•技术改造与改进•
基于U W B及视觉技术的无人行车库区安全管理系统
袁野刘金刚向宗继王长巍金占河
(大连华冶联自动化有限公司大连116000)
【摘要】详细介绍了 U W B定位技术，简述了引入行车无人化技术后，在包装区域存在作业人员和无人行 车发生碰撞的风险，因此，需要对包装区域人员及行车吊具进行U W B定位，并及时报警停车，以防止发生人员碰 撞事故，满足企业的安全管理要求。
【关键词】无人行车 U W B走位奂全箐理
第39卷2021年第丨期(总第211期）技术改造与改进
Safety Management System of Unmanned Crane Storage
Area Bad on UWB and Vision Technology
YUAN Ye,LIU Jin-gang,XIANG Zong-Ji,WANG Chang-wei,JIN Zhan-He
(Dalian Huayelian Automation Co., Ltd., Dalian 116000)
西洋参的作用和功效
【Abstract】Dftscrihe the UWB positioning technology in detail.And introduce briefly the risk of workers collided with unmanned crane in the packaging area.Therefore,it is necessary to make UWB positioning on the personnel and crane slings in the packaging area,and nd out alarm in time to stop the crane so as to prevent the occurrence of collision accidents and meet the requirements of enterpri curity management.
【Key words】Unmanned crane,UWB positioning,safety management
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当前库区的行车操作主要依靠人工，劳动强 度大，效率低，安全事故易发，且质量不稳定。在 “中国制造2025”大背景下，物联网、人工智能等信 息技术蓬勃发展，制造企业处于向智能工厂转型 升级的十字路口，谁看的远、选的准，必将获得十 足的发展机遇。在钢铁企业智能制造规划的要求 下，以智能库管业务为核心，开发无人行车调度系 统，以适应现代化钢铁生产仓储管理的需要具有 重要意义。然而在库区包装区域，有固定作业人 员时，存在无人行车与人员发生碰撞的风险。因此，为了保证无人行车的运行效率和作业人员的 安全，必须配置一套与无人行车相结合的库区安全管理系统。
2技术方案
2.1 定位管理技术
区域内所涉人员及机具的定位管理采用UWB 定位技术（以下简称UWBL,0C)。
UWB(Ultra Wide Band，超宽带）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线载波通信技 术，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，所占的频谱范围很宽。U W B是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定，U W B所使用的频率范围为3.1〜10.6 GHz 之间的7.5 GHz的带宽频率。
2.1.1 U W BLO C特点
高精度：系统定位精度小于30cm。
抗干扰:UWBLOC技术定位精度不受粉尘、雨 雪条件影响，可以在高电压、强磁场条件下使用。
远距离：单基站覆盖半径可以大于l〇〇m。
实时性：位置刷新频率可以做到1~30H Z。
低辐射：设备辐射不到手机辐射的千分之一。
保密性：数据局域网加密传输，安全保密。
2.1.2 U W B L O C走位康理介绍
如图1所示，信号发射源发射信号脉冲，信号 接收机提前安装在需要定位的空间里面，并需要 自定义一个直角坐标系统，测绘出每个接收机的
栏目编辑：贺英群
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技术改造与改进
