摘要：本文针对烧结球团工厂环境恶劣、安全管理手段落后的现状，提及一套基于UWB超带宽定位技术的烧结球团工厂高精度定位系统。本文阐述了系统整体架构，介绍了系统的硬件组成及烧结球团工厂适用的部署方式，规划了烧结球团工厂安全管理相关的系统应用功能。最终达到提升烧结球团工厂安全管理的技术手段以及管理效率的目的。

关键词：UWB超宽带技术；烧结球团工厂；安全管理

1引言

在烧结球团生产过程中，一线工作岗位环境相对恶劣，其包含高温、高粉尘、高有害气体、高空等危险因素，一旦掉以轻心，就可能误入危险区域，从而产生安全事故，在传统的安全管理中通常采用人工视觉监督的方式，其效率以及可靠性很低。由于管理技术手段以及人员素质相对落后等方面的原因，人员误操作以及误入危险区等行为导致的安全隐患仍有所发生，如何借助先进技术，提高生产效率并最大程度保障人员安全是关系烧结球团工厂员工人身安全的头等大事。目前多数烧结球团工厂对于预防人员误操作以及出入禁区权限等，缺乏有效的技术管理手段，特别是对于一线工作人员进行位置上的实时管理，使得安全问题难以进行有效的预防警告，并且一旦发生危险，不能非常及时的进行报警，响应滞后导致更加严重的后果。在事故发生后，更没有有效的数据支撑，安全责任无法进行有效追溯。

随着物联网技术的飞速发展，出现了多种定位技术，如RFID、蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等[1]，其中：蓝牙技术传输距离和传输速度差、定位精度低、高密度安装以及定期换电池导致其维护性差；WiFi技术信号实时性差，定位精度不高，抗干扰能力不强，周边的其他信号容易对其造成干扰；Zigbee技术定位精度不高，一般在5 m左右，数据堵塞现象严重，对于系统正常运行影响大；射频识别（RFID）技术抗干扰能力差，设施设备施工难度较大，维护成本高，系统不稳定[2]。随着超宽带（Ultra Wide Band， UWB）技术的逐步成熟，近年来被各行业逐步引入[3]。基于UWB超宽带技术的高精度定位系统因其精度高、抗干扰性强、功耗低、对信道衰落（如多径、非视距等信道）不敏感、不会对同一环境下的其他设备产生干扰、穿透性较强、稳定性好、部署间距远等优势而能够更好地适应烧结球团工厂复杂的工况环境。

针对烧结球团工厂的安全管理现状，以“安全管控”和“高效管理”为出发点，本文提及一套基于UWB超带宽定位技术的烧结球团工厂高精度定位系统，实现“集中管控+异常干预”新形态，对烧结球团工厂安全管理的技术手段进行了提升。

2系统架构

系统架构采用基于物联网通用体系架构的分层结构，分成感知层、网络层、服务层、应用层。基于以上四层技术架构，最终实现在复杂的异构网络环境中，对定位目标进行精准的定位、跟踪、调度与管理，实现灵活、可靠、全面的定位感知。

感知层包括定位基站和定位终端，并且终端分为工卡型、安全帽型、手环型，也可以根据需求进行定制，通过定位基站采集定位终端的信息，可以实现烧结球团工厂人、车、物的智能感知识别、信息采集处理，并通过数据通讯将物理实体与网络层和应用层连接。

网络层主要通过多样的网络传输形式高速的完成数据信息传输，其包括接入网、汇聚网和核心网。网络层可以依附移动通讯网络，包括各大运营商的4G和5G网络，也可以依附行业专用的网络资源。

服务层包括定位解析和实现应用层功能需要融合的技术手段，定位解析涵盖算法模型库、并发计算框架和解算解析引擎，实现被定位目标位置数据的解算解析。融合的技术手段包括信号处理、云计算、解析服务、接口服务、视频技术、数字孪生技术、大数据技术等，以此为基础才能实现应用层的各种应用。

