基于钛准技术的人员定位系统在深水半潜平台建造过程的应用探索

浦建伟，李 伟，张秀林，夏松林

1.中海石油(中国)有限公司 上海分公司（上海 200335）

2.中海石油(中国)有限公司 海南分公司（海南 海口 570311）

3.中海石油(中国)有限公司 天津分公司（天津 300457）

0 引言

近年来，我国石油开发从陆地向海洋延伸，现已进入快速高效的发展时期，海洋石油工程从浅海逐步走向深海[1]。由于海洋石油工程装备制造是劳动密集型高风险行业，建造过程中施工人数众多，人员流动性大，施工现场环境复杂，对作业人员管控难度大，高风险作业多，尤其是在舱室和有限空间内进行、交叉作业管理，作业风险很高，导致很多管理盲区[2]。人员在舱室和有限空间内作业，若发生突发应急状况，往往很难被及时发现，影响应急响应效率，使现场安全管理和事故应急反应面临极大压力。因此，在海洋工程建造过程中建立一套能够动态实时反映现场人员位置信息的定位系统，能够在事故发生后快速建立救援机制。

从20世纪60年代开始，专家学者开始对无线定位技术进行研究，到了80年代，随着全球定位系统的出现，掀起了对无线定位技术研究的高潮[3]。无线定位技术根据应用环境可以分为室外无线定位技术和室内无线定位技术。室外定位技术目前研究比较成熟，以中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略[4]等为代表的卫星定位系统，广泛应用于各个领域。但由于卫星信号经过墙体在室内衰减严重，极难应用于室内定位[5]。

国外对于室内定位技术研究较早，1992年剑桥大学提出了Active Badge定位系统[6]，2000年微软研究院开发出了基于信号强度测量的RADAR定位系统[7]，2005年麻省理工学院开发了基于超声波技术的Cricket定位系统[8]。

相比于国外，国内提出完整的室内定位系统较少，更多的是在对定位算法的研究改进。汪苑、林锦国等人提出基于ZigBee无线网络技术和改进的加权质心算法的室内定位方案，并经过仿真测试显示定位精度高[9]；张倬胜、马方方等人提出了基于i Beacon的无线指纹定位方法,并给出了图书馆的位置服务示例[10]；王瑞峰[11]改进了基于无线射频技术的LANDMARC定位算法，并将其应用到隧道人员定位系统中，结果表明改进的算法具有更高的定位精度；张金起、张德军[12]研究了人员定位技术在化工企业的应用效果。

虽然人员定位系统在煤矿开采、隧道施工、化工园区、建筑施工都有应用，但在海洋工程和造船业研究应用较少，而且由于海洋工程结构以钢材为主，WiFi、手机信号屏蔽较严重，三维立体定位显示困难。基于以上问题，以某深水半潜平台建造为例，研究基于钛准技术的人员定位系统在海洋工程建造过程的应用，为海洋工程和造船业提供借鉴。

1 钛准技术定位原理及系统组成

目前市面上应用到的人员定位系统主要有WiFi定位、蓝牙定位、ZigBee定位、UWB定位、RFID定位、钛准定位等多种技术，但定位系统构成大同小异[3]。钛准定位是基于“LPWAN通信技术+蓝牙定位技术”，主要由钛准通讯基站、人员定位卡、定位信标等构成，系统架构如图1所示。钛准定位系统相较于传统定位系统，基站覆盖范围更广，可以通过在生产区域部署定位信标，外形小巧、电池供电，不需要拉电线和网线，符合石油化工行业防爆、防静电等要求，部署十分方便。可以将定位通信基站部署在安全区域，这样即使在发生爆炸、火灾等事故时，也能最大程度保障定位通信正常。而这些，往往是传统的定位技术无法实现的。

图1 人员定位系统架构图

钛准定位系统工作原理：安装好的定位信标每秒向外发出2.4G蓝牙信号，现场人员携带的定位卡在移动过程中扫描到有效蓝牙信号后，5 s上报给钛准通信基站，钛准基站将接收到的信标地址和对应的信号强度上报给数据服务器，由定位引擎进行解析后，给出具体定位位置，再呈现在后台显示屏上。

2 深水半潜平台建造现场应用

2.1 深水半潜平台介绍

“深海一号”半潜平台总质量超过5万t，由上部模块和下部浮体组成，最大投影面积与两个标准足球场相当，总高度达120 m，最大排水量达10.5万t。“深海一号”半潜平台是世界首座10万t级深水半潜式生产储油平台，其中浮体部分主体尺寸91.5 m×91.5 m×59 m，舱室数量多，结构复杂，施工过程形成大量有限空间。根据人力投入计划，半潜平台船体建造现场施工高峰期人数超过1 900人，涉及结构、管线、仪表、舾装保温、涂装等多个专业、工种，现场安全管理难度很大。

