基于UWB 定位技术的监所智能巡控管理系统

编者按：本文提出通过使用超宽带高精度室内定位技术，实时记录巡逻轨迹和警务人员在每个监室窗口前的停留观察时间。这将作为警务人员的工作考核依据，彻底解决对警务人员巡逻任务无法有效监督的长期问题，为监所增添一道有力的安全防护屏障。

长期以来，警务人员的巡逻行为无法得到有效的监督，国家法律规定的警务人员定时巡视监室的工作内容变得敷衍了事，巡而不视的现象已经成了常态。这不仅造成巡控岗位的效用大打折扣，还会疏漏监所中隐藏的众多安全隐患问题，酿成严重后果。

随着定位传感器、数据采集装置、多元化组网通信等技术的广泛应用，通过定位感知技术提升监所安全等级，促 进监所管理的智能化已经成为可能。

方案设计

1.总体实现架构

本文提出的设计方案总体架构如图1 所示。在监所巡逻走道内每隔30～50 m布设接收一个UWB 超宽带信号的接收基站，巡逻警务人员需佩戴企业员工工牌尺寸的定位标签卡，基站和标签卡中均设有UWB 信号处理模块，标签卡保持广播UWB信号状态，基站设置为实时扫描并接收UWB 信号状态。基站将接收的信号通过以太网传送至软件系统端，系统端的位置解算模块将标签卡数据实时解算成警务人员位置信息。定位功能模块则根据位置解算模块传送的位置信息对警务人员巡逻位置及巡逻行为进行实时界面展示与监督。

图1 方案架构图

2.硬件设计

本文方案的硬件设计部分为佩戴在巡逻警务人员身上的定位标签卡，和安装在巡逻区域的定位基站。下面对设计原理和思路进行介绍。

（1）UWB移动标签设计方案

定位标签卡的作用是实时将警务人员信息和时间戳信息，通过UWB 广播信号形式发送出去。为了增强定位标签卡的实用性，标签卡设计为能在警务人员遇到危险时实时SOS 报警，标签低电量时发出充电指示提醒，标签静置一段时间后进入休眠模式保证功耗续航。为了实现上述功能，UWB 标签由充电管理、DW1000系统、MCU 系统、震动传感器、报警系统和显示系统组成。具体实现架构如图2 所示。

图2 移动标签设计原理图

图3 基站设计原理

由总体硬件设计框架可知，嵌入式程序主要实现以下功 能：SOS 报警；UWB 原 始信号广播传输；震动监测；电量管理。设计思路是主控程序定时启动DW1000 模块发送UWB 信号数据帧，并定时检测当前系统的震动状态，震动状态下整机处于工作状态，停止状态下将启动整机停机状态。同时，实时检测按键，响应按键操作，上传报警指示；还可以改变指示灯的工作状态，来指示当前MCU系统状态，长亮表示充电状态，快速闪烁表示初始化状态，0.5s闪烁并闪烁10 次表示报警状态。

（2）UWB 参考定位基站设计方案

UWB 参考基站的作用是实时扫描移动标签发送的UWB 信号帧，并将信号及基站自身的信息数据打包实时上传到服务端系统。整体设计主要由POE 供电系统、DW1000 系统、MCU 系统、以太网通信系统、串口通信、EEPROM 存储、适配器供电系统（预留）和WiFi 通信（预留）等组成。此外，驱动支持串口通信和EEPROM 存储。具体基站设计原理如图3 所示。

图4 智能巡控管理系统功能框架

系统功能模块设计

智能巡控管理系统以感知层移动目标点位置数据为基础，通过定位系统服务器采集感知层定位基站接收的移动标签卡的数据，基站本身数据，进行综合位置解算，以此判断警务人员巡逻过程中的位置和移动轨迹，并结合视频联动数据，实时分析和监督警务人员的巡逻任务完成情况。

监所智能巡控管理系统运行流程如图4 所示：感知层数据通过以太网上传到服务端之后，服务端通过UDP数据传输协议进行数据接收。因为数据帧发送频率较快，数据会持续滚动产生，而且数据量较大，本文设计将数据存储到大数据贮存库，同时，通过非关系数据库MongoDB 对其进行半年的存储作为短期备查。在业务层设计方面，本文采用RabbitMQ 消息中间件进行中转缓存，和Web 端业务展示系统进行HTTP 数据通信，将位置和移动行为轨迹进行实时的界面展示。对于业务层数据，系统架构采用分布式原理，将地图数据和警务人员业务数据、包括姓名、工号和组织架构等，通过Restful API 接口层与前端进行通信及功能交互。

