徐星宇

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏 仪征 211900)

2019年3月21日，位于江苏省盐城市响水县生态化工园区的天嘉宜化工有限公司发生特别重大爆炸事故，造成多人伤亡，直接经济损失约19.86亿元人民币[1]。由此看来，做好化工装置的安全预警和风险管控成为安全工作的重中之重。

为防范和遏制重大、特大事故，构建双重预防机制，江苏省应急管理局会同有关部门制定了《省应急厅关于印发〈江苏省化工企业安全生产信息化管理平台建设基本要求〉(试行)的通知》(苏应急〔2019〕88号)文[2]。围绕风险分级管控和隐患排查治理的双重预防机制[3-5]，化工过程安全管理和安全生产标准化等内容，建设集企业重大危险源监控系统、企业安全风险分区管理系统和人员在岗在位管理系统等的安全生产信息化管理平台[6]。该平台可切实落实企业安全生产主体责任，全面提升企业安全生产管理水平。该平台总体构架如图1所示。

图1 安全生产信息化管理平台总体构架示意

该平台中的重大危险源监测预警系统、企业安全风险分区管理系统可以依托企业现有的分散控制系统(DCS)、安全仪表系统(SIS)、可燃有毒气体探测系统(GDS)，通过监控及数据采集系统(SCADA)将采集到的实时数据上传到该平台数据服务器，然后通过PC或移动端显示。但是大多数企业未建设人员在岗在位管理系统，因此对该系统建设的需求，亟待解决。

人员在岗在位管理系统，又称人员定位系统，是指用于管理化工企业作业人员定时、定人、定岗履职的物联网信息系统，可通过生物识别、智能门禁、实时定位等技术，能够有效识别、跟踪作业人员及车辆的位置和行为。

1.1 人员在岗在位管理系统功能要求

根据苏应急〔2019〕88号文中要求，化工企业生产人员在岗在位管理系统主要功能应包括：

1)基础信息管理。提供卡口信息、人员基本信息、人员安全培训信息、岗位信息、车辆基本信息、进出区域权限信息等基础信息管理和维护功能，定位卡收发管理、双向人脸(指纹)识别、车牌识别、门闸车档控制、大屏信息公示等[7]。

2)定位管理。提供人员及车辆定位管理功能，包括基本信息查询、移动轨迹追踪、行动轨迹回放等，针对人员在岗、离岗、串岗及车辆越界、滞留等情况提供及时告警，实时获取现场的信息[8-9]。

3)告警管理。主要包括：
人员离岗、串岗、超员，电子围栏，车辆超速、偏离线路、违规停车、超时滞留等监控告警功能，一键呼救、声光、短信提示功能，告警事件闭环处理功能，手机查询与接收告警信息，以及具备各类告警触发条件设置功能。

4)危险作业管理。能够设定作业区域、作业时间、作业人员、车辆等信息；
监控作业区域，对非作业人员或车辆进入相关区域系统会自动产生越界告警，对于超出作业时间滞留人员或车辆发出滞留告警。对车辆越界、超员、缺员、超时等安全警戒及易燃易爆场所，实施动火，受限空间作业等区域设置报警区域并提供电子围栏绘制，具备在线人数自动统计和超时报警等功能。

5)视频智能识别。实时采集关键岗位视频影像数据，并使用生物特征识别技术鉴别人员身份以及判定佩戴个人防护器具的情况，在发现异常时告警。

6)告警实时监测终端展示。基于现场二维或三维地图等多种方式，实时展示生产区、高风险作业区、重点监控区等区域一键求救告警、区域人员告警，并可以联动实时视频。

7)应急管理。当遇到险情时，现场人员可通过定位卡一键求救按钮，及时发出求救报警信息，管理人员收到报警信号后[10]，通过视频监控和人员定位功能确定涉险人员位置，查看现场画面，实施现场应急处置。

8)数据查询分析功能。可按区域、类别、时间等条件组合查询当前人数、所处位置、人员及车辆轨迹等信息。查询结果可用表格、图形、曲线等方式呈现，人员、车辆信息可显示在厂区、装置区的地图上，多层装置能分层显示。

1.2 定位技术

当前主流定位技术包括：
超宽带定位技术(UWB)、北斗定位技术、蓝牙定位技术、WIFI定位技术和综合定位技术，其技术参数对比见表1所列。

表1 当前主流定位技术参数对比

1)蓝牙定位技术。服务器布置在中心控制室，现场布置约2个定位基站，定位基站和服务器之间通过光纤链接，在现场的路边、楼梯处、护栏等处布置定位信标，该信标无需供电，寿命约7～8 a。当人员佩戴着胸卡型定位标签(该标签需要充电一次可工作12～15 d)在现场移动时，通过胸卡和定位信标之间的通信信号强弱判断人员位置，实时通过定位基站上传给服务器，展示在定位平台三维立体地图上。蓝牙定位技术的架构如图2所示。