应用层包括烧结球团工厂安全管理中的多种应用，实现多方面的智能化管理，包括人员位置管理、轨迹回放、区域授权管理、SOS求救报警、员工健康监测、视频联动、通讯联动、巡检联动、外包安全管理、车辆安全管理、三维可视化等功能。

此外，系统可通过Web、APP、大屏以及第三方接口服务进行访问，其特点主要体现为先进性、标准化、可扩展性、稳定性、安全性和易用性。

3系统硬件组成

系统硬件支持灵活的实施架构，从而实现烧结球团工厂不同应用场景下的定位功能，系统硬件主要由定位基站、传输网络、服务主机以及定位终端组成。其中，定位基站分布于烧结球团工厂不同场景下的几何边缘，实现对该区域的信号覆盖；定位终端附着于定位对象表面，支持人员携带、设备或车辆安装，当定位终端进入定位基站的信号覆盖范围内，定位终端则自动与定位基站建立连接；定位基站依据定位系统的协议规则完成定位数据的采集，通过传输网络将定位数据传送至服务主机，由服务主机对定位数据进行解析、存储和分析，最终形成各种功能应用也部署在服务主机。

3.1 定位基站

在烧结球团工厂区的各个建筑物内以及室外主要道路设置定位基站，主要采用TOF-TDOA（飞行时间及时间到达差）混合定位技术，由于涉及定位区域较大且条件复杂，根据不同的现场条件分别采取零维定位、一维定位、二维定位等方式，实现烧结球团工厂人和物的定位及管控。现场条件与定位模式对应关系如下：

（1）零维定位。含义：存在性检测，也可称为“点定位”，其主要目的是判断目标是否存在于某个特定的区域内。这种定位方式通常不需要确定定位目标的具体位置，只需要知道定位目标是否在预设的区域内即可。基站部署特点：每个零维区域仅要1个基站，摆放在区域正中心位置。常用场景：小房间，烧结球团工厂的小仓库、小配电室等。

（2）一维定位。含义：一个特性方向上的相对位置检测。也可称为“线定位”，能够精确定位目标在特定方向上的运动轨迹，不直接反映定位目标签在二维空间或三维空间中的具体位置，可结合厂区图纸或地图进行定位纠偏后反应其在二维空间或三维空间中的具体位置。基站部署特点：沿着需要定位的轴，每隔30m部署一个基站，拐角、路口根据需求及现场条件进行增加。常用场景：狭长的通道，烧结球团工厂的胶带机通廊。

（3）二维定位。含义：能够确定定位目标在二维平面上的位置，即需要确定定位目标在二维空间中的X和Y坐标。也可称为“面定位”，能够直接反映定位目标的平面运动轨迹。并可利用三角定位、最小二乘法等算法，确定标签在三维空间中的位置。基站部署特点：每个二维区域的四个角落至少各部署一个基站，根据实际面积和现场条件进行基站的增加。常用场景：空旷区域或大房间，烧结球团工厂大部分车间厂房

（4）混合定位。复杂场景下可将上述零维定位、一维定位、二维定位进行结合部署。

3.2 传输网络

传输网络可采用有线和Wi-Fi两种网络连接方式，主要根据以下几种情形进行网络连接方式的选择。

第一种，定位场景比较小并且简单（定位基站到POE交换机不超过100米）的情况下通常用RJ45网线和POE交换机的网络连接方式：定位终端和定位基站之间通过无线进行通信，每个定位基站与POE交换机直连进行网络通信和供电，通过这种方式，可为基于IP的网络终端实现“网电合一”[4]。

第二种，定位场景比较大的情况下，一般若现场有条件部署有线网络则推荐部署具有更高稳定性的光纤网络连接方式，采用光纤+光纤收发器，通过手拉手串联的方式，间隔100米设置一个光纤收发器，实现光电信号的转换，实现一个光纤头、多个基站节点的网络通信模式。

第三种，现场没有条件部署有线网络时，则可以使用Wi-Fi方式，为每个基站配置一个无线AP，用于通过Wi-Fi信道转发该基站的数据；并配置交换机及同型号无线AP，用来接收Wi-Fi回传的无线基站数据。