第39卷2021年第1期(总第211期）
x ，y ,z 坐标。信号发射源发射的脉冲飞行速度为 光速c ，脉冲到达3个信号接收机的时间分别为 H
r 3，通过光速c *时间r 就可以算得3个距离
分别以3个距离为半径画出3个圆圈的
交集处就是信号发射源的位置，这就是三角定位 原理，和卫星定位原理一样。定位系统组成分为 有线和无线传输模式，如图2，3所示。
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信号接收机1，一了 \
坐标（x l ，y l ，,A )入
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楼梯图片, ✓ \、
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Z f 、、、
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信号接收机2 "
(x 2, y 2, z 2^
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、、信号接收机3
4标（jr 3, _y 3, z 3 )
图1 UWBLOC 定位原理
定位系统组成（有线传输模式）
信号接收机 信号接收机
信号接收机
接收！接收机接收机：接收机接收机！接收!机
网线遍钱M 线
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文机丨接收机接i 接收机P O E 交换机
P O E 交网
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m
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线
P O E 交换机
网线
交换机
定位引擎服务器显示器
多种不同的定位模式，如存在性检测、一维模式、
二维模式、三维模式等，根据用户需要实现的效果 可以选择不同的定位模式以达到降低成本目的。 定位模式如图4所示。
图4定位模式示意
2.1.3 走位泉站介绍
根据不同的应用场所来选择不同款的定位基
站，防爆基站适合于需要防爆的场所，比如化工 厂、油库、煤矿等需要防爆的地方。室外定位需要 防水、防尘、防潮的场所，就可以选用IP 67防护等 级的基站，比如室外、地下管廊等潮湿地方。室
内 不需要考虑防水、防尘的地方就可以选用室内型 或吸顶型基站。定位基站如图5所示。
图2有线传输模式
定位系统组成（无线传输模式）
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王字旁的有什么字
定位接收机
U J
定位接收机
定位接收机
u j _
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定位接收机梦见领导人
定位接收机
图3无线传输模式
定位模式介绍：UWBL 0C 定位系统可以实现
2.1.4 走位柘签介绍
根据需要可以选择不同的标签佩戴，卡片型
标签可以佩戴在胸前，手环型方便戴在手上，车载 型可以放在车上，物资型可以用于定位物资。定 位标签如下图6所示。
I
，
矚
(a )胸卡式标签（h )手腕式标签（c 〇头盔式标签
图6定位标签
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功能介绍：
(1) 目标对象位置实时显示功能。
(2) 目标对象历史运动轨迹回放、查询功能。(3) 电子围栏功能可以将任意区域设置为电 子围栏区域，没有权限人员进人会触发报警。
(4) 定位系统二次开发功能。2.2 闯入识别
由于本系统所涉包装区域为非封闭区域，存 在非可识别人员闯人情况，安全隐患极大，因此对 区域内的非可识别人员的判断也十分重要。方案 采用当前比较成熟的人脸识别和动作识别技术， 实现对区域内人员数量的实时监测。
人脸识别技术是基于人的脸部特征，对输人 的人脸图像或者视频流，首先判断其是否存在人 脸，如果存在人脸，则进一步的给出每个脸的位 置、大小和各个主要面部器官的位置信息，并依据 这些信息，进一步提取每个人脸中所蕴涵的身份 特征，并将其与已知的人脸进行对比，从而识别每 个人脸的身份。
