室内定位技术在大型涂装车间节能降耗的应用思考

呼佳宁 王 凯 费 波

1.上海市环境科学研究院

2.江南造船（集团）有限责任公司

0 引言

近年来随着我国大气污染防治要求的不断提高，挥发性有机物（VOCs）作为PM2.5和臭氧的重要前体物质，始终都是污染防治攻坚战的重要研究对象。以上海市为例，自2010 年开展了各重点行业VOCs 的污染治理工作，延续至今VOCs 减排治理工作依然是大气污染防治工作的重点，其中造船工业、大型钢结构制造行业等包含大型工件涂装的企业是上海VOCs 排放的重点来源，也是未来推动VOCs 深化减排的潜力领域。由于造船企业、大型钢结构制造企业生产制造的工件规模大，其配套建设的涂装车间往往体积巨大，船舶分段、钢结构等产品喷涂作业也都是在涂装车间内完成，主要采用人工高压喷枪进行涂装，喷涂过程中的油漆和稀释剂会逸散到空气中，造成漆雾和VOCs 的排放。目前造船企业和大型钢结构制造企业已投入大量资金用于涂装车间VOCs 的治理改造与安装运行工作，采用吸附+催化燃烧（RCO）、热力焚烧炉（RTO）、沸石转轮+RTO等［1］处理技术。

造船企业、大型钢结构制造企业内的涂装车间体积大、喷涂作业呈间歇式生产，因此导致产生的有机废气风量和浓度波动大，常规设计以涂装车间的体积和换气次数为依据设计有机废气处理风量和规模大，因此，此类大型涂装车间均配有大风量、高功率的废气处理装置。结合生态环境管理及执法部门要求，仅在喷涂作业或者晾干作业时，废气处理装置均应开启，但是实际作业中可能存在个别点位、少量的喷涂作业时，开启RCO 和RTO 等焚烧类型处理装置则一定程度上存在浪费能耗的现象，也有学者关于RTO 等技术的运行参数调整进行节能降耗研究［2］。

因此，本文首次提出在大型涂装房内应用室内定位系统的研究思路，通过在涂装房内并排布设多套送排风控制系统，利用室内定位技术实时定位工作人员具体喷涂位置，将定位信号联动对应的送排风系统，实时调节VOCs处理风量和设备运行功率，期望起到节能减排的作用。

1 室内定位技术

随着定位服务不断发展，室内外定位需求已经成为日常工作和生活所需的基本服务［3］。根据定位场所和要求不同，主要分为室外定位和室内定位。目前室外定位服务利用卫星通信的全球定位系统（GPS）已经可以绝大部分满足需求［4］，室内定位服务例如大型商场、停车场、大型超市、船舱、机场航站楼、医院、监狱等场景也是常见的基本需求，但其定位问题受建筑物、人、信号辐射等多方面的影响［5］。GPS 信号在有障碍物遮挡的情况下衰减和影响十分严重，因而无法很好地应用于室内定位场景。因此，本研究拟针对常见规模的大型涂装喷房（长36 m、宽18 m、高12 m），通过调研市场常见的室内定位技术，判断各类技术实用性、优缺点，最终挑选出适用于大型涂装车间的定位技术。

1.1 室内定位技术选择

目前国内外室内定位技术原理已基本完善，常见的应用大量是基于无线通信系统，例如蓝牙、无线WiFi、射频（RFID）、超声波、红外线、超宽带（UWB）等室内定位技术［6］，通过文献调研和石商自选，常见室内定位技术应用原理及优缺点见表1。

表1 常见室内定位技术

由于大型涂装车间内各类钢结构工件放置，蓝牙、无线WiFi 技术会受到极大干扰，并且定位精度约2～3 m，无法实现准确定位；RFID 不能实现双向通信和后续信号的处理转换，超声波技术市场小规模试用较少，也可能出现空间内反射现象；红外技术会被钢结构阻挡光线；所以结合各类定位技术的定位精度、对环境要求以及相对成本，UWB 室内定位技术具有较强的穿透力，可应用于涂装车间内的复杂环境，同时定位精度达厘米级别，具有较好定位精度，定位系统整体布设、成本中等，市场化较为常见，故本研究选择UWB 室内定位技术作为研究对象，开展在大型涂装车间的应用思考。

