呼佳寧 王 凱 費(fèi) 波

1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院

2.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

0 引言

近年來隨著我國大氣污染防治要求的不斷提高，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）作為PM2.5和臭氧的重要前體物質(zhì)，始終都是污染防治攻堅戰(zhàn)的重要研究對象。以上海市為例，自2010 年開展了各重點行業(yè)VOCs 的污染治理工作，延續(xù)至今VOCs 減排治理工作依然是大氣污染防治工作的重點，其中造船工業(yè)、大型鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)等包含大型工件涂裝的企業(yè)是上海VOCs 排放的重點來源，也是未來推動VOCs 深化減排的潛力領(lǐng)域。由于造船企業(yè)、大型鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)生產(chǎn)制造的工件規(guī)模大，其配套建設(shè)的涂裝車間往往體積巨大，船舶分段、鋼結(jié)構(gòu)等產(chǎn)品噴涂作業(yè)也都是在涂裝車間內(nèi)完成，主要采用人工高壓噴槍進(jìn)行涂裝，噴涂過程中的油漆和稀釋劑會逸散到空氣中，造成漆霧和VOCs 的排放。目前造船企業(yè)和大型鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)已投入大量資金用于涂裝車間VOCs 的治理改造與安裝運(yùn)行工作，采用吸附+催化燃燒（RCO）、熱力焚燒爐（RTO）、沸石轉(zhuǎn)輪+RTO等［1］處理技術(shù)。

造船企業(yè)、大型鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)內(nèi)的涂裝車間體積大、噴涂作業(yè)呈間歇式生產(chǎn)，因此導(dǎo)致產(chǎn)生的有機(jī)廢氣風(fēng)量和濃度波動大，常規(guī)設(shè)計以涂裝車間的體積和換氣次數(shù)為依據(jù)設(shè)計有機(jī)廢氣處理風(fēng)量和規(guī)模大，因此，此類大型涂裝車間均配有大風(fēng)量、高功率的廢氣處理裝置。結(jié)合生態(tài)環(huán)境管理及執(zhí)法部門要求，僅在噴涂作業(yè)或者晾干作業(yè)時，廢氣處理裝置均應(yīng)開啟，但是實際作業(yè)中可能存在個別點位、少量的噴涂作業(yè)時，開啟RCO 和RTO 等焚燒類型處理裝置則一定程度上存在浪費(fèi)能耗的現(xiàn)象，也有學(xué)者關(guān)于RTO 等技術(shù)的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整進(jìn)行節(jié)能降耗研究［2］。

因此，本文首次提出在大型涂裝房內(nèi)應(yīng)用室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究思路，通過在涂裝房內(nèi)并排布設(shè)多套送排風(fēng)控制系統(tǒng)，利用室內(nèi)定位技術(shù)實時定位工作人員具體噴涂位置，將定位信號聯(lián)動對應(yīng)的送排風(fēng)系統(tǒng)，實時調(diào)節(jié)VOCs處理風(fēng)量和設(shè)備運(yùn)行功率，期望起到節(jié)能減排的作用。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

隨著定位服務(wù)不斷發(fā)展，室內(nèi)外定位需求已經(jīng)成為日常工作和生活所需的基本服務(wù)［3］。根據(jù)定位場所和要求不同，主要分為室外定位和室內(nèi)定位。目前室外定位服務(wù)利用衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)（GPS）已經(jīng)可以絕大部分滿足需求［4］，室內(nèi)定位服務(wù)例如大型商場、停車場、大型超市、船艙、機(jī)場航站樓、醫(yī)院、監(jiān)獄等場景也是常見的基本需求，但其定位問題受建筑物、人、信號輻射等多方面的影響［5］。GPS 信號在有障礙物遮擋的情況下衰減和影響十分嚴(yán)重，因而無法很好地應(yīng)用于室內(nèi)定位場景。因此，本研究擬針對常見規(guī)模的大型涂裝噴房（長36 m、寬18 m、高12 m），通過調(diào)研市場常見的室內(nèi)定位技術(shù)，判斷各類技術(shù)實用性、優(yōu)缺點，最終挑選出適用于大型涂裝車間的定位技術(shù)。