图2 蓝牙定位技术架构示意

2)北斗定位技术。该定位技术是依靠手持终端和北斗卫星实时进行平面位置数据交换，高度位置依靠安装在现场的差分基站来确定。该技术的特点是现场基本无施工，差分基站覆盖面大，可以融合5G网络，具有定位精度较高、实时性好等优点，也可以扩展为实时对讲、视频监控终端等功能。但是每年卫星租赁使用费为建设成本的10%～20%，综合全生命周期成本较高。

3)UWB定位技术。该定位技术架构和蓝牙定位技术相似，但取消了现场定位信标，依靠3个或4个定位基站确定人员位置。该定位技术优点是定位精度高、后期基本无费用、抗干扰能力强。缺点是前期建设成本比蓝牙定位高20%～30%，施工难度较大。

UWB定位技术利用事先布置好的已知位置的基站点，与新加入的信标点进行通信，并利用三角定位方式来确定位置。其定位信号采用UWB脉冲信号，由3个及以上的传感器分析标签位置[11]。UWB通信不需要使用传统通信中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，因此具有GHz量级的带宽[12]。该定位技术具有穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点。

UWB技术中一种核心算法——TOF测距方法，是根据时间飞行测距原理，确切的是指一个物体或粒子或声波或电波等其他波类在某种介质内穿越一段距离所用的时间[13]。时间飞行测距原理可以理解为飞行时差测距方法，传统的测距技术分为双向测距和单向测距[14]。TOF 测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在2个异步收发机之间往返的飞行时间来测量节点间的距离。TOF测距方法原理如图3所示。

图3 TOF测距方法原理示意

UWB设备分为定位标签和定位基站。例如在人员定位场景，每人会佩戴有一个标签，基站分布在被定位区域的多个位置。当标签在系统中运动时，移动标签首先向区域内所有UWB定位基站发送测距请求，基站端收到测距请求进行处理。经过一小段时间后向定位标签回复确认信息，将定位标签端发出信号和接收回应的时间间隔记为tToT，定位基站端收到数据包和发出回应的时间间隔记为tTAT。信号在空中的单向飞行时间记为tTOF，计算如式(1)所示：

(1)

标签和基站之间会通过无线信号收发至少3次，然后根据信号在空中的单向飞行时间和速度，可以得到标签和基站之间的距离信息。

UWB技术中另一种核心算法是到达时间差技术，又称TOA测距方法，其测距原理如图4所示。标签将数据包发送到被基站覆盖的区域内，附近的所有基站都会收到标签的无线信号，但不会返回任何无线信号[15]。由于各基站与标签的距离不同，因此消息到达每个基站的时间不同。信号到达不同基站的时间差乘以空间中恒定的光速得到标签和基站之间的距离差，可以形成多点定位计算的基础，从而确定标签的相对坐标。另外该技术的决定性因素是所有基站必须被同步。

图4 TOA测距方法原理示意

TOA方法功耗较低，算法复杂，对设备要求较高，但是综合考虑后发现该方法会优于TOF测距法。由于TOF测距法流程简单，所以相对TOA方法来说更容易开发，对功耗没有要求的场景完全可以满足。

某公司罐区主要储存装置生产原料液化烃，由多个大容量的球罐组成，附带槽车卸料、压缩机、输送泵、卸放设施、机柜间和配电站等辅助设施。大部为平面结构，局部为多层结构，有三个楼梯。

采用UWB技术人员在岗在位管理系统在现场布置27个有线定位基站，给其提供24 V供电，数据通过光纤回传至电信机房的服务器。

一层平面采用二维定位，实时定位人员的具体位置，并输出地面高度信息，定位基站安装于围墙或管架上。围墙上的基站天线需与墙壁保持一定距离，一般高出围墙2～3 m；
管架上基站固定于管架上，将天线支出管架，尽量避免遮挡。二层平面采用二维定位，定位人员位置，并输出二层高度信息，安装位置可固定于二层围栏杆上。楼梯采用三维定位，竖向安装2台基站，以输出标签的高度信息。定位基站测试时需将基站信号测试台摆放在基站部署点位，使用定位标签实际测量点位的覆盖范围与信号死角，调整基站、天线方向，确保信号覆盖。

现场基站布置好后，通过无人机测绘3D和2D分层地图，并将具体的定位基站信息固定在地图上，这样就可以根据各个定位标签和基站的距离计算出位置信息，以固定的频率上传至服务器达到定位的目的。

随着化工装置安全要求的逐步提高，5G技术的普及、数字工厂和智能化工厂建设需求的增加，建设一个覆盖全厂的安全管控平台已是迫切的需求。相信在不远的将来，必将有更先进的室内外人员定位技术，可以指导和保障危险化学品生产、运输和储存企业的安全性和可靠性。

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