1.2 定位算法的选择

为实现精确定位，各类学者的研究早已涌现出许多不同的室内定位算法，是指根据直接从无线设备得到的已知数据通过一系列计算方法，计算出待定位目标的位置具体坐标信息。常见的定位算法有基于到达时间差（TDOA）的定位算法、基于到达时间（TOA）的定位算法、基于信号飞行时间（TOF）的定位算法、基于接收信号角度（AOA）的定位算法、基于接收信号强度（RSSI）的定位算法、基于信道状态信息（CSI）的定位算法等［15］。基本流程大致相同，首先是对信号的采集和获取，然后根据信号获取测量参数，利用定位算法进行解析计算，最终实现定位结果。

UWB 定位技术在选择定位算法时需要根据实际情况进行考虑，有文献［16］指出，RSSI、AOA、TOA等定位算法均不适用于UWB 室内定位技术，利用TDOA 定位算法仅要求参与定位的基站的时间同步，降低了定位的难度。所以，对于UWB 定位技术，本文选择TDOA定位算法进行分析。

2 大型涂装车间室内定位系统设计

以国内某大型钢结构制造石的涂装车间为研究对象，该涂装车间长36 m、宽18 m、高12 m，长度方向上企业均匀布设了8 套送排风系统，车间内进行大型工件的喷涂作业时，工件置于1.2 m 的支架上，高约3 ～4 m，最长工件可达到30 m，每次有1～2名喷涂工进行手工喷涂油漆作业。设计旨在借助室内定位技术，实时定位操作人员的喷涂位置，在喷涂作业时开启相应区域的送排风系统，其余送排风系统呈关闭状态，调节风机的功率，起到节能降耗的效果。

结合室内定位技术的选择和该涂装车间的需求，拟设计UWB 室内定位技术实现涂装人员的室内定位，同时与风机开关联动，实时控制送排风系统的开启状态。UWB 室内定位系统设计通常包括3 大部分［10］：活动标签（定位标签），该标签可由电池供电工作，且带有数据存储器，能够发射带识别码的UWB 信号给接收器；传感器（定位基站、信号接收器），安装位置固定，接收并计算从标签发射出来的信号，其中活动标签和传感器均为硬件系统；软件系统，能够获取、分析所有位置信息并将信号转化，传递给用户或设备。基于定位系统需要设计以下UWB室内定位系统。

2.1 硬件系统

1）硬件架构图

大型涂装车间的室内定位系统硬件架构见图1。主要由定位引擎服务器、管理服务器、使用客户端、定位基站、定位标签组成。定位标签用于录入需要定位的涂装工人信息，作为唯一标识，以固定频率发送数据至定位基站。定位基站用于收集定位标签上报的位置信息，同时将数据通过交换机传输至定位引擎服务器。服务器用于收集定位基站上报数据并利用TDOA 定位算法计算出定位标签的实时坐标。管理服务器负责对各系统设备状态进行监控和管理，同时提供位置信息的存储、查询，还可以设计定位标签实时位置的三维显示（地图系统）以及相关区域数据统计等功能。

图1 涂装车间人员定位硬件架构原理图

2）定位基站分布

结合UWB 定位技术特点和该企业涂装车间实际情况，设计本涂装车间定位基站的布置方案，具体点位如图2 所示。图2 中涂装房长边为36 m，被虚拟划分为8 个纵向区域，每个区域约4.5 m，需要4 个定位基站，布置点位分别为涂装车间的4 个角，可结合实际粘连或者悬挂于车间顶部，同时由于防爆等级要求，定位基站需要结合实际情况额外配置防爆装置。

