室内定位技术在电厂设备巡检中的应用探究

蒋金容 曾垂栋 徐 博 杨 阳

（1.华能罗源发电有限责任公司，福建 福州 350602；2.福州中优奕信息技术服务有限公司，福建 福州 350015）

0 引言

“人防、物防、技防”一直是电厂企业安全生产追求的目标，可是如何保证人防的准确性、有效性，如何实现“人防、物防、技防”相结合，一直是困扰着大多数企业安全生产的核心问题，仅靠政策施压和管理制度的束缚，在人的惰性面前，始终显得苍白而无力，随着物联网技术的迅速发展，通过利用物联网、室内定位以及AI技术建立设备巡检监测预警平台，才能真正实现人机联动，为企业提供双保险的目的[1]。

以电厂为例通过建立设备巡检监测预警平台，可以真正实现将安全责任落实到人、监控项目落实到位，电厂领导、管理人员可以通过设立的大屏控制中心或手机实时查看人是否按规章制度操作、设备是否正常运行、系统运行指标是否正常等，可进行360°无死角的监控管理、定点抽查，出现问题责任直接到人，避免安全事故的发生、控制及应对。电力行业关系到国计民生，但由于电厂的特殊性，厂区范围较大、设备众多、管线复杂，设备安全巡检任务繁重，工作效率低，巡检质量差，如未能及时发现设备故障将会有大概率引发安全事故。平台通过先进的室内室外定位技术（精度1～2m），确保制度执行到位和执行的规范性，严格完成巡检监管、故障消除，从而避免作业效率无法落实、作业不规范等隐患风险。实现巡检点、巡检内容与巡检人员的高效人机联动，有效提升巡检的智能化水平[2]。

1 电厂设备巡检室内定位算法探讨

随着物联网的发展，很多公司都推出了IBeacon蓝牙芯片，2016年蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.0技术，IBeacon蓝牙5.0技术在室内定位，提高传输速度，增加有效工作效率方面与原有蓝牙4.2的技术相比都有了相应提升和优化。现在主流的蓝牙版本为4.0，支持低功耗蓝牙（Bluetooth Low Eneray,BLE），随着物联网的进步，蓝牙的发展异常迅猛，利用智能手机中的蓝牙，搭配不同行业及应用场景的APP，已成为主流发展方向，应用APP通过与智能手机无缝对接，蓝牙模块作为室内定位的已知节点向IBeacon蓝牙模块发送广播，智能手机或者其他节点IBeacon设备接收广播信息，可以从广播信息中提取已知节点的位置信息，通过实时监测蓝牙的信号强度来计算距离，目前在平面环境中通常以三角定位算法来计算定位信息。

IBeacon蓝牙中的三角定位算法是基于无线接收信号强度（Received Signal Strength Indication,RSSI）的算法，通过采集已知的三个点的坐标参数和周边未知点到这三个点的信号值（RSSI），通过算法来计算出未知点的坐标[3]。

在计算过程中第一步是将RSSI信号转换为距离：

式中：

d—距离，m；

RSSI—信号强度，为负数；

A—设备相距1m时探测的RSSI值的绝对值，数值的最佳区间在45～49之间；

n—环境衰减因子，需要通过多次测试并矫正参数，数值的最佳区间在3.25～4.5之间。

算法在采集到已知的三个点的距离后，通过三角定位公式求解未知点的坐标参数。如两个圆如果相交，必然会相交于一个点或者两个点，如果三个圆相交，必定会相交于一个点（特殊情况如三个采集探测设备在一条直线上，暂不考虑），所以通过算法公式可知要计算的未知点就是以三个已知的点为圆心，以这三个点与未知点之间的距离为探测半径，画出的三个圆彼此相交的交点，通过数学模型可转换为求三个圆相交的数学公式：

通过数学模型来计算未知点的坐标是非常难的，所以可以通过另一种计算方法来相对容易的计算出未知点的坐标：

（1）第一步通过判断两个圆相交，其相交是否相切（如：内切或外切），设定一个允许误差值d，公式如下：

d值为误差值，如果符合以上公式，默认相交的两个圆相切，其中d的数值可为正数也可为负数。假设两个圆相交为相切，可按以下公式求解：

（2）通过公式计算出x和y的数值后，接下来通过第三个圆进行测试计算，也就是计算出已知点到验证的第三个圆的圆心的距离，再通过和第三个圆的半径做对比，如果误差值不在允许范围，那么认为计算出的x，y是三个圆的交点，也就是未知点的参数坐标。

