基于狀態感知的變電站施工現場安全風險管控系統研究

冉一丁 龍錦壯 高 峰 王 健 吳金升 周金橋

（1.山東送變電工程有限公司 2.國網山東省電力公司煙臺供電公司 3.國網山東省電力公司建設部4.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

在變電站施工建設過程中，由于項目工期緊、地點偏僻、環境復雜、交叉作業多、施工單位多、人員復雜等特點，給現場施工人員帶來較多安全隱患，管理難度也相當大。在當前階段有不少研究人員通過技術手段與措施來實現變電站作業風險的預警，例如通過視頻監控加識別算法、無線測距算法等方式實現對現場施工人員的安全預警或違章行為識別。這些研究成果在降低施工人員作業風險方面取得了一定的成效，但是也有一定的局限性，例如出勤數據是現場人力管理的重要基礎，如果無法準確獲知項目中參加作業的人數，現場安全隱患就無處不在，但一些系統無法通過技術手段了解施工作業現場的出勤人數，因而不能達到及時預防、發現、阻止安全事故的目的，無法滿足施工組織設計中各項與安全相關的要求。

通過對目前一些基于UWB的變電站人員定位系統進行了解，發現其原理主要是以固定的硬件設備標識作業風險區域（相當于本研究中的基站），以移動的硬件設備標識作業人員（相當于本研究中的預警器），通過不間斷的UWB通信來測試作業人員與風險區域的距離，并通過判斷作業人員與風險區域的關系來進行風險預警［1］。

本研究通過在現有無線測距算法的基礎上，結合NB-IOT及UWB協議，實現變電站施工作業現場的人員管控，提供了支持安全管理人員對歷史及實時數據進行查看和統計分析的功能，以便實時了解施工現場的人員狀態，并在此基礎上對施工作業人員進行安全監督管理。

1 變電站施工作業風險預警方案的不足

1.1 晶振的頻率偏差對UWB測距的影響

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是一種無線載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。因此，在使用UWB進行測距的方案中，時間是一個很重要的因素。而在目前的基于UWB的測距方案中，其時鐘源都是使用晶振，晶振的頻率偏差會直接影響到設備的穩定性和精度。但在本研究中發現，基于晶振作為時鐘源的方案每秒會有毫秒級的誤差，這對于使用納秒級時間差來進行定位的UWB測距方案來說，將會產生較大的距離偏差，難以達到基于距離的安全作業管控的目的。

1.2 缺乏誤入未許可區域的實時監測功能

由于現場施工人員眾多，部分施工人員安全意識不高，有時候圖便利，會發生跨越網的違章等等，存在極大的安全隱患。有時候還存在因為危險區域標識設置不及時或者不明顯，導致非相關工作人員誤入的情況發生。

1.3 多人同時在線時系統效率不高

現有一些基于UWB的實時測距研究，它們從理論上證明了使用UWB方案進行測距的可行性。但在實際變電站施工現場，由于一個預警器與多個基站測距時，需要對每個基站進行TWR測距，總花費時間成倍增加，這將導致進行一次TWR測距需要更長的時間。而變電站施工現場存在著危險作業區多、作業人員多的特點，如果不能很好地提升多人同時在線時的系統效率問題，將大大影響系統的應用效果和使用體驗。

1.4 缺乏基于全站的工作人員風險狀態監控技術

目前變電站建設階段施工作業過程中，一些作業人員需要在風險區域進行作業，對于這類作業人員需要在其進入或離開作業區域進行主動提示；對于一些作業人員來說，可能還會誤入其他作業風險區域，對于這種情況除了進行必要的主動式預警以外，還應實現變電站層面的即時監控，對于誤入非授權風險區域的工作人員進行系統級告警，以提醒現場安全管控人員及時進行處理，達到多級監管的目的［2］。

2 系統工作原理

2.1 系統硬件組成

系統硬件組成包括預警器、基站、服務器、工作站等，如圖1所示。

圖1 系統硬件組成

預警器：預警器通常放置于安全帽上或隨身佩戴。預警器通過向基站發送測距請求，并基于基站的響應數據包進行測距。如果當前與危險源距離過近（即處于危險工作區內），預警器會進行風險預警。

基站：基站通常放置于有作業風險的區域中心?；镜耐ㄐ艑ο蟀A警器、其他基站及服務器。當基站接收到來自預警器的測距請求時，會對其進行響應。除此之外，基站之間也會進行時鐘同步通信。在施工作業現場選擇一個基站作為授時基站，其他基站與它進行通信以保證與授時基站的時間一致。在與預警器進行通信的同時，基站也會將預警器的距離通過NB-IOT協議上傳到服務器。

服務器：服務器上運行風險管控系統，系統內有各預警器、基站、危險工作區的定義，通過預警器硬件ID與工作人員進行綁定及基站硬件ID與危險工作區的綁定，在管控系統中就可以通過這種關聯關系清楚每個工作人員在施工現場中的具體工作區，是否存在與危險源距離過近的危險。

工作站：通過工作站上的瀏覽器可以實現更新系統配置，實時查看作業現場人員風險情況。

2.2 系統所使用的網絡協議

在本系統中存在中著多種網絡協議：UWB、NBIOT和LAN等。

UWB：超寬帶技術UWB是一種無線載波通信技術，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發射／接收機實現高速數據傳輸，因此在本系統中用于預警器-基站、基站-基站之間的數據通信，達到測距、時間同步的目的。

