基于状态感知的变电站施工现场安全风险管控系统研究

冉一丁 龙锦壮 高 峰 王 健 吴金升 周金桥

（1.山东送变电工程有限公司 2.国网山东省电力公司烟台供电公司 3.国网山东省电力公司建设部4.武汉映瑞电力科技有限公司）

0 引言

在变电站施工建设过程中，由于项目工期紧、地点偏僻、环境复杂、交叉作业多、施工单位多、人员复杂等特点，给现场施工人员带来较多安全隐患，管理难度也相当大。在当前阶段有不少研究人员通过技术手段与措施来实现变电站作业风险的预警，例如通过视频监控加识别算法、无线测距算法等方式实现对现场施工人员的安全预警或违章行为识别。这些研究成果在降低施工人员作业风险方面取得了一定的成效，但是也有一定的局限性，例如出勤数据是现场人力管理的重要基础，如果无法准确获知项目中参加作业的人数，现场安全隐患就无处不在，但一些系统无法通过技术手段了解施工作业现场的出勤人数，因而不能达到及时预防、发现、阻止安全事故的目的，无法满足施工组织设计中各项与安全相关的要求。

通过对目前一些基于UWB的变电站人员定位系统进行了解，发现其原理主要是以固定的硬件设备标识作业风险区域（相当于本研究中的基站），以移动的硬件设备标识作业人员（相当于本研究中的预警器），通过不间断的UWB通信来测试作业人员与风险区域的距离，并通过判断作业人员与风险区域的关系来进行风险预警［1］。

本研究通过在现有无线测距算法的基础上，结合NB-IOT及UWB协议，实现变电站施工作业现场的人员管控，提供了支持安全管理人员对历史及实时数据进行查看和统计分析的功能，以便实时了解施工现场的人员状态，并在此基础上对施工作业人员进行安全监督管理。

1 变电站施工作业风险预警方案的不足

1.1 晶振的频率偏差对UWB测距的影响

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。因此，在使用UWB进行测距的方案中，时间是一个很重要的因素。而在目前的基于UWB的测距方案中，其时钟源都是使用晶振，晶振的频率偏差会直接影响到设备的稳定性和精度。但在本研究中发现，基于晶振作为时钟源的方案每秒会有毫秒级的误差，这对于使用纳秒级时间差来进行定位的UWB测距方案来说，将会产生较大的距离偏差，难以达到基于距离的安全作业管控的目的。

1.2 缺乏误入未许可区域的实时监测功能

由于现场施工人员众多，部分施工人员安全意识不高，有时候图便利，会发生跨越网的违章等等，存在极大的安全隐患。有时候还存在因为危险区域标识设置不及时或者不明显，导致非相关工作人员误入的情况发生。

1.3 多人同时在线时系统效率不高

现有一些基于UWB的实时测距研究，它们从理论上证明了使用UWB方案进行测距的可行性。但在实际变电站施工现场，由于一个预警器与多个基站测距时，需要对每个基站进行TWR测距，总花费时间成倍增加，这将导致进行一次TWR测距需要更长的时间。而变电站施工现场存在着危险作业区多、作业人员多的特点，如果不能很好地提升多人同时在线时的系统效率问题，将大大影响系统的应用效果和使用体验。

1.4 缺乏基于全站的工作人员风险状态监控技术

目前变电站建设阶段施工作业过程中，一些作业人员需要在风险区域进行作业，对于这类作业人员需要在其进入或离开作业区域进行主动提示；对于一些作业人员来说，可能还会误入其他作业风险区域，对于这种情况除了进行必要的主动式预警以外，还应实现变电站层面的即时监控，对于误入非授权风险区域的工作人员进行系统级告警，以提醒现场安全管控人员及时进行处理，达到多级监管的目的［2］。

2 系统工作原理

2.1 系统硬件组成

系统硬件组成包括预警器、基站、服务器、工作站等，如图1所示。

图1 系统硬件组成

预警器：预警器通常放置于安全帽上或随身佩戴。预警器通过向基站发送测距请求，并基于基站的响应数据包进行测距。如果当前与危险源距离过近（即处于危险工作区内），预警器会进行风险预警。

基站：基站通常放置于有作业风险的区域中心。基站的通信对象包括预警器、其他基站及服务器。当基站接收到来自预警器的测距请求时，会对其进行响应。除此之外，基站之间也会进行时钟同步通信。在施工作业现场选择一个基站作为授时基站，其他基站与它进行通信以保证与授时基站的时间一致。在与预警器进行通信的同时，基站也会将预警器的距离通过NB-IOT协议上传到服务器。

服务器：服务器上运行风险管控系统，系统内有各预警器、基站、危险工作区的定义，通过预警器硬件ID与工作人员进行绑定及基站硬件ID与危险工作区的绑定，在管控系统中就可以通过这种关联关系清楚每个工作人员在施工现场中的具体工作区，是否存在与危险源距离过近的危险。

工作站：通过工作站上的浏览器可以实现更新系统配置，实时查看作业现场人员风险情况。

2.2 系统所使用的网络协议

在本系统中存在中着多种网络协议：UWB、NBIOT和LAN等。

UWB：超宽带技术UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射／接收机实现高速数据传输，因此在本系统中用于预警器-基站、基站-基站之间的数据通信，达到测距、时间同步的目的。

