智慧军营——基于UWB高精度区域实时定位系统应用军营管理

2018-04-04 17:09:42

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1 项目概述

随着中国军队现代化水平的不断提高,装备的逐渐更新,高科技技术的迅速发展,各种管理工作一直是各级领导关注的重点,采用高科技手段参与部队管理,是加强部队现代化建设的重要举措。

营区封闭化管理,每天都要查铺查哨,自动智能化考核士兵训练情况,监督巡逻队伍的人员有没有履职,对内部人员和外来访客进行分别管理等特点,运用UWB(超宽带)高精度定位技术进行自动化管理,智慧军营从而使部队综合管理水平上一个新台阶。

2.1 设计原则

整体最优性原则:在进行架构设计和选型配置时,要进行综合考虑和评价,兼顾以下几个方面:实用性、先进性、可靠性、安全性、经济性.稳定性。
系统实用性原则:系统整体设计要求软硬件的配置必须考虑各种约束条件,在保证满足建设方提出的各项功能与性能要求的基础上要做到有用、实用、易用。
系统安全性原则:系统应具有良好的安全性,即兼容性和扩展性,以适应技术的不断发展和不断增强、增加的应用需求。整个方案的设计以及选用的产品必须坚持标准化的原则,遵从国际化组织所制定的多种国际标准及工业标准来保障数据传输安全性。
系统经济性原则:设备的选型在完成系统要求功能的前提下,尽可能的提高性能价格比。

2.2 总体架构

U-Loc室内厘米级实时定位系统是一款基于极窄脉冲超宽带(IR-UWB)技术,为有效解决室内、舱体、隧道等卫星信号无法覆盖区域的定位而开发的高精度实时定位产品。
U-Loc室内厘米级实时定位系统采用微瓦级的发射功率进行全方位的实时定位,可提供人员、物资的高精准实时定位,全面实现高精度定位、危险预警、生产监管、日常管理以及紧急境况下的人员疏散与搜救等功能,有效提高军事化管理的水平。
系统的设计与开发都要从整体和系统的角度考虑其角色和作用,并有效地利用最新的信息技术,如GIS技术、组件技术、WEB技术、数据库技术等,实现资源信息与基础空间数据相结合,构造一个信息共享、集成的、综合的军事化管理和决策支持平台,实现经济和社会效益的最大化。
智慧军营总体架构如下图所示:

图2-1总体架构图

在系统具有良好的运行环境保障下,根据系统建设的目标,系统的设计框架基于业界标准的三层体系结构——支撑层、数据层、应用层;因为采用这种体系结构无论从平台的角度还是从开发的方面,均是一个结构灵活,便于调整的应用体系。而对整个系统的业务逻辑和数据访问、共享等通过组件层进行封装,各个应用可以基于组件迅速搭建。

2.2.1 支撑层

依托服务器、互联网、智能传感器等软硬件设施,为系统的高效、稳定运行创造良好的支撑环境。

2.2.2 数据层

整合基础地形、影像、资产、人员、BIM模型(三维)、专题等数据,用统一的数据标准进行空间入库,为应用层提供必需的数据基础;通过云安全、数据加密、网络安全设施为数据层进行系统级加密,保障数据层的安全性。

2.2.3 应用层

整合大数据,将最终数据通过系统终端呈现给应用者,如:士兵宿舍智能化查铺查哨,士兵训练情况考查,监督巡逻人员是否到岗,内部人员与外来访客分别化管理,军事演习作战指挥系统、资产精准定位管理系统、人员定位紧急搜救系统等。

2.3 工作原理

在U-Loc室内厘米级实时定位系统中,人员或物品上所佩戴的定位标签利用UWB脉冲信号发射出位置数据,接收机接收、放大UWB信号,经同步分配器校准接收机时钟,计算出定位标签信号到达不同接收机的时间差(TDOA),然后定位引擎采用TDOA定位算法对标签位置进行解算,最终通过有线或无线的方式传输到信息处理中心及控制平台。

2.4 系统软件硬件

2.4.1 定位基站

 


图2-2  小型化定位基站

定位基站产品分类:防爆型定位基站、防水型定位基站、增强型定位基站、小型化定位基站、分离式定位基站;本项目中主要应用小型化定位基站。
安装方式:不同的产品配备有不同的安装固件,可以适应不同的安装应用环境,并支持多角度调节基站朝向。
定位基站分为主基站(Master)和从基站(Slave), 定位基站固定在已知位置,作为位置基准,用于接收标签发射的UWB信号,并通过网络传输层,将定位信息传至定位信息平台;主基站除具备从节点接收功能外,还向各从基站发射同步信号,使各个定位基站获得统一的时钟,以便获得标签发射的信号到达不同基站的时间差(TDOA)。 
标准版定位基站的技术参数如下表所示:

技术参数 定位基站
工作频段 3.1GHz—7.0GHz
供电方式 POE或DC9-36V
安全性能 防浪涌,抗电磁干扰
工作温度 -20°C~60°C
存储温度 -40°C~85°C
工作湿度 RH95%不结露
功耗 小于5W
作用范围 普通型单基站覆盖范围为30m~150m
增强型单基站覆盖范围为30m~300m

2.4.2 定位标签  


图2-3人员佩戴标签

产品分类:人员佩戴、车载型、物资型、防拆型等。
佩戴方式:针对不同的定位对象和应用环境可以选择不同类型的产品,并选择相应的佩戴方式,主要的佩戴方式有绳挂式、背夹式、腕带式、吸附式等;不同的应用环境有防水型、防爆型、防拆型等。
工作模式:休眠模式、激活模式;
休眠模式——在目标长时间静止或无需定位时保持休眠,节省电量;
激活模式——在需要定位时对目标进行实时定位。
 