图2 某公司涂装房定位基站布置图

2.2 软件系统

硬件系统布置完成后，需要对应开发软件系统。系统软件示意图见图3。分别包括定位引擎基础软件包、地图引擎系统、位置监控显示分析软件包等。

图3 某公司涂装房定位软件系统

定位引擎基础软件包是指室内定位核心算法引擎，基于融合方式的实时定位系统，在定位基站信号覆盖的地方跟踪定位标签，定位标签捕捉无线信号后基于3 点定位及TDOA 的原理，通过定位算法完成定位，可实现定位标签的准确定位。地图引擎系统是指将车间的平面布置图利用CAD 等软件转化为3D 矢量地图数据。为适应管理需要，软件系统还可以同时开发设计权限管理、用户管理、实时位置查看、历史轨迹查看、设置活动围栏、超出围栏报警等系统功能。

3 UWB定位技术在涂装车间的节能效果分析

结合以上设计方案，在该大型涂装车间内布设UWB 室内定位系统，采用如下应用方式，旨在起到一定节能效果。

3.1 定位系统模拟应用

大型涂装车间内主要以人工喷涂作业方式为主，需要作业人员在进入涂装房之前佩戴好定位标签，并且确保定位标签处于有效、有电状态，同时开启定位基站和电脑用户端，此时电子地图上实时显示该工作人员的位置信息。如图4 所示，该工作人员手持喷枪位于涂装房内的D 区域进行喷涂作业，通过工作人员随身携带的定位标签（胸卡），实时定位到人员在D 区作业，随后用户系统将该位置信息转换成电信号，传输给涂装车间的送排风控制系统，从而控制A 到H 区域的送排风口风机的工作状态以及处理风量，即开启D 区域送风口和排风口，关闭其余风机，相应降低排风风机到相应的处理风量，由此实现利用室内定位系统实时控制送排风系统运行状态。

图4 某涂装车间室内定位系统应用示意

3.2 节能减排效果分析

在该涂装车间内，车间采用8套送排风系统（送风和排风），所有排风口汇集于1 个大型排风风机，假设该风机为变频风机，额定功率为55 kW，处理风量为46 000 m3/h，通过风机将废气汇总至VOCs废气末端处理装置中，该装置采用吸附（沸石）+RCO 处理工艺。本研究针对普通运行状态和实施改造后的运行状态进行电费成本估算，假设每天按照24 h 满负荷工作运转，实施前后的成本消耗对比估算见表2。由表2 可知，利用本方案对大型涂装车间进行定位系统和风机联动改造，理想状态下可节约电费约38.4 万元/年，除电费以外的吸附材料、催化材料的消耗也会大幅减少。由此可见，本大型涂装车间利用室内定位技术，理想状态下每年可节约80%的电费支出，既减少能源的消耗，同时极大地节约了运行成本。但是实际生产运行中，变频风机的功率运行范围可能无法实现大范围的波动运行，并且废气处理设备的处理风量也需要作相应的调减，具体情况下的功率还需结合进一步开展的应用试验进行深入分析和效果评估。

表2 实施定位技术前后能源消耗及成本估算

4 结论与展望

综合分析了目前常见的室内无线定位技术的技术特征、应用优缺点，结合大型涂装车间空间大、废气浓度波动、废气处理能耗巨大的现状，选择UWB 室内定位技术、采用TDOA 定位算法对国内某大型涂装车间进行方案设计，并对未来实施效果进行节能效果估算。研究结果表明，通过室内定位系统与废气处理系统联动，合理设计喷涂负荷下的处理规模，降低风机运行功率，理想状态下可减少80%以上电量消耗，案例测算每年可节约30 余万元，实现节能降耗效果。由于本研究节能效果为理想情景的估算分析，具体效果仍需要结合现场实际应用效果进行测算，本研究旨在为同类型的高能耗废气治理现状提供新思路、新想法，促进行业企业节能减排措施的共同进步与发展。