全状况，提高系统预警能力。
(5)补充了现代视频监控系统中的不足，给大型工厂以及有重大安保需求的产业提供了可靠有效的设计基础。
参考文献
[1] 牟孝龙.超宽带无线定位算法性能分析[D].青岛：中国海洋大学，2012.
[2] 欧阳永艳，樊祥宁，徐平平，等.超宽带无线电中纳秒级脉冲产生研究[J].电子技术应用，2003，29(7)：44-45.
[3] 马钢.基于ZigBee的井下人员跟踪定位系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2008.
[4] 游战清.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.
[5] 田垅，刘宗田.最小二乘法分段直线拟合[J].计算机科学，2012，39(6A)：482-484.
[6] 李孝辉，刘娅，张丽荣.超宽带室内定位系统[J].测控技术，2007(7)：1-2.
作者信息：
胡自飞，文国军，梁荆璞，夏 雨
（中国地质大学（武汉） 机械与电子信息学院，湖北 武汉430074）