一般情况下烧结球团工厂内大部分区域建议使用有线（POE）网络部署，室外使用光纤网络部署，有特殊情况根据不同的定位场景选择最优的网络传输方案。

3.3 服务主机

服务主机设置在烧结球团工厂集控室或集控中心机房内，可使用单独的服务主机也可使用基于超融合架构的虚拟主机，服务主机负责系统计算和显示定位信息、实时的人员状态等，服务主机主要由定位解算服务主机、应用管理服务主机组成，定位服务主机主要实现大容量标签的原始数据获取、位置解算与坐标输出，主机服务主机主要用于部署基于定位数据形成的各种智能化应用。

3.4 定位终端

UWB定位终端有多种类型，主要根据应用场景和使用方式的不同进行分类，适用于烧结球团工厂的定位终端主要类型如下：

工卡型：该类定位终端外形类似于员工的工作证或工牌，携带轻巧方便。它们可以方便地挂在脖子上或夹在衣服上，从而实现人员的精确定位。

安全帽型：该类定位终端是专门设计用于安装到安全帽上的，其对安全帽的适配性较高，方便装卸。

手环型：该类定位终端以手环/手表的形式佩戴于员工手腕，其除了提供工卡型和安全帽型定位终端所具备的定位、SOS、震动、蜂鸣等功能，还支持部分健康监测功能，其缺点是充电后续航时间较短。

在烧结球团工厂大部分情况下建议使用工卡型定位终端，其成本低、续航时间长、携带方便，并且可以与工牌进行集成。小部分有安全帽型和手环型需求的可酌情使用，若有特殊需求可进行定位终端定制。

4系统应用功能及描述

系统用于对烧结球团工厂的人员位置进行精细化跟踪管控，系统支持数据索引及分析，通过记录历史数据，通过位置数据索引视频数据，保存大量事件数据，支持分析和挖掘，对点巡检路线、身体健康指标、人员待岗以及不安全行为进行实时管控。另外系统将UWB超宽带定位技术、数字孪生技术、视频监控等技术融合，具有很强的系统联动性，系统与三维场景、视频监控、报警求助、巡检系统实现联动，从而全方位了解烧结球团工厂的现场情况。主要功能如下：

4.1 人员位置管控

对烧结球团工厂各类工作人员进行定位，实时显示或查看人员的位置及实时轨迹，实现任何区域内人员动态在线点名、缺勤人员自动快速定位等。主要包括功能：实时显示人员位置及轨迹，基于定位数据结合大数据技术还可以实现以下功能： 考勤管理、点名统计、岗位管理、超员报警、热图分析等。

4.2 轨迹回放

当需要对历史检修工作和事故进行追溯，排查故障和事故原因时，可以通过查看历史记录的定位、视频、状态、报警等数据，有数据依据地对事件进行评判和追溯。并可以通过人员、时间、事件等快速检索，快速取材，第一时间内出具有效的事件报告。系统支持多点位、多倍速轨迹回放。

4.3 区域授权管控

基于UWB定位解算提供的高精度位置数据，对不同权限的人分别管理，通过电子围栏的形式设置不同的授权区域，当人员进入危险区域或者非授权区域时，自动触发电子围栏报警，同时监控界面中会立即出发报警事件并进行记录。在烧结球团工厂应用中，对于在高压配电室、氨站、制煤间等重点监管区域的人员进出进行严格管控，可设置超时告警功能，一旦人员停留时间超出，则提示并进行现场和后台告警，其告警记录可推送给安全管理平台，对员工的安全行为进行记录。

4.4 SOS求救报警

在紧急情况下，通过定位终端上的SOS按键对后台发起SOS求救信号、也可根据健康状态（如昏迷等）自动发送求救信号，监控界面立刻获得报警信息及报警人员的位置，可迅速组织救援。突发情况发生时，系统将保留定位终端的最后活动位置，为救援工作提供重要参考，系统自动记录事故发生时作业人员总数、分布区域、人员基本情况等。

