UWB高精度定位融合低功耗蓝牙定位在危化企业的应用

一、项目背景

1.1 国家政策

国家部委持续发文，要求石油化工企业将“工业互联网技术”应用到日常

安全管理体系中，有效解决安全管理手段单一的问题，实现管理的信息化、感知化、智能化，其中“人员定位安全管理系统”是必建内容之一。

从21年3月到23年11月的政策中可以看出，政府在“明确范围、制定标准、推进落地、深化应用（聚集报警）”。

图1  政策概述

1.2 现状概述

随着物联网、大数据、人工智能等技术的快速发展，各行各业对人员定位管理的需求日益增加。特别是在工业4.0、智慧医疗、仓储物流等领域，精准的人员定位技术已成为数字化转型的关键驱动力。传统的定位方式，如RFID、Wi-Fi等，在精度、稳定性、覆盖范围等方面存在诸多不足，难以满足复杂场景下的定位需求。因此，开发一种高精度、低功耗、广覆盖的人员定位系统显得尤为重要。

UWB（超宽带）、蓝牙和LoRa（长距离无线电）作为三种主流的无线通信技术，各自具有独特的优势。UWB技术以其高精度、低延迟和强抗干扰能力，在需要厘米级定位的场景中表现出色；蓝牙技术则以其低功耗、低成本和易于部署的特点，广泛应用于室内定位导航、精准位置营销等场景；LoRa技术则以其远距离通信、低功耗和低成本的优势，在物联网应用中占据重要地位。将这三种技术融合，可以构建一个高精度、低功耗、广覆盖的人员定位系统，以满足不同场景下的定位需求.

1.3 行业分析

近年来，国内化工行业安全事故频发，造成了严重人员财产损失与社会影响，对行业的整体发展也造成了严重的影响。

石油化工类企业安全生产和厂区内人员安全一直是企业管理中的重要工作，也是主管部门对各企业进行安全生产管理监管的重要工作，在做好企业本职的安全日常管理工作以外，采用新技术、新理念、新方式，建设基于企业人员及物资安全管理的现代信息化智能管理系统，可以为企业发展保驾护航，提前预防潜在的危险，利用信息化、智能化的管理手断，不断提升自身的安全管理水平，为企业安全生产和员工生命安全保驾护航。

为此，我们设计优化了基于新一代融合定位技术的石油化工类的智能化人员位置管理系统及智能化巡检系统，帮助企业实现智能化的人员管理和安全生产管控；针对厂区管理的要求，我们针对性的设计了符合厂区安全管理要求，同时也符合主管部门管理要求的智能化整体解决方案。

1.4 需求分析

企业占地面积大，人员活动范围广，目前行为监管主要采取人管人的方式，人员安全管理技术相对薄弱、可视化调度手段相对缺乏。具体表现为：

u无法随时和准确地掌握厂区人员的运动轨迹；

企业面积大、人员分布分散，管理人员无法准确的获取厂区员工、外来承包商及访客的位置信息、工作状态，做不到实时监管。

u对于重要区域、重要时段监管不到位，无法及时发现安全隐患；

无法针对一些重点区域、重点时段、重点事件进行定向的精准管理，无法高效、快速响应事件。事故发生时，人员的位置无法确认，错失最佳救援时间，应急救援工作受阻，导致事故伤亡严重。

u部分巡检不到位，容易发生疏漏。

无法随时随地监管巡检工作（巡检点、巡检区域、巡检路线、巡检时长、巡检记录等），无法回溯历史的工作、报警以及事故，无法无遗漏地监管所有人员。

1.5需求痛点

Ø 某危险化企业厂区面积较大，部分重大危险区域、涉密区域按安全生产标准要求高精度的定位，通过电子围栏功能，判断人员是否离开特定范围；

Ø  室外空旷区域定位条件较好，不具备稳定供电和网络部署环境，定位基站施工难度大、造价成本高、施工周期长；

Ø  生产区框架、室内等空间存在复杂环境，不能使用路径推测等技术实现位置校准；

Ø  仅定位个别区域，定位活动轨迹不连续，不能满足企业对于全域定位轨迹查询需求；

1.6定位技术优劣对比

1) 蓝牙定位：

蓝牙定位技术的原理为蓝牙定位基于RSSII（Received Signal StrengthIndication，信号场强指示）值，通过三角定位原理进行定位。

优势：技术成熟、产品生态稳定、实施安全简单、成本低、线路简单易维护、功耗低终端续航长。

劣势：无法做到2米以内精度（动态）；5-7年需要更换信标。

2) UWB有线定位：

UWB定位技术又叫超宽带定位技术，该技术采用无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲通信从而实现对室内外人员的精确定位功能。