人脸识别系统主要包括四个组成部分，分别 为人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图 像特征提取及匹配与识别。
基本功能包括人脸捕获与跟踪功能、人脸识 别比对、人脸的建模与检索、真人鉴别功能、图像 质量检测。
人体行为检测识别基于视觉分析技术，是计 算机视觉与其他学科相结合的产物，在计算机智 能视频监控中有着极为重要的应用。人体行为的 检测识别主要是指综合地利用计算机视觉、图像 图形学、模式识别与人工智能等诸多方面的知识 和技术，从连续视频序列中提取出运动目标（人 体)，同时对提取出的运动目标进行连续地识别和 跟踪，并对人的行为进行理解和描述，其最终目的 是识别出人
体的行为。运动目标的检测和跟踪属 于低层次的处理，属于图像处理的范畴；人体行为 理解和描述属于高层次的处理，属于人工智能的 范畴。此技术已被广泛应用于生产、生活的各个 领域，具有较高的辨识精度。2.3 行车定位
行车定位信息主要来源于改造后的无人行车 系统中的位置信息，其主要采用格雷母线定位技 术，定位精度可以达到毫米级。
格雷母线定位系统，是在消化吸收世界最先 进的电磁感应原理基础上研制生产的新型高可靠定位产品。它一问世就受到冶金、港口、矿山、电 力、煤炭、化工等行业的普遍青睐。它是一种比较 成熟的位移检测和数据通信传感器，定位精度为
5mm ，可以断续或连续检测，尤其适用于轨道不平 整的大车或环形运动机械位移检测。防水、防油、 防尘、耐酸碱，理论上无寿命极限。2.4 安全地毯
安全地毯又名安全地垫，主要用于机器人工 作站、弯管机、汽车冲压生产线、轮胎成型机、橡塑 机械、包装机械、装配机械等危险区域，实现安全 防护。
安全地毯是一种特殊的安全保护开关，主要 特点是坚固耐用、反应灵敏、使用寿命长、性价比 高、安全等级高、使用范围广等。主要工作原理是 当有人或者是重物踩踏或者是放置于安全地毯表 面上
时，安全地毯上下两个接触面被挤压，内部设 置的线缆接通，形成电路，继而输出开关量信号控 制机器运行，从而实现区域的安全防护。安全地 毯放置于机械设备危险区域的地面可节省空间， 也可以保证工作现场的道路通畅。
安全地毯采用特殊载重橡胶材质一次压铸成 形（橡胶碎料或P V C 塑料材质），载重橡胶材质的 安全地毯使用的时间更长，抗磨损性更强，抗腐蚀 能力更强，同时搭载安全地毯专用的控制器使用， 安全地毯与安全地毯控制器的配合使用形成一个 完整的安全控制系统，会在很大程度上提高安全 地毯的反应速度和安全性能，从而很好保护工作 人员和机械设备的安全，安全防护效果会更加 显著。
2.5 系统网络结构
本系统主要由工作人员定位系统和工作区域 人员识别系统两大系统组成。两个系统的硬件设 备(U W B 基站、摄像头等)通过交换机接人局域网 内，与局域网内的服务器相连接。两个系统的软 件部署在服务器上，局域网内的客户端可以通过 计算机终端直接访问服务器资源，移动终端可以通 过互联网访问服务器资源。网络结构如图7所示。 2.6数据交互
数据交互如图8所示。工作人员定位系统通 过定位基站实时采集行车吊具和工作人员的UWB 定位芯片的位置信息，经过上位机定位引擎系统 对数据进行初步计算，然后通过W E B 服务系统 (TCP /IP 协议)发送报警信号(解除报警)给无人行 车P L C 系统，无人行车P LC 系统根据收到的报警
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技术改造与改进第39卷2021年第1期(总第211期)
信号类型来控制行车的运行状态，以此解决包装
区域内行车与工作人员发生碰撞的安全问题。
WEB服务(界面展示、’用户拇作数抿々卜理，报警信号
无人行幸PLC系统
外发API) ，数据外发
：数损攀算)
(TCP/IP)
基站U基站
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标签 标签 标签
工作人员定位系统无人行车车系
家常西餐
图8数据交互示意
2.7安全管理系统功能说明
安全管理系统主要由工作人员定位系统、生 产区域人员识别系统、无人行车数据交互系统三 个部分组成。其主要功能是负责与各子系统实时 通讯，将各子系统数据按照已制定的安全工作原 则进行分析，对现场生产人员实施安全提醒，保障 现场生产安全运行。