系统的实现功能主要有：

1.定位解算和数据概览。系统通过定位解算功能模块，实现定位数据的解算，并在解算引擎中保存解算的定位日志。根据实时业务数据，从多个维度进行数据分析，得出监所的警员出勤情况、突发事情发生及处理情况、警务人员工作任务完成情况等。

2.实时定位。系统通过底层感知数据和持久层的业务数据，将位置数据实时展示在中控大屏界面上，监所管理人员可以在中控室大屏上实时看到警务人员的实际巡逻移动轨迹。

3.轨迹回放。系统可保存历史轨迹数据，并可根据个性化需求展示警务人员在历史巡逻任务中的移动轨迹，查看警务人员在每个监室停留观察的执行情况。

4.SOS 报警。警务人员遇到危险时可通过移动标签的SOS 报警按钮进行求助，按下SOS 告警按键之后，智能巡控管理系统会收到信号，并发出语音提醒。

5.巡逻行为智能分析。系统通过智能分析模块，实时统计分析警务人员的巡逻任务完成质量，并给出客观考核的评判结果，作为警务人员的绩效考核判断依据。

6.视频联动。系统可根据实时定位情况，联动附近的摄像头，实现定位和视频的联动监控查看功能。

应用实例及分析

本系统已在江西某看守所投入运行。智能巡控管理系统的实时监控界面可通过中控室大屏上直观展示，实现对警务人员的巡逻行为监控。另外，除了实时监控，还可以通过时间和姓名检索，查看警务人员的某一天的巡逻轨迹，实时地看到警务人员的历史巡逻情况。并可点击视频联动。现场应用证明，智能巡控管理系统为监所巡逻监督管理提供了更加智能化并且更加有效的监督手段，保证了警务人员巡逻任务的完成质量，提升了监所的安全系数，且系统运行稳定。

1.警务人员巡逻行为考核

通过实时定位分析，可以统计警务人员巡逻次数、每日巡逻时间、对每个监室的停留观察时间，并设定阈值判定每个监室停留观察时间是否合格，以此计算出警务人员的巡逻成绩，并作为民警巡逻工作的考核判定依据。

2.智能分析评判

监所智能巡控管理系统中，最为核心的关注点为警务人员的每日巡逻次数、警务人员对监室巡逻观察的时间、警务人员巡逻总时间、发现处理的紧急事件，它们分别表征了警务人员的出勤情况，对每个监室停留观察情况，应对处理突发事件情况。通过这些数据的对比分析，可以看出警务人员的巡逻任务的完成质量。智能巡控管理系统以数据可视化的形式从多个维度对数据分析结果进行呈现。

（1）警务人员对每个监室巡逻总时间对比

智能巡控管理系统投入使用之后，相较于之前的巡更打卡统计方式，本文选取了6 位巡逻警务人员一个月的巡逻时间数据进行对比分析，警务人员的巡逻时间平均增加38%，对每个监室停留观察的时间有了保障，巡而不视的问题得到了解决。

（2）监所内冲突危险等事件发生率统计

三个月内冲突危险等事件的统计数据对比分析后表明，相比之前的巡更打卡系统，智能监督管理系统的智能监督在突发危险事件的控制效果显著，监所内的各种冲突危险等事件平均降低47%以上。其中对可疑行为观察力度增强，三个月内发现的可疑行为数量增加50%以上。

总结

本研究提出的监所智能巡控管理系统，借助物联网技术采集大量数据，结合视频感知技术并通过多个维度数据分析来实现有效监督警务人员巡逻任务的完成质量，加强了监所的安全管理，彻底解决了监所内执行巡逻任务警务人员巡而不视的问题。

通过智能巡控管理系统的应用，监所内打架斗殴事件明显减少，监所内被监管人员的行为更加规范，不服从管理的数量和行为明显减少。警务人员的巡逻工作风貌也得到了很大的改善。智能巡控管理系统是未来智慧监所建设内容的重要组成部分，在未来监所智能化改革中将发挥重要的作用。