1.1 室內(nèi)定位技術(shù)選擇

目前國內(nèi)外室內(nèi)定位技術(shù)原理已基本完善，常見的應(yīng)用大量是基于無線通信系統(tǒng)，例如藍(lán)牙、無線WiFi、射頻（RFID）、超聲波、紅外線、超寬帶（UWB）等室內(nèi)定位技術(shù)［6］，通過文獻(xiàn)調(diào)研和石商自選，常見室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用原理及優(yōu)缺點見表1。

表1 常見室內(nèi)定位技術(shù)

由于大型涂裝車間內(nèi)各類鋼結(jié)構(gòu)工件放置，藍(lán)牙、無線WiFi 技術(shù)會受到極大干擾，并且定位精度約2～3 m，無法實現(xiàn)準(zhǔn)確定位；RFID 不能實現(xiàn)雙向通信和后續(xù)信號的處理轉(zhuǎn)換，超聲波技術(shù)市場小規(guī)模試用較少，也可能出現(xiàn)空間內(nèi)反射現(xiàn)象；紅外技術(shù)會被鋼結(jié)構(gòu)阻擋光線；所以結(jié)合各類定位技術(shù)的定位精度、對環(huán)境要求以及相對成本，UWB 室內(nèi)定位技術(shù)具有較強(qiáng)的穿透力，可應(yīng)用于涂裝車間內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，同時定位精度達(dá)厘米級別，具有較好定位精度，定位系統(tǒng)整體布設(shè)、成本中等，市場化較為常見，故本研究選擇UWB 室內(nèi)定位技術(shù)作為研究對象，開展在大型涂裝車間的應(yīng)用思考。

1.2 定位算法的選擇

為實現(xiàn)精確定位，各類學(xué)者的研究早已涌現(xiàn)出許多不同的室內(nèi)定位算法，是指根據(jù)直接從無線設(shè)備得到的已知數(shù)據(jù)通過一系列計算方法，計算出待定位目標(biāo)的位置具體坐標(biāo)信息。常見的定位算法有基于到達(dá)時間差（TDOA）的定位算法、基于到達(dá)時間（TOA）的定位算法、基于信號飛行時間（TOF）的定位算法、基于接收信號角度（AOA）的定位算法、基于接收信號強(qiáng)度（RSSI）的定位算法、基于信道狀態(tài)信息（CSI）的定位算法等［15］?；玖鞒檀笾孪嗤?，首先是對信號的采集和獲取，然后根據(jù)信號獲取測量參數(shù)，利用定位算法進(jìn)行解析計算，最終實現(xiàn)定位結(jié)果。

UWB 定位技術(shù)在選擇定位算法時需要根據(jù)實際情況進(jìn)行考慮，有文獻(xiàn)［16］指出，RSSI、AOA、TOA等定位算法均不適用于UWB 室內(nèi)定位技術(shù)，利用TDOA 定位算法僅要求參與定位的基站的時間同步，降低了定位的難度。所以，對于UWB 定位技術(shù)，本文選擇TDOA定位算法進(jìn)行分析。

2 大型涂裝車間室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

以國內(nèi)某大型鋼結(jié)構(gòu)制造石的涂裝車間為研究對象，該涂裝車間長36 m、寬18 m、高12 m，長度方向上企業(yè)均勻布設(shè)了8 套送排風(fēng)系統(tǒng)，車間內(nèi)進(jìn)行大型工件的噴涂作業(yè)時，工件置于1.2 m 的支架上，高約3 ～4 m，最長工件可達(dá)到30 m，每次有1～2名噴涂工進(jìn)行手工噴涂油漆作業(yè)。設(shè)計旨在借助室內(nèi)定位技術(shù)，實時定位操作人員的噴涂位置，在噴涂作業(yè)時開啟相應(yīng)區(qū)域的送排風(fēng)系統(tǒng)，其余送排風(fēng)系統(tǒng)呈關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的功率，起到節(jié)能降耗的效果。

