浦建偉，李 偉，張秀林，夏松林

1.中海石油(中國)有限公司 上海分公司（上海 200335）

2.中海石油(中國)有限公司 海南分公司（海南 ?？?570311）

3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司（天津 300457）

0 引言

近年來，我國石油開發(fā)從陸地向海洋延伸，現(xiàn)已進(jìn)入快速高效的發(fā)展時(shí)期，海洋石油工程從淺海逐步走向深海[1]。由于海洋石油工程裝備制造是勞動(dòng)密集型高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，建造過程中施工人數(shù)眾多，人員流動(dòng)性大，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)作業(yè)人員管控難度大，高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)多，尤其是在艙室和有限空間內(nèi)進(jìn)行、交叉作業(yè)管理，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)很高，導(dǎo)致很多管理盲區(qū)[2]。人員在艙室和有限空間內(nèi)作業(yè)，若發(fā)生突發(fā)應(yīng)急狀況，往往很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響應(yīng)急響應(yīng)效率，使現(xiàn)場(chǎng)安全管理和事故應(yīng)急反應(yīng)面臨極大壓力。因此，在海洋工程建造過程中建立一套能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)人員位置信息的定位系統(tǒng)，能夠在事故發(fā)生后快速建立救援機(jī)制。

從20世紀(jì)60年代開始，專家學(xué)者開始對(duì)無線定位技術(shù)進(jìn)行研究，到了80年代，隨著全球定位系統(tǒng)的出現(xiàn)，掀起了對(duì)無線定位技術(shù)研究的高潮[3]。無線定位技術(shù)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境可以分為室外無線定位技術(shù)和室內(nèi)無線定位技術(shù)。室外定位技術(shù)目前研究比較成熟，以中國的北斗、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略[4]等為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但由于衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過墻體在室內(nèi)衰減嚴(yán)重，極難應(yīng)用于室內(nèi)定位[5]。

國外對(duì)于室內(nèi)定位技術(shù)研究較早，1992年劍橋大學(xué)提出了Active Badge定位系統(tǒng)[6]，2000年微軟研究院開發(fā)出了基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的RADAR定位系統(tǒng)[7]，2005年麻省理工學(xué)院開發(fā)了基于超聲波技術(shù)的Cricket定位系統(tǒng)[8]。

相比于國外，國內(nèi)提出完整的室內(nèi)定位系統(tǒng)較少，更多的是在對(duì)定位算法的研究改進(jìn)。汪苑、林錦國等人提出基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法的室內(nèi)定位方案，并經(jīng)過仿真測(cè)試顯示定位精度高[9]；張倬勝、馬方方等人提出了基于i Beacon的無線指紋定位方法,并給出了圖書館的位置服務(wù)示例[10]；王瑞峰[11]改進(jìn)了基于無線射頻技術(shù)的LANDMARC定位算法，并將其應(yīng)用到隧道人員定位系統(tǒng)中，結(jié)果表明改進(jìn)的算法具有更高的定位精度；張金起、張德軍[12]研究了人員定位技術(shù)在化工企業(yè)的應(yīng)用效果。

雖然人員定位系統(tǒng)在煤礦開采、隧道施工、化工園區(qū)、建筑施工都有應(yīng)用，但在海洋工程和造船業(yè)研究應(yīng)用較少，而且由于海洋工程結(jié)構(gòu)以鋼材為主，WiFi、手機(jī)信號(hào)屏蔽較嚴(yán)重，三維立體定位顯示困難?；谝陨蠁栴}，以某深水半潛平臺(tái)建造為例，研究基于鈦準(zhǔn)技術(shù)的人員定位系統(tǒng)在海洋工程建造過程的應(yīng)用，為海洋工程和造船業(yè)提供借鑒。

1 鈦準(zhǔn)技術(shù)定位原理及系統(tǒng)組成

目前市面上應(yīng)用到的人員定位系統(tǒng)主要有WiFi定位、藍(lán)牙定位、ZigBee定位、UWB定位、RFID定位、鈦準(zhǔn)定位等多種技術(shù)，但定位系統(tǒng)構(gòu)成大同小異[3]。鈦準(zhǔn)定位是基于“LPWAN通信技術(shù)+藍(lán)牙定位技術(shù)”，主要由鈦準(zhǔn)通訊基站、人員定位卡、定位信標(biāo)等構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。鈦準(zhǔn)定位系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)定位系統(tǒng)，基站覆蓋范圍更廣，可以通過在生產(chǎn)區(qū)域部署定位信標(biāo)，外形小巧、電池供電，不需要拉電線和網(wǎng)線，符合石油化工行業(yè)防爆、防靜電等要求，部署十分方便?？梢詫⒍ㄎ煌ㄐ呕静渴鹪诎踩珔^(qū)域，這樣即使在發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故時(shí)，也能最大程度保障定位通信正常。而這些，往往是傳統(tǒng)的定位技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