（3）假设任意两个圆没有相切，那么可以通过两个圆计算出两个交点，如图1。

图1 三角定位示意图Fig.1 The diagram of triangle positioning

假设两个圆的圆心分别是A，B，坐标参数为（xa，ya）和（xb，yb），两个圆的焦点分别是C，D，AB与CD的交点为E。其中，

式（2）转换为

式（3）减去式（1），得：

于是通过公式可以计算出CE的数值：

通过计算还可以获取E点的坐标参数(xE,yE)

然后通过公式计算出AB和CD的斜率kAB和kCD

这里要注意kAB为0的情况。

然后求得CD和x轴的夹角：

这时候就可以求得C（xc,yc）和D（xd,yd）的坐标

通过算法公式，计算出了两个圆的两个交点坐标参数，再通过第三个圆去做验证，就可以计算出三个圆的交点，也就是要计算的未知点。

但是实际情况电厂不是平面的，如何在三维空间实现室内定位算法，由此引入四点定位算法。

三点定位是通过使用几何的方式求解，但是放在空间就很难满足需求，所以四点定位使用高斯-约旦消元法求解逆矩阵来进行处理：

其中要计算的坐标点是（x,y,z），已知的四个点的位置为（x1,y1,z1），（x2,y2,z2），（x3,y3,z3），（x4,y4,z4），R1到R4为所计算的点到四个点的距离。

现在的任务就是求解上述方程，首先分解：

其中：

这时候就可以转换为矩阵相乘：

假设以上的矩阵为A·B=C，那么此时只需要计算出A的逆矩阵，然后把逆矩阵同时乘以等式两边，就可以计算出x，y，z的数值了。

2 室内定位技术在电厂设备巡检中的探讨

从总体来看，平台由系统管理模块、设备管理模块、标准规则管理模块、巡检任务管理模块、监控及报表管理模块几个基础模块组成，表现形态上巡检任务执行以APP端为主，管理后台以Web端为主，系统架构如下：

（1）系统管理。

组织机构管理：平台按照树状组织架构组建，支持多级关联，易于扩展。授权管理员支持对组织下的用户资料进行维护，包括检索、新增、删除、修改、移动功能。

员工管理：实现员工基础信息维护。

角色权限管理：实现用户、角色及其权限管理，设定用户所属的角色、用户密码等功能，实现了对角色设置、人员权限设置的全面、严格管理。

流程管理：对巡检流程进行管理。

数据字典：管理系统中使用的常量信息，为企业应用的业务形态定制提供基础支持。

系统日志：跟踪和查询用户的操作行为日志。

（2）设备（巡检点）信息管理。

实现对巡检点设备信息的统一管理，包括设备（巡检点）信息的增加、删除、修改和查询，设备（巡检点）属性包括设备名称、设备编码、设备地址、厂家、设备图片、设备语音介绍文件等。

在编辑设备（巡检点）的同时，可以设置该设备的巡检要求，可以灵活关联对应的巡检内容模板和巡检周期模板，实现在指定的时间指定的地点完成指定巡检内容的配置。

可通过配置，设置该设备的巡检计划的执行开始时间，在设备故障维修期间，跳过正常巡检计划。

在Web端和APP端均可播报该巡检点设备的语音介绍，点击巡检点设备信息的播报按钮，平台可语音介绍该设备的基础信息，便于新员工了解设备情况。

（3）规则管理。

巡检规则模板管理：巡检规则模板包括巡检内容模板和巡检周期模板两类。巡检内容模板明确巡检的项目、内容要填写要求，如温度采集、压力采集时可指定采集值的上下门限，便于异常告警；巡检周期模板则明确巡检的周期或时间要求，如巡检时间周期（一天内多次或多天一次）和巡检时间间隔的配置。管理员具备对巡检模板进行增、删、改、查的权限管理[4]。