无人行车运行轨迹与现场工作人员实时位置 比对。通过行车和工作人员的位置信息判断人员 与行车运行是否存在位置干涉，如有干涉情况，及 时通过其佩戴的安全标签提醒人员进行避让，不 影响行车正常运行；如生产人员未避让，系统将通 知行车停车，并在系统中进行提示，确定现场生产 人员情况，排除问题后行车按原计划恢复运行，或 重新生成新的位置信息，通知行车系统对放置钢卷位置信息进行调整，按新生成路线运行。
现场工作人员实时位置与生产区域人员识别 信息比对：在U W B定位系统和区域识别系统内设 定一致的电子围栏，U W B定位系统实时统计在工 作区域内工作人员数量，将人员数量信息与人员 识别系统
中的人员数量信息相比对，确定数量是 否一致，如有差异，将通知管理人员对生产区域人 员进行核查，将非此工作区域的外部人员清除，以保证生产区域内的生产安全。
安全管理系统包含安全规则定制、区域人员 管理、区域内人员及设备实时位置管理、报警管理 等功能模块，并可以根据客户需求进行二次开发。
2.7.1 工作人员走位糸晚
系统采用先进的U W B定位技术，在包装区域 安装定位基站，区域内工作人员均佩戴集成UWB 定位芯片的安全帽。工作人员的三维定位数据通 过定位基站，传输至服务器，并在系统中生成3D 视图。
利用人员定位系统，可以根据现场生产作业 需求，划定多个工作区域，对各个工作区域功能进 行动态调整，实现对每个区域进行独立的安全分级管理。定位标签安装位置如图9所示。
图9定位标签安装位置
2.7.2 无人行车糸晚
无人行车系统依据生产计划正常执行钢卷吊 运工作，其生成的钢卷放置位置信息同时发送至安全管理系统服务器，系统根据此位置信息与人 员位置信息进行比对，确认作业安全性。无人行 车吊具上安
装有U W B定位芯片，在行车运行至包 装区域中时，以吊具为中心设定空间安全区域，确 保其与现场工作人员不会出现碰撞。
行车放置和起吊钢卷过程中，实时接收安全管理系统数据，如有碰撞报警时，立即停止运行，直到接收新的指令后方可恢复运行。吊运防撞如 图10所示。
下一步工作计划怎么写-33
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图10吊运防撞示意
2.7.3 区成人员釵别糸坑
人和动物的关系区域内的人员主要是包装工、固定包装人员。 人员识别系统目的就是判断包装工工作情况，防 止非本作业区的人员进人。(1)人脸识别：接人人脸摄像机、人脸抓拍机 可应用于黑名单告警、陌生人告警、无感通行、轨 迹还原；接入人证核验机、人脸识别一体机可应用 于刷脸通行、刷脸考勤签到、轨迹还原、访客管理。
(2 >人体检测/人数统计：接入摄像机应用于周 界防护、区域闯入告警；人体结构化属性提取包括 上衣、裤子、鞋子、包包等22种属性。
(3)行为检测：接入摄像机应用于违章检测告 警；可扩展摔倒检测告警；可扩展吸烟告警。
屁很臭三个包装区域内分别安装8支丨080P 人脸识 别摄像机(点位1~8)，安装高度为3mm ，实现区域 内人脸识别功能；安装4支1080 P 人体识别摄像机 (点位9~12)，安装高度为4.5 m ，可实现区域内人体 识别和人数统计功能。摄像机布置如图11所示， 视觉识别系统界面如图12所示。
图U
摄像机布置图
图12视觉识别系统界面
2.7.4 妾全地毯防护糸蜣
在包装区域内按6行4列规划固定卷位，每个 固定卷位安装安全地毯，并对每个卷位进行编号， 全区域共设置24个安全点位，以每行为单位输出 一个报警点，准确区分安全报警信息。
在正常作业过程中，各卷位报警信息与无人 行车系统的钢卷搬运位置信息、UW B 人员定位信 息进行关联比对，对有可能出现碰撞事故的情况 进行预判，并通过与U W B 人员定位系统向工作 人员发出报警提示；如经数据比对，此人员为非 本区域作业人员，则向岗位安全管理人员发出报 警提示，确认现场实际情况，同时向无人行车系 统发出停车指令。安全地毯防护如图13所示。
图13安全地毯防护示意
3应用效果分析
本系统应用在鞍钢股份冷乳三分厂轧后库的 包装区域，采用先进的U W B 定位技术对库区作业 人员及无人行车的吊具进行精准、实时定位，有效 解决无人行车和地面作业人员发生碰撞的问题;
采用视觉识别技术对包装区的人员及其行为进行 识别，防止非作业人员闯入。在此基础上，还采用
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