标准版定位标签的技术参数如下表所示:

技术参数 定位标签
工作频段 3.1GHz—7GHz
供电方式 锂电池
工作温度 -20℃~55℃
存储温度 -20℃~60℃
工作湿度 小于85%
续航能力 1Hz刷新频率3-14个月(不同产品)
功耗 0.6mW(1Hz刷新频率)

2.4.3 定位软件

定位软件包含定位引擎和定位应用软件,其中定位引擎主要用于采集定位终端的原始数据并自动分析解算,最终输出该终端的位置、属性等信息。定位应用软件则是面向应用功能开发的一款软件,拥有标准的协议接口并可以进行二次开发,界面如下图所示。

 

图2-4 定位引擎图


2-5 定位引用软件
 

2.5 系统功能

U-Loc室内厘米级实时定位系统具有传输速率高、抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、低截获概率、定位精度高、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点。因此,采用U-Loc室内厘米级实时定位系统进行人员和设备定位将会展现出现有定位产品所无法达到的效果与功能。其主要功能如下:
Ø  多模式定位:支持多种模式,包括0维(粗略模式),1维(流水线/走廊配置),2维(精确平面定位),2.5维(精确平面定位加上楼层区域信息)和3维。


图2-6  多模式定位

Ø  精准定位:采用先进的IR-UWB定位技术,可达到10cm-15cm的定位精度。
Ø  实时定位:0.1Hz-50Hz可调的刷新速率,确保位置实时更新。
Ø  全局显示:可在后台电子地图中全局化显示和查询区域内所有目标的位置。
Ø  轨迹显示:记录待定位人员的运动轨迹,显示不同的颜色,便于人员分类管理。
Ø  分类跟踪:对于不同目标,可配置不同等级的标签以作区别,达到更大限度的定位需求,使后台管理更加便利、完善。
Ø  历史数据查询:可回放查询历史时刻或时间段目标的位置、轨迹、停留时间等信息。
Ø  摄像头联动:将视频监控的空间位置和监控范围在GIS地图上进行展示,支持对云台和镜头的远程实时联动控制。
Ø  安全区域报警:后台可划分定位区域内安全区电子围栏、警报区和禁区电子围栏等不同级别和类型的区域,目标一旦进入便触发相应级别的报警。
Ø  终端多样化:管理人员可通过手机端APP、平板电脑APP、后台APP进行实时移动查询。

2.6 系统优势

2.6.1 高效实时性

基于IR-UWB技术的无线实时高精度定位平台,依靠由多个强大的数据采集传感器组成的集成网络来即时发送信号,相当于室外的GPS,更精准,动态地告诉你“现在正在发生什么,具体位置”。

2.6.2 厘米级精准定位

优化的定位算法,保证在室内等多径效应显著的应用场合的高精度定位,能够同步、精准、实时地提供给定区域内的人员和设备的瞬间位置和运动信息,便于管理者直观、全局化地把握现场情况,从而做出决策。

2.6.3 强抗干扰能力

U-Loc系统采用超宽带(UWB)技术,利用无载波的超短脉冲进行通信,纳秒级的极窄脉冲具有较高的时间分辨率,能将直达信号和多径信号分离,具有较强的抗多径干扰能力。

2.6.4 高稳定性

极窄脉冲间的时隙容易识别,结合到达时间差定位法(TDOA)定位目标,与基于接收信号强度的传统定位技术相比,对应用环境的电磁、物理干扰不敏感,能够实现较高的定位精度。

2.6.5 便携性

自组网的无线连接架构,使系统部署更简单、稳定、可靠,便于临时进行环境布设满足区域定位。

2.6.6 高安全性

辐射极小,不到手机辐射的1%,对军用其它通信设备不会产生信号影响;在数据传输方面为系统数据进行加密,保证数据在传输过程中的高安全性。

3 布设方案

3.1 士兵宿舍区域

区域需求明细:(略)
布设方案说明:
该区域系统要能自动识别士兵在位情况(即动态实时点名),监督值班干部到位情况等,采用高精度定位系统的零维感知方式就可以实现,即在每个士兵宿舍内部门上方区域安装一台定位器并在宿舍天花板上安装一台定位基站,实时触发性的监测宿舍内士兵的在位情况,对人数进行统计,实时点名,感知值班干部的到位情况等。

3-1 布设示意图(略)

3.2 训练场区域

区域需求明细:(略)
布设方案说明:
该区域系统要能自动识别士兵跑步到训练场的到位情况以及跑步所用的时间,所以采用高精度定位系统的二维定位方式可以实现,即在该训练场的四周安装定位基站,可以实时的确定每一个士兵的位置信息,又有每个士兵在某位置的时间信息,所以上述需求完全满足。

图3-2 布设示意图

3.3 库房区域

区域需求明细:(略)
布设方案说明:
在库房每道大门处安装一台定位器并在库房内部布设6台定位基站,不但可以自动检测巡逻人员到位情况和进入库房人员信息,而且可以实时的定位人员运动的轨迹信息。

图3-3 布设示意图

3.4 部队营门区域

区域需求明细:(略)
布设方案说明:
对于部队人员和访客人员可以采用不同的标签进行管理,也可以用同一标签设置不同属性进行管理,需要监督访客人员在整个营区行走的路线,实用高精度定位的一维定位方式可以实现。

图3-4 布设示意图

本方案充分运用UWB(超宽带)高精度定位技术进行自动化管理,对人、物、训练等进行精确管控,智慧军营系统使部队综合管理水平上一个新台阶。


  • 关键词:
  • 智慧军营
  • 智慧营区