设备巡检管理：将巡检规则模板和设备关联，实现每个设备要适配于具体的巡检规则，并能够自动生成相应的巡检任务，调度合适的巡检员进行巡检。

（4）巡检任务管理。

巡检任务管理模块依据巡检管理标准生成巡检的任务，实施现场设备的巡检，实现设备运行数据的采集，使巡检作业形成严格程序化的流程，并记录和分析巡检数据[5]。

将设备巡检数据上传到系统，对巡检实绩进行管理，根据设备的巡检实绩进行分析，作为设备技术和管理评价的基础和依据。

具备对巡检漏检的提醒功能，采用颜色、倒计时、连续未巡检次数提示等方式对任务进行提醒，避免漏检。

具备对巡检漏检及异常结果的统计，可以有效避免漏检发生，规范现场数据采集，严格按巡检计划执行。

（5）监控及报表管理。

异常告警管理：对巡检产生的异常信息进行管理，具有异常统计、分析功能。

巡检数据分析，并按照要求生成巡检分析报告。

能够根据实际内容自动生成报告，如巡检日报、周报等。

能实现报表的导出及打印功能。

（6）大数据中心。

平台整体情况：汇总整体的巡检信息，包括巡检点总量、告警数、巡查数等。

地图定位：通过地图可切换展示不同地域、楼层的巡检点信息、人员位置信息，并用不同颜色标识巡检点状态。

巡检详情：通过告警巡检点明细板块、巡检人员明细板块、告警排行榜板块、告警趋势板块等全面展示巡检的成果及设备异常情况，并通过图形直观的进行呈现。

平台总体应用架构，如图2。

图2 平台总体应用架构Fig.2 The overall application architecture of the platform

平台在技术架构设计时采用分层体系架构，在运行管理保障体系和系统安全支撑体系的支撑下分为系统支撑层、数据持久层、核心应用层以及接入层[6]。

运行管理保障体系通过评测规划、制度建设和组织建设，保证系统管理中数据的准确性、可靠性。

平台安全保障体系从物理、网络、系统、应用、管理等多个层面综合考虑[7]。

平台底层由智能手机及PC系统、APP平台和数据库系统组成。基础APP平台对上层提供包括Web服务、应用服务、面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）集成等基础平台支撑。

数据持久层是对数据业务处理的关键层，实现对前端接收数据甄别、过滤、业务分流受理之后再进行持久化；对前端请求的数据按数据域、权限控制域等选择提取数据。

核心应用层的应用功能通过统一的单点登录（Single Sign On，SSO）认证体系[8]，按需定制，实现对不同用户、不同权限功能的灵活配置，满足以下应用要求：实现对设备巡检点信息的采集和集中维护；实现对不同设备巡检点巡检规则的集中管理；巡检管理实现对招标方巡检业务的集中管理；实现对巡检异常情况的集中管控；设备基础信息的语音播报；实现各种巡查报表、分析视图的灵活生成、快捷查阅。

接入展示层中，采用Web网站和移动APP方式实现平台的接入。

框架应用是顶层设计的整体应用功能，是整个系统的基础，其他功能和应用建立在框架应用的基础之上。建设完成后，不会根据后期的功能开发而做大规模调整，各新功能开发完成后，嵌入或调用框架的接口，完成系统对接。

3 结论

在现场安装布置过程中，由于电厂环境的复杂程度不同，甚至会出现在空旷地带也无法实现符合无线电衰减的算法模型，有时还会发生信号偏移。

总体来说，通过IBeacon蓝牙设备建立电厂智能巡检系统是切实可行，虽然在环境布置和设备参数方面需经过多次调试，但系统能够真正实现“人防、物防、技防”的相互联动，通过技术手段实现定时定点强制巡查，规避人的惰性，才能将安全责任落实到人、设备监测落实到位。通过电厂智能巡检系统，企业管理层不再依靠政策和管理制度施压，对于制度的落实不仅可以通过APP实时对人、对设备、对系统进行实时管控，还可以根据需要通过Web大屏管理端查看数据信息，从而达到监管无死角，责任直接到人，避免安全和设备事故的发生。