NB-IOT：NB-IOT是指窄帶物聯網（Narrow Band-Internet of Things）技術。NB-IOT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IOT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。在本系統中的基站采用了移動NB-IOT卡，以支持通過NB-IOT協議與遠方服務器進行通信。

LAN：工作站與服務器之間采用LAN相關協議，以滿足交互頻率高、數據傳輸量大的實時監控需求。

2.3 個性化風險管控設計

首先，將每個危險預警器和危險點基站硬件按類別分別進行編號，分配一個在系統中唯一的硬件ID；其次，將每個需要進入變電站存在作業風險區域的工作人員與危險預警器進行一一關聯；最后，將變電站多個存在作業風險的區域設為工作區，每個工作區均可以設置工作區半徑及工作區內允許進入的工作人員，并且每個工作區均與危險點基站的硬件ID進行關聯［3-4］。

這樣一來，在每個工作人員進入工作區后，與其關聯的危險預警器將與該工作區內的危險點基站進行通信。危險預警器發送的數據包中包含有危險預警器的硬件ID和危險預警器中的系統時間，危險點基站收到危險預警器發送的數據包后將會進行響應。危險點基站發送的數據包中包含有危險點基站的硬件ID、危險點基站收到數據包的時間和危險點基站發送數據包的開始時間，危險預警器收到危險點基站發送的數據包，根據測距算法即可知道自己是否進入了工作區。如果存在剛進入工作區的情況則會自動播放危險預警語音，如果危險預警器通過自身硬件ID與危險點基站ID判斷自己進入了未授權工作區，還會將此信息上傳到服務器端管理系統，現場管理人員就可以在服務器端管理界面看到該危險預警器關聯的工作人員進入了未授權的工作區域的告警信息，如圖2所示。

圖2 告警信息界面

3 針對現狀的改進

在應用UWB進行測距時，針對大型施工現場的安全管控，有一些可以改進和提升的地方，比如響應速度、多機之間干擾等，本文中提出了一些改進方法。

3.1 測距響應速度的提升改進

因風險提示作用的特殊性，預警器測距刷新率越快預警將越及時，由于UWB技術自身的特點，使用常規的TWR測距技術完成一次一對一的測距工作（包括靜空間隙）需花費1.5～2ms。當一個預警器需要與多個基站測距時，將依次對每個基站進行TWR測距，總花費時間成倍數增加，本文方法使用一種一對多的測距方法，一次請求可以完成對多個基站的測距功能，單基站平均測距時間降低到0.8ms，大大增加了測距刷新率。

常規狀態下，一個預警器與多個基站測距的方法如圖3所示。

圖3 常規測距方法

在本系統中采用的改進的測距方法如圖4所示。

圖4 改進的測距方法

3.2 針對多機之間干擾的改進

在使用6.8Mbps通信速度時一次TWR測距（包括間隙）需要花費1.5～2ms，且由于UWB不具備載波沖突檢測功能，若不采取一定措施，多個設備可能同時發起測距而導致測距失敗。在本系統中使用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術解決沖突問題［5］，將時間按每秒劃分為多個時間片，每個測距設備根據自己的編號依次使用時間片，時間片的時間長度（若1s劃分為500個時間片，每個時間片為2ms）大于測距所需的時間長度，以此保證多設備的測距問題。

在UWB測距系統中使用TDMA技術的同時需要保證基站與各標簽時間片的同步，使用無線同步技術（Wireless Clock Synchronization，WCS）實現各設備間的時鐘同步，基站每秒發出一條WCS報文，預警器在上電后一直處于監聽狀態，當收到WCS報文后切換到時鐘同步狀態，在接下來的1s內就有了時間基準，當各預警器都處于時鐘同步狀態時，就遵循了同一時間基準，各預警器根據自己的編號依次在對應的時間偏移進行測距即可。

本方法的原理如圖5所示。

圖5 原理圖

值得注意的是，使用本方法不但可以降低多機之間通信的干擾，也因為每秒1次的時間同步頻率大大降低了晶振的頻率偏差對UWB測試的影響，使測距更精準。

3.3 安全管控方式的改進

大多數基于UWB技術進行測控的研究中，預警器檢測到與基站的距離超過警戒半徑閾值就發出警告，在系統中并沒有相關的記錄。在本系統中基站檢測到進入危險區以及進入非授權區域，則會將相關信息上傳到服務器，在服務器端可以實時查看作業現場各工作區域內的正常作業人員和違規作業人員，并且還可以查看作每個作業人員與危險區域中心的距離。

系統還提供當前作業人員統計、人員狀態統計歷史圖等功能，便于安全管理人員全面掌握作業現場的人員情況，如圖6所示。

圖6 系統界面圖

4 結束語

本文在UWB相關研究的基礎上進行更深入研究，針對施工現場由于作業人員眾多導致設備眾多引起的測距性能低、多機之間干擾等問題，通過應用時分多址（TDMA）和無線同步技術（WCS）實現干擾降低和性能提高，在實際應用中取得了比較好的效果。針對當前的一些風險管控系統缺乏全面了解作業現場的現狀，系統引入NB-IOT技術將現場作業人員狀態數據上傳，實現變電站施工現場作業人員的風險狀態感知，便于現場風險管控人員的全面監督。