优势：定位精度高，定位精确度通常静态厘米级（工厂复杂环境1-2米）；.安全性高：抗干扰能力相对强；基站距离相对远。

劣势：设备成本高；施工复杂成本高；安装条件苛刻，遮挡环境效果实现不灵活；线路复杂不易维护。

3) UWB无线定位：

UWB无线定位和有线原理一样，是为了化工环境应运而生的方案，适用于不易部署且高精度需求环境。

优势：定位精度高，定位精确度通常静态厘米级（工厂复杂环境1-2米）；.安全性高：抗干扰能力相对强；基站距离相对远；设备相对有线成本低；施工简单；线路易维护。

劣势：5年以后需要更换电池。

4) 北斗卫星高精度定位：

北斗高精度定位技术是GNSS系统获取高精度实时动态定位的重要手段。

优势：现场无需部署硬件。

劣势：标签功耗高。（全天时卫星状态，1000ma容量为例使用2天）。在天空受到遮挡的复杂环境下，卫星信号会经过多次的折、反射造成信号误差，在室内等空间使用有很大的局限性。

5) 地磁定位：

地球本身是一个巨大的磁体，它在地理南北两极间形成一个基本的磁场。而室内地磁定位正式捕捉这种“室内地磁场”的规律特征来实现的，通过手机端普遍集成的地磁传感器去收集室内的磁场数据，辨认室内环境里不同位置的磁场信号强度差异，从而匹配自己在空间中的相对位置。

优势：定位环境不需要部署额外的硬件，完全零施工，方便用户进行大规模推广和应用。由于没有了硬件成本，室内地磁定位系统的整体成本也会大大降低。

劣势：稳定性差，每当环境有较大的变动，比如重新装修的情况时，需要重新对现场地磁数据进行采集更新，这相当于给用户带来了较多的工作量；地磁信号本身是容易受到金属物的干扰，环境又很难保持一成不变，假如用户周边突然出现驶过一辆汽车，现场磁场受到干扰，对其位置的获取势必有较多影响，因此地磁定位的稳定性值得商榷。

1.7定位环境分析

工厂环境分析与现场实勘，发现需要定位的环境有以下特点：

重点生产厂房、生产装置区均为砖混/框架多层结构，空间环境复杂；并且是重点关注的高危区域；这种空间环境对定位技术的考验非常高，尤其金属材质对无线定位信号的干扰较为强烈。

厂区道路和仓库、配电及其他室内区域、储罐区等区域，蓝牙定位技术已经完全可以满足全厂大部分的区域覆盖需求。

1.8定位技术选择

企业应综合考虑“定位精度、穿戴设备续航、安装施工量、效果实现灵活度、项目成本”等因素，选择合适的定位技术。

没有一种定位技术是完美的，都有各自的适用场景：

根据对使用环境的分析，如生产区精度3-5米要求，Lora+蓝牙方案即可，易部署、线路简单稳定易维护、技术简单成熟、成本低。

如部分区域对精度要求高，如1-2米以下，可选用Lora+无线UWB+蓝牙融合定位，高精度需求区域采用精度高、抗干扰能力强的无线无线UWB定位技术，易部署、精度高、线路简单易维护；其他区域成熟稳定的蓝牙方案已经可以完全满足。 此方案融合了Lora、UWB、蓝牙和4G多种技术，采用Lora+无线UWB+蓝牙室内外定位技术一体的定位标签，用于室内外 UWB 和蓝牙的无缝定位。其中UWB为高精度定位技术，多用于规范人员的安全规范作业，也可通过实时位置数据，赋能企业智能化运营和管控，定位精度为动态亚米级（1-2米）；其中本方案选择的蓝牙定位精度也为米级，融合定位从企业根本满足在重点区域和非重点区域两大场景中对位置服务的需求，将UWB高精度定位与蓝牙定位融合到一个坐标系中显示。

二、系统概述

结合当前最新的移动定位技术和通讯技术，融合UWB（超宽带）、蓝牙和LoRa（长距离无线电）作为三种主流的无线通信技术，将所有的定位设备及各智能化设备集成在同一个网络平台上运行，不仅方便了系统集中的统一管理，又便于今后系统的分布式扩展，从而保证本系统真正的成为智能化管理系统。系统通过人员标签卡与人员进行关联，管理人员可以根据实际需要实时查看相关人员的实时位置、历史轨迹、出入生产区门禁数据、人员基本信息等，通过图形化的展示界面实现对厂区人员的整体管控，通过区域超员/禁区/滞留告警、电子围栏、门禁出入管控、巡检管理、一键报警呼救、数据化分析等功能，实现对厂区的智能化管控，大幅提高厂区的安全性和管理效率，降低厂区生产安全隐患，降低人员安全生产风险，通过智能化功能与二道门出入系统、视频监控系统、生产管理系统的精准互联管控，实现对厂区人员、车辆的实时数据进行大数据智能分析管控，从而实现厂区智能化、数据化、信息化的管控目的。