2.2 人员定位系统部署

人员定位系统的部署，目的是建立定位通讯网络。通过部署定位信标实现定位网络的建设，通过部署钛准基站实现通信回传网络的建设。为了降低布线难度，根据半潜平台结构，采用有线蓝牙基站和无线信标通信的方式，规划在底部浮箱布置约120枚定位信标，12个钛准定位基站，在4个立柱分层布置基站和信标，每层布置1个钛准定位基站，约20个定位信标，布置方式如图2所示。通过信号覆盖测试，不断优化定位信标和钛准基站的部署位置和数量，浮体共布置约720枚信标，41台基站，实现施工区域信号全覆盖。

图2 定位信标、基站在浮箱布置图

2.3 人员定位系统技术应用

2.3.1 人员定位

人员定位是定位系统最基本的功能，可以根据建立的通讯网络数据传输，在后台监控大屏实时显示监控区域作业人员和访客的数量，实时在地图上显示所有人员的位置（图3），动态显示人员数量，以及分区域显示统计数量。并根据管理人员需求，查看进入浮体区域人员的信息、进入进出时间等信息，从而实现人员位置定位和监控、搜索，实时分布图展示、历史轨迹回放等功能，有助于对现场人员管理，确保平台施工区域人员的安全。

图3 人员定位分布图

2.3.2 行为分析与目标跟踪

人员定位系统可用于追踪相关人员在浮体内的当前位置、历史位置，并记录每个时间段内的行动轨迹。管理人员可通过绑定定位卡片的人员信息，在后台搜索相关人员的历史活动轨迹和位置分布，实现对相关人员的目标跟踪，有助于管理人员对指定人员活动行为进行分析，一旦有异常情况，可以根据数据追溯事件过程。

2.3.3 报警管理

人员定位系统可以根据现场需求实现异常情况报警功能，如：人员长时间静止报警、一键求救报警等，一旦出现报警信号，管理人员可以在报警信息中查看，同时监控后台会有报警音乐播放，报警处理结束，报警音乐才会停止。尤其对于半潜平台建造过程的有限空间管理，如果人员长时间位置静止不动，监控后台会发出静止报警信号，如果人员作业过程中遇到危险、身体不适等突发状况，遇险人员在意识清楚的情况下，可以按下随身携带的人员定位卡上的一键报警按钮，及时发出求救报警信号（图4）。当后台监控大屏弹出告警信息和播放告警音乐后，管理人员会立即定位该人员，并第一时间安排救援人员到现场实施救援，有效避免险情或事故的发生，保障人员和施工安全。

图4 一键报警操作示意图

2.3.4 数据统计分析

人员定位系统可以精确统计当前在半潜平台上的人员数量，并在电子显示大屏上通过各类饼图、柱状图、折线图、地图等图表直观形象地展现出作业人员的人数统计、位置分布、报警信息等内容。同时，可以对各类型、各时间段、各承包商人员类型的报警事件进行汇总，为管理人员针对性地加强现场管理、制定施工计划、开展人员培训等提供了有效的技术支持，可以预防各类事故的发生。图5为2020年4—9月误触一键报警数量统计，可以看出随着现场施工人员数量的激增，人员误触一键报警的次数增加，反映出现场对人员定位系统培训不足，在加强了人员培训之后，误触一键报警数量明显减少。通过应用钛准定位系统，项目在建造过程中未发生可记录事故。

图5 误触一键告警数量统计

3 结论及建议

1）半潜平台建造现场应用基于钛准技术的人员定位系统，进行系统设计布置合理，定位精度高，可区分到每个舱室，能够及时、准确地将半潜平台浮体工作区的人员动态信息传输到后台计算机，呈现在监控大屏上，实现有效跟踪舱室人员动态，提高了现场人员管理效率。

2）钛准定位系统设备部署方便，对现有环境无破坏，无需弱电施工，不动用明火。现场使用的二合一人员定位胸卡，集定位与门禁刷卡功能为一体，为现场使用提供了便利。后续推广应用中建议人员定位卡的一键报警功能进一步从技术层面进行改进，以减少人员误触报警。

3）在应急情况下，通过人员发出的报警信息，可以快速定位人员的位置，迅速响应，快速救援，减少事故损失，提高救援效率，保障施工过程中的人员安全。并能有效提升半潜平台建造施工的信息化管理水平，提升现场安全和管控质量。

4）后续可以在此基础上对人员定位系统进一步拓展，增加人员巡检、有限空间气体监测报警、越界报警等功能，进一步提升现场管理智能化水平。