NB-IOT：NB-IOT是指窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things）技术。NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IOT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。在本系统中的基站采用了移动NB-IOT卡，以支持通过NB-IOT协议与远方服务器进行通信。

LAN：工作站与服务器之间采用LAN相关协议，以满足交互频率高、数据传输量大的实时监控需求。

2.3 个性化风险管控设计

首先，将每个危险预警器和危险点基站硬件按类别分别进行编号，分配一个在系统中唯一的硬件ID；其次，将每个需要进入变电站存在作业风险区域的工作人员与危险预警器进行一一关联；最后，将变电站多个存在作业风险的区域设为工作区，每个工作区均可以设置工作区半径及工作区内允许进入的工作人员，并且每个工作区均与危险点基站的硬件ID进行关联［3-4］。

这样一来，在每个工作人员进入工作区后，与其关联的危险预警器将与该工作区内的危险点基站进行通信。危险预警器发送的数据包中包含有危险预警器的硬件ID和危险预警器中的系统时间，危险点基站收到危险预警器发送的数据包后将会进行响应。危险点基站发送的数据包中包含有危险点基站的硬件ID、危险点基站收到数据包的时间和危险点基站发送数据包的开始时间，危险预警器收到危险点基站发送的数据包，根据测距算法即可知道自己是否进入了工作区。如果存在刚进入工作区的情况则会自动播放危险预警语音，如果危险预警器通过自身硬件ID与危险点基站ID判断自己进入了未授权工作区，还会将此信息上传到服务器端管理系统，现场管理人员就可以在服务器端管理界面看到该危险预警器关联的工作人员进入了未授权的工作区域的告警信息，如图2所示。

图2 告警信息界面

3 针对现状的改进

在应用UWB进行测距时，针对大型施工现场的安全管控，有一些可以改进和提升的地方，比如响应速度、多机之间干扰等，本文中提出了一些改进方法。

3.1 测距响应速度的提升改进

因风险提示作用的特殊性，预警器测距刷新率越快预警将越及时，由于UWB技术自身的特点，使用常规的TWR测距技术完成一次一对一的测距工作（包括静空间隙）需花费1.5～2ms。当一个预警器需要与多个基站测距时，将依次对每个基站进行TWR测距，总花费时间成倍数增加，本文方法使用一种一对多的测距方法，一次请求可以完成对多个基站的测距功能，单基站平均测距时间降低到0.8ms，大大增加了测距刷新率。

常规状态下，一个预警器与多个基站测距的方法如图3所示。

图3 常规测距方法

在本系统中采用的改进的测距方法如图4所示。

图4 改进的测距方法

3.2 针对多机之间干扰的改进

在使用6.8Mbps通信速度时一次TWR测距（包括间隙）需要花费1.5～2ms，且由于UWB不具备载波冲突检测功能，若不采取一定措施，多个设备可能同时发起测距而导致测距失败。在本系统中使用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术解决冲突问题［5］，将时间按每秒划分为多个时间片，每个测距设备根据自己的编号依次使用时间片，时间片的时间长度（若1s划分为500个时间片，每个时间片为2ms）大于测距所需的时间长度，以此保证多设备的测距问题。

在UWB测距系统中使用TDMA技术的同时需要保证基站与各标签时间片的同步，使用无线同步技术（Wireless Clock Synchronization，WCS）实现各设备间的时钟同步，基站每秒发出一条WCS报文，预警器在上电后一直处于监听状态，当收到WCS报文后切换到时钟同步状态，在接下来的1s内就有了时间基准，当各预警器都处于时钟同步状态时，就遵循了同一时间基准，各预警器根据自己的编号依次在对应的时间偏移进行测距即可。

本方法的原理如图5所示。

图5 原理图

值得注意的是，使用本方法不但可以降低多机之间通信的干扰，也因为每秒1次的时间同步频率大大降低了晶振的频率偏差对UWB测试的影响，使测距更精准。

3.3 安全管控方式的改进

大多数基于UWB技术进行测控的研究中，预警器检测到与基站的距离超过警戒半径阈值就发出警告，在系统中并没有相关的记录。在本系统中基站检测到进入危险区以及进入非授权区域，则会将相关信息上传到服务器，在服务器端可以实时查看作业现场各工作区域内的正常作业人员和违规作业人员，并且还可以查看作每个作业人员与危险区域中心的距离。

系统还提供当前作业人员统计、人员状态统计历史图等功能，便于安全管理人员全面掌握作业现场的人员情况，如图6所示。

图6 系统界面图

4 结束语

本文在UWB相关研究的基础上进行更深入研究，针对施工现场由于作业人员众多导致设备众多引起的测距性能低、多机之间干扰等问题，通过应用时分多址（TDMA）和无线同步技术（WCS）实现干扰降低和性能提高，在实际应用中取得了比较好的效果。针对当前的一些风险管控系统缺乏全面了解作业现场的现状，系统引入NB-IOT技术将现场作业人员状态数据上传，实现变电站施工现场作业人员的风险状态感知，便于现场风险管控人员的全面监督。