人员定位系统通过人员定位卡、定位信标、定位基站等基础设施对厂区内部人员位置进行实时跟踪，具备人员基本信息管理、人员实时位置显示、异常情况报警、位置跟踪、电子围栏、统计分析等功能。

2.1化工系统建设需求简述

ü1. 实现生产区人员的定位管理（含外协人员），包括蓝牙、UWB结合；

ü2. 实现生产区内重点区域1-2米精度；其他室内区域3-5米精度定位；道路5米精度。

ü3. 实现各厂区的门禁改造升级和系统联动；

ü4. 对各厂区的车辆实现管理（具体根据各厂区的实际管理要求进行，系统建设时预留管控接口和功能）；

ü5. 实现各厂区的数据与管理平台互联互通；

 2.2系统架构图

2.3系统架构整体介绍：

定位技术：

本方案结合LoRa+蓝牙和UWB定位技术的优势，构建融合定位网络。LoRa+蓝牙定位技术用于实现室内和室外较低精度（3-5米）的广域覆盖定位，而UWB定位技术则用于实现高精度的局部重点车间区域定位。

LoRa+蓝牙定位‌：LoRa技术具有低功耗、广覆盖的特点，适合大范围部署。蓝牙技术则通过RSSI测距实现米级精度的室内定位。两者结合，既保证了定位的广覆盖性，又兼顾了一定的定位精度。

UWB定位‌：UWB技术具有极高的时间分辨率和定位精度，能够实现静态厘米级的定位。在化工厂和制药企业的危险区域和重点作业区域部署UWB定位设备，可以确保人员位置的高精度追踪。

2.4 定位原理说明

蓝牙定位原理图

2.4.1 蓝牙定位原理介绍：

n蓝牙定位原理：基于RSSI（接收信号强度）的测距技术是利用无线电信号随距离增大而有规律的衰减的原理来测量节点间的距离。根据读取节点射频芯片寄存器的值，可以得到发射节点的发射信号强度。接收节点根据接收到的信号强度，计算出信号的传输损耗，利用理论或者经验模型将无线信号的传输损耗值转换为距离值。该测距技术只需节点具备无线收发器即可完成，不需要增加额外的硬件，也正因此应用成本较低。

n全实时高精度系统：系统为全实时系统设计，秒级延时，实时上传定位区域内的人员位置信息进行后台数据交互处理；系统为全实时高精度系统，可对平面及楼层等实现定位信号无死角全覆盖，实现厂区精准定位和无死角定位；

n稳定性高：系统B/S架构设计，结合多种安全算法，软件稳定性高；

n大容量：大容量系统设计，支持>500个定位卡同时在线；

n3D地图系统：系统支持3D电子地图显示，支持3D系统360度自由旋转和控制，支持3D系统楼层分层显示和精确位置查询；

n存储方式：支持云端系统/本地系统管理；

n开放式数据接口设计：支持个性化定制，支持第三方平台对接；

2.4.2 UWB定位原理说明

UWB定位原理图

定位原理介绍：

nUWB定位原理：UWB（超宽带）定位技术是一种基于无线脉冲信号的高精度定位方法。通过在需要高精度定位的区域部署UWB信标，每四个信标组成一个单元，形成一个定位网络。UWB信标会定期发送具有纳秒级精度的脉冲信号，定位器在接收到这些信号后，会精确测量每个信标信号到达的飞行时间差（TDOA）。定位引擎根据这些数据，通过复杂的算法计算出定位器的三维坐标。UWB定位技术具有极高的定位精度，通常静态能达到厘米级甚至毫米级，同时拥有低延迟和强抗干扰能力的特点。这使得UWB定位技术特别适用于对定位精度要求极高的场景，如工业自动化、智能制造、机器人导航等。

三、定位平台功能简介

   系统主要包含人员定位（室内外及分层定位）、轨迹回放、电子围栏（超员报警、越界报警、串岗报警、静止报警等）、人员聚集风险预警（生产区半径15米范围内自动分级预警）、报警管理（SOS、低电、围栏等报警管理）、视频联动、数据上报、系统配置等功能。

四、定位硬件安装

4.1Lora网关安装

    安装数据网关的开孔位置和距离，在L形角铁上开孔。用螺栓将数据网关固定在L形角铁上。先用自攻丝将L形角铁固定在钢架上，然后再焊接固定。优先推荐桥架安装。

4.2道钉型蓝牙信标安装

      蓝牙信标设计膨胀螺丝安装（推荐）及免钉胶粘两种方式，根据客户现场需求及要求灵活安装。

3、UWB信标（无线基站安装）

       UWB无线基站一般固定墙体/支架角铁/定制抱箍固定，尽量避免天线贴近工字钢等金属。