圖1 人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

鈦準(zhǔn)定位系統(tǒng)工作原理：安裝好的定位信標(biāo)每秒向外發(fā)出2.4G藍(lán)牙信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)人員攜帶的定位卡在移動(dòng)過程中掃描到有效藍(lán)牙信號(hào)后，5 s上報(bào)給鈦準(zhǔn)通信基站，鈦準(zhǔn)基站將接收到的信標(biāo)地址和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度上報(bào)給數(shù)據(jù)服務(wù)器，由定位引擎進(jìn)行解析后，給出具體定位位置，再呈現(xiàn)在后臺(tái)顯示屏上。

2 深水半潛平臺(tái)建造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 深水半潛平臺(tái)介紹

“深海一號(hào)”半潛平臺(tái)總質(zhì)量超過5萬t，由上部模塊和下部浮體組成，最大投影面積與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)相當(dāng)，總高度達(dá)120 m，最大排水量達(dá)10.5萬t?！吧詈Ｒ惶?hào)”半潛平臺(tái)是世界首座10萬t級(jí)深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，其中浮體部分主體尺寸91.5 m×91.5 m×59 m，艙室數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工過程形成大量有限空間。根據(jù)人力投入計(jì)劃，半潛平臺(tái)船體建造現(xiàn)場(chǎng)施工高峰期人數(shù)超過1 900人，涉及結(jié)構(gòu)、管線、儀表、舾裝保溫、涂裝等多個(gè)專業(yè)、工種，現(xiàn)場(chǎng)安全管理難度很大。

2.2 人員定位系統(tǒng)部署

人員定位系統(tǒng)的部署，目的是建立定位通訊網(wǎng)絡(luò)。通過部署定位信標(biāo)實(shí)現(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，通過部署鈦準(zhǔn)基站實(shí)現(xiàn)通信回傳網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。為了降低布線難度，根據(jù)半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用有線藍(lán)牙基站和無線信標(biāo)通信的方式，規(guī)劃在底部浮箱布置約120枚定位信標(biāo)，12個(gè)鈦準(zhǔn)定位基站，在4個(gè)立柱分層布置基站和信標(biāo)，每層布置1個(gè)鈦準(zhǔn)定位基站，約20個(gè)定位信標(biāo)，布置方式如圖2所示。通過信號(hào)覆蓋測(cè)試，不斷優(yōu)化定位信標(biāo)和鈦準(zhǔn)基站的部署位置和數(shù)量，浮體共布置約720枚信標(biāo)，41臺(tái)基站，實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域信號(hào)全覆蓋。

圖2 定位信標(biāo)、基站在浮箱布置圖

2.3 人員定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

2.3.1 人員定位

人員定位是定位系統(tǒng)最基本的功能，可以根據(jù)建立的通訊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，在后臺(tái)監(jiān)控大屏實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控區(qū)域作業(yè)人員和訪客的數(shù)量，實(shí)時(shí)在地圖上顯示所有人員的位置（圖3），動(dòng)態(tài)顯示人員數(shù)量，以及分區(qū)域顯示統(tǒng)計(jì)數(shù)量。并根據(jù)管理人員需求，查看進(jìn)入浮體區(qū)域人員的信息、進(jìn)入進(jìn)出時(shí)間等信息，從而實(shí)現(xiàn)人員位置定位和監(jiān)控、搜索，實(shí)時(shí)分布圖展示、歷史軌跡回放等功能，有助于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員管理，確保平臺(tái)施工區(qū)域人員的安全。

圖3 人員定位分布圖

2.3.2 行為分析與目標(biāo)跟蹤

人員定位系統(tǒng)可用于追蹤相關(guān)人員在浮體內(nèi)的當(dāng)前位置、歷史位置，并記錄每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的行動(dòng)軌跡。管理人員可通過綁定定位卡片的人員信息，在后臺(tái)搜索相關(guān)人員的歷史活動(dòng)軌跡和位置分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)人員的目標(biāo)跟蹤，有助于管理人員對(duì)指定人員活動(dòng)行為進(jìn)行分析，一旦有異常情況，可以根據(jù)數(shù)據(jù)追溯事件過程。