結(jié)合室內(nèi)定位技術(shù)的選擇和該涂裝車間的需求，擬設(shè)計UWB 室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)涂裝人員的室內(nèi)定位，同時與風(fēng)機(jī)開關(guān)聯(lián)動，實時控制送排風(fēng)系統(tǒng)的開啟狀態(tài)。UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計通常包括3 大部分［10］：活動標(biāo)簽（定位標(biāo)簽），該標(biāo)簽可由電池供電工作，且?guī)в袛?shù)據(jù)存儲器，能夠發(fā)射帶識別碼的UWB 信號給接收器；傳感器（定位基站、信號接收器），安裝位置固定，接收并計算從標(biāo)簽發(fā)射出來的信號，其中活動標(biāo)簽和傳感器均為硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)，能夠獲取、分析所有位置信息并將信號轉(zhuǎn)化，傳遞給用戶或設(shè)備。基于定位系統(tǒng)需要設(shè)計以下UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)

1）硬件架構(gòu)圖

大型涂裝車間的室內(nèi)定位系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖1。主要由定位引擎服務(wù)器、管理服務(wù)器、使用客戶端、定位基站、定位標(biāo)簽組成。定位標(biāo)簽用于錄入需要定位的涂裝工人信息，作為唯一標(biāo)識，以固定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)至定位基站。定位基站用于收集定位標(biāo)簽上報的位置信息，同時將數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸至定位引擎服務(wù)器。服務(wù)器用于收集定位基站上報數(shù)據(jù)并利用TDOA 定位算法計算出定位標(biāo)簽的實時坐標(biāo)。管理服務(wù)器負(fù)責(zé)對各系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時提供位置信息的存儲、查詢，還可以設(shè)計定位標(biāo)簽實時位置的三維顯示（地圖系統(tǒng)）以及相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。

圖1 涂裝車間人員定位硬件架構(gòu)原理圖

2）定位基站分布

結(jié)合UWB 定位技術(shù)特點和該企業(yè)涂裝車間實際情況，設(shè)計本涂裝車間定位基站的布置方案，具體點位如圖2 所示。圖2 中涂裝房長邊為36 m，被虛擬劃分為8 個縱向區(qū)域，每個區(qū)域約4.5 m，需要4 個定位基站，布置點位分別為涂裝車間的4 個角，可結(jié)合實際粘連或者懸掛于車間頂部，同時由于防爆等級要求，定位基站需要結(jié)合實際情況額外配置防爆裝置。

圖2 某公司涂裝房定位基站布置圖

2.2 軟件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)布置完成后，需要對應(yīng)開發(fā)軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件示意圖見圖3。分別包括定位引擎基礎(chǔ)軟件包、地圖引擎系統(tǒng)、位置監(jiān)控顯示分析軟件包等。

圖3 某公司涂裝房定位軟件系統(tǒng)

定位引擎基礎(chǔ)軟件包是指室內(nèi)定位核心算法引擎，基于融合方式的實時定位系統(tǒng)，在定位基站信號覆蓋的地方跟蹤定位標(biāo)簽，定位標(biāo)簽捕捉無線信號后基于3 點定位及TDOA 的原理，通過定位算法完成定位，可實現(xiàn)定位標(biāo)簽的準(zhǔn)確定位。地圖引擎系統(tǒng)是指將車間的平面布置圖利用CAD 等軟件轉(zhuǎn)化為3D 矢量地圖數(shù)據(jù)。為適應(yīng)管理需要，軟件系統(tǒng)還可以同時開發(fā)設(shè)計權(quán)限管理、用戶管理、實時位置查看、歷史軌跡查看、設(shè)置活動圍欄、超出圍欄報警等系統(tǒng)功能。

3 UWB定位技術(shù)在涂裝車間的節(jié)能效果分析

結(jié)合以上設(shè)計方案，在該大型涂裝車間內(nèi)布設(shè)UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)，采用如下應(yīng)用方式，旨在起到一定節(jié)能效果。