4.5 员工健康监测

选择手环型定位终端时，系统除了显示员工定位信息还可以实时显示员工的身体健康指标数据、并对健康数据异常进行分析和报警，形成健康记录并同步到厂内员工健康档案系统中。

4.6 视频联动

系统可以与摄像监控系统对接，通过在定位区域内安装相应的摄像头，定位信息与摄像头视觉位置匹配，实现重点区域视频联动、视频跟随、报警联动等，并支持多目标多画面同时跟踪，真正做到视频可视化管理。

4.7 通讯联动

与现场广播系统联动，实时跟踪被定位对象，可通过定位目标所在区域的广播设备与定位目标进行交互。当非法闯入或进入危险区域时，除了定位终端震动报警意外，定位目标所在区域的广播设备同时播报报警信息警示定位目标撤离。

4.8 巡检联动

实现对现场巡检人员实时管控，主要包括设备点检以及安全巡检管理，记录巡检人员的行走路径、检测点停留时间、与危险设备、危险源、危险区域的有效距离，与巡检系统中巡检计划联动，自动分析巡检人员的巡检路线、巡检时长、巡检次数并与预设的巡检任务进行比对及评审，从而提高了巡检管理工作的技术手段。

4.9 外包安全管理

可根据烧结球团工厂外包人员的工作范围设定临时或固定工作区域，并与现场安全风险管理分区权限做匹配，如有违反操作要求接近危险源、进入非外包工作区域或安全敏感区域系统自动记录违章行为，并留存对应外包人员的行动轨迹、影响记录，给外包人员管理提供实时、快速及可追溯的违章证据。

4.10 车辆安全管理

对于室外安装了UWB设备的烧结球团工厂，可对车辆安装UWB定位终端，按照车辆的类型分类管理车辆：内部车辆、固废车辆、外来车辆、危险品车辆、重型机械等，重型机械与危险品车辆一旦进入厂区即实时监控车辆位置，跟踪行走轨迹，并可联动视频查看，防止车辆进入无关区域或者危险区域。

4.11 三维可视化

采用最新的三维虚拟仿真技术，将烧结球团工厂所有的设施绘制成对应的三维模型，并与实际场景坐标系对应，结合实时的高精度定位数据，将把厂内所有人员及车辆虚拟地全部展现出来，管理者可以更直观、更全面得实时掌握人员基本信息、人员位置信息、生产安全信息等。

5结束语

本论文提出的引入UWB高精度定位技术，同时结合数字孪生技术、视频技术、大数据分析等技术，并实现定位系统与视频监控系统、通讯系统、巡检系统、安全管理系统等进行集成应用，将烧结球团工厂对安全生产管理的技术手段从被动式全面升级为主动式，完全实现全自动、全区域、全天候、全目标覆盖的主动式安全管控模式，针对“人、车、物”，无论是在复杂的室内建筑物环境，还是在室外环境都能完成精准的定位、追踪和监控，从而实现烧结球团工厂安全管理技术手段的优化和完善，增加了安全管理的效率，减少了安全问题造成的经济损失。

参考文献

[1] 汪义庭.基于 UWB 的无线室内定位系统设计与实现 [D]. 安徽理工大学 ，2019.

[2] 许万， 涂拓， 胡天宇， 胡新宇. 基于超宽带技术的室内无线定位系统设计[J]. 湖北工业大学学报， 2020， 35 （05）.

[3] 孙鹏亮， 汪文良， 智宝岩， 赵亚军. 基于UWB技术混合算法的工作面人员精准定位技术研究及应用[J]. 科技风， 2023， （32）.

[4] 何鑫， 王磊. 浅析以太网供电技术（POE）的有效供电范围[J]. 智能建筑电气技术， 2023， 17 （03）.

作者简介：

高品（1983.04-），男，辽宁锦州，本科，高级工程师，设计研究领域：冶金工业智能制造及先进控制技术。