2.3.3 報(bào)警管理

人員定位系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求實(shí)現(xiàn)異常情況報(bào)警功能，如：人員長(zhǎng)時(shí)間靜止報(bào)警、一鍵求救報(bào)警等，一旦出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，管理人員可以在報(bào)警信息中查看，同時(shí)監(jiān)控后臺(tái)會(huì)有報(bào)警音樂播放，報(bào)警處理結(jié)束，報(bào)警音樂才會(huì)停止。尤其對(duì)于半潛平臺(tái)建造過程的有限空間管理，如果人員長(zhǎng)時(shí)間位置靜止不動(dòng)，監(jiān)控后臺(tái)會(huì)發(fā)出靜止報(bào)警信號(hào)，如果人員作業(yè)過程中遇到危險(xiǎn)、身體不適等突發(fā)狀況，遇險(xiǎn)人員在意識(shí)清楚的情況下，可以按下隨身攜帶的人員定位卡上的一鍵報(bào)警按鈕，及時(shí)發(fā)出求救報(bào)警信號(hào)（圖4）。當(dāng)后臺(tái)監(jiān)控大屏彈出告警信息和播放告警音樂后，管理人員會(huì)立即定位該人員，并第一時(shí)間安排救援人員到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，有效避免險(xiǎn)情或事故的發(fā)生，保障人員和施工安全。

圖4 一鍵報(bào)警操作示意圖

2.3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

人員定位系統(tǒng)可以精確統(tǒng)計(jì)當(dāng)前在半潛平臺(tái)上的人員數(shù)量，并在電子顯示大屏上通過各類餅圖、柱狀圖、折線圖、地圖等圖表直觀形象地展現(xiàn)出作業(yè)人員的人數(shù)統(tǒng)計(jì)、位置分布、報(bào)警信息等內(nèi)容。同時(shí)，可以對(duì)各類型、各時(shí)間段、各承包商人員類型的報(bào)警事件進(jìn)行匯總，為管理人員針對(duì)性地加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理、制定施工計(jì)劃、開展人員培訓(xùn)等提供了有效的技術(shù)支持，可以預(yù)防各類事故的發(fā)生。圖5為2020年4—9月誤觸一鍵報(bào)警數(shù)量統(tǒng)計(jì)，可以看出隨著現(xiàn)場(chǎng)施工人員數(shù)量的激增，人員誤觸一鍵報(bào)警的次數(shù)增加，反映出現(xiàn)場(chǎng)對(duì)人員定位系統(tǒng)培訓(xùn)不足，在加強(qiáng)了人員培訓(xùn)之后，誤觸一鍵報(bào)警數(shù)量明顯減少。通過應(yīng)用鈦準(zhǔn)定位系統(tǒng)，項(xiàng)目在建造過程中未發(fā)生可記錄事故。

圖5 誤觸一鍵告警數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論及建議

1）半潛平臺(tái)建造現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用基于鈦準(zhǔn)技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置合理，定位精度高，可區(qū)分到每個(gè)艙室，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地將半潛平臺(tái)浮體工作區(qū)的人員動(dòng)態(tài)信息傳輸?shù)胶笈_(tái)計(jì)算機(jī)，呈現(xiàn)在監(jiān)控大屏上，實(shí)現(xiàn)有效跟蹤艙室人員動(dòng)態(tài)，提高了現(xiàn)場(chǎng)人員管理效率。

2）鈦準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)備部署方便，對(duì)現(xiàn)有環(huán)境無破壞，無需弱電施工，不動(dòng)用明火。現(xiàn)場(chǎng)使用的二合一人員定位胸卡，集定位與門禁刷卡功能為一體，為現(xiàn)場(chǎng)使用提供了便利。后續(xù)推廣應(yīng)用中建議人員定位卡的一鍵報(bào)警功能進(jìn)一步從技術(shù)層面進(jìn)行改進(jìn)，以減少人員誤觸報(bào)警。

3）在應(yīng)急情況下，通過人員發(fā)出的報(bào)警信息，可以快速定位人員的位置，迅速響應(yīng)，快速救援，減少事故損失，提高救援效率，保障施工過程中的人員安全。并能有效提升半潛平臺(tái)建造施工的信息化管理水平，提升現(xiàn)場(chǎng)安全和管控質(zhì)量。

4）后續(xù)可以在此基礎(chǔ)上對(duì)人員定位系統(tǒng)進(jìn)一步拓展，增加人員巡檢、有限空間氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警、越界報(bào)警等功能，進(jìn)一步提升現(xiàn)場(chǎng)管理智能化水平。