3.1 定位系統(tǒng)模擬應(yīng)用

大型涂裝車間內(nèi)主要以人工噴涂作業(yè)方式為主，需要作業(yè)人員在進(jìn)入涂裝房之前佩戴好定位標(biāo)簽，并且確保定位標(biāo)簽處于有效、有電狀態(tài)，同時開啟定位基站和電腦用戶端，此時電子地圖上實時顯示該工作人員的位置信息。如圖4 所示，該工作人員手持噴槍位于涂裝房內(nèi)的D 區(qū)域進(jìn)行噴涂作業(yè)，通過工作人員隨身攜帶的定位標(biāo)簽（胸卡），實時定位到人員在D 區(qū)作業(yè)，隨后用戶系統(tǒng)將該位置信息轉(zhuǎn)換成電信號，傳輸給涂裝車間的送排風(fēng)控制系統(tǒng)，從而控制A 到H 區(qū)域的送排風(fēng)口風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)以及處理風(fēng)量，即開啟D 區(qū)域送風(fēng)口和排風(fēng)口，關(guān)閉其余風(fēng)機(jī)，相應(yīng)降低排風(fēng)風(fēng)機(jī)到相應(yīng)的處理風(fēng)量，由此實現(xiàn)利用室內(nèi)定位系統(tǒng)實時控制送排風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 某涂裝車間室內(nèi)定位系統(tǒng)應(yīng)用示意

3.2 節(jié)能減排效果分析

在該涂裝車間內(nèi)，車間采用8套送排風(fēng)系統(tǒng)（送風(fēng)和排風(fēng)），所有排風(fēng)口匯集于1 個大型排風(fēng)風(fēng)機(jī)，假設(shè)該風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)，額定功率為55 kW，處理風(fēng)量為46 000 m3/h，通過風(fēng)機(jī)將廢氣匯總至VOCs廢氣末端處理裝置中，該裝置采用吸附（沸石）+RCO 處理工藝。本研究針對普通運(yùn)行狀態(tài)和實施改造后的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行電費(fèi)成本估算，假設(shè)每天按照24 h 滿負(fù)荷工作運(yùn)轉(zhuǎn)，實施前后的成本消耗對比估算見表2。由表2 可知，利用本方案對大型涂裝車間進(jìn)行定位系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)聯(lián)動改造，理想狀態(tài)下可節(jié)約電費(fèi)約38.4 萬元/年，除電費(fèi)以外的吸附材料、催化材料的消耗也會大幅減少。由此可見，本大型涂裝車間利用室內(nèi)定位技術(shù)，理想狀態(tài)下每年可節(jié)約80%的電費(fèi)支出，既減少能源的消耗，同時極大地節(jié)約了運(yùn)行成本。但是實際生產(chǎn)運(yùn)行中，變頻風(fēng)機(jī)的功率運(yùn)行范圍可能無法實現(xiàn)大范圍的波動運(yùn)行，并且廢氣處理設(shè)備的處理風(fēng)量也需要作相應(yīng)的調(diào)減，具體情況下的功率還需結(jié)合進(jìn)一步開展的應(yīng)用試驗進(jìn)行深入分析和效果評估。

表2 實施定位技術(shù)前后能源消耗及成本估算

4 結(jié)論與展望

綜合分析了目前常見的室內(nèi)無線定位技術(shù)的技術(shù)特征、應(yīng)用優(yōu)缺點，結(jié)合大型涂裝車間空間大、廢氣濃度波動、廢氣處理能耗巨大的現(xiàn)狀，選擇UWB 室內(nèi)定位技術(shù)、采用TDOA 定位算法對國內(nèi)某大型涂裝車間進(jìn)行方案設(shè)計，并對未來實施效果進(jìn)行節(jié)能效果估算。研究結(jié)果表明，通過室內(nèi)定位系統(tǒng)與廢氣處理系統(tǒng)聯(lián)動，合理設(shè)計噴涂負(fù)荷下的處理規(guī)模，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率，理想狀態(tài)下可減少80%以上電量消耗，案例測算每年可節(jié)約30 余萬元，實現(xiàn)節(jié)能降耗效果。由于本研究節(jié)能效果為理想情景的估算分析，具體效果仍需要結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用效果進(jìn)行測算，本研究旨在為同類型的高能耗廢氣治理現(xiàn)狀提供新思路、新想法，促進(jìn)行業(yè)企業(yè)節(jié)能減排措施的共同進(jìn)步與發(fā)展。