一种海洋平台人员定位系统及定位方法

技术领域

本发明属于人员定位技术领域，尤其是涉及一种海洋平台人员定位系统及定位方法。

背景技术

海洋平台作为特殊的作业场所，无论是其作业地点还是作业方式都与普通陆地企业不同。海洋平台的建设与维修、甲板作业、管理和后勤、钻探和生产等，也是大多数事故和危险发生的地方，具有空间局限，发生火灾、爆炸风险大、工作人员工作区域分散等特点，海洋平台一旦发生火灾、爆炸等紧急情况，如何获取海上工作人员的具体位置，使海上人员在相对局限的空间下迅速安全逃生，快速实施救援措施，最大限度保障平台与人员生命安全，是平台运维过程中亟待解决的重要问题之一。

目前，用于室内定位的方法种类很多，然而，因为海洋平台的特殊性，不能满足室内极端复杂的信号传播环境，现有的室内定位技术应用在海洋平台时，整体带给用户的定位效果往往不太理想。

为了更好的满足海洋平台使用需求，需要定位系统在客户端和服务器重新部署额外的专用设备，硬件成本比较高、定位覆盖的范围较小，在推广和应用时受到了很大的限制。因此需要开发一种适用于海洋平台的人员定位系统和定位方法，实现视距、非视距复杂定位环境下平台工作人员的高精度定位，以满足海洋平台使用环境要求。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种人员定位系统及定位方法；尤其是适用于海洋平台，基于深度神经网络的无线定位技术，通过构建定位指纹数据库并训练神经网络，实现平台工作人员位置的精确预测；基于无线通信技术将人员位置信息发送应用平台，可视化获取平台每个工作人员精确位置的一种海洋平台人员定位系统及定位方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海洋平台人员定位系统，包括，

蓝牙信标，所述蓝牙信标布设在海洋平台定位区域内，所述蓝牙信标集成蓝牙广播模块，实时广播蓝牙信号，作为定位系统位置的基准点；

定位器，海上作业人员携带所述定位器，所述定位器集成蓝牙感知模块和无线传输模块，所述蓝牙感知模块感知所述广播蓝牙信号，并将基础定位数据实时传输至定位基站；

定位基站，所述定位基站安装于船体各区域，远距离并行接收多个所述定位器的数据，将数据汇总后通过多种网络传输方式传送至定位引擎主机；

定位引擎主机，所述定位引擎主机安装于所述海洋平台定位区域内的管理中心，通过定位算法解算出所述海上作业人员准确位置，以及实现对数据的统计与分析；

应用平台，所述应用平台通过显示终端显示所述海上作业人员准确位置。

进一步的，所述蓝牙信标布设于海上平台夹板及立柱内外区域，布设间隔为10m-15m。

进一步的，所述蓝牙信标型号为HB101-C，外形尺寸为113mm×75mm×22mm，通信频段为2.4GHz，发射功率为-20dBm-0dBm可调，发射间隔为0.1s-5s，防爆等级为Ex ib IIC T6Gb或Ex ibD A21 IP65 T80℃，防护等级为IP68。

进一步的，所述定位器型号为HL102-C或HL201-C，通信频段为2.4GHZ或410MHZ-525MHZ，发射功率为0dBm-20dBm自适应，防爆等级为Ex ib IIC T6 Gb或Ex ibD A21 IP65T80℃，防护等级IP66或IP67。

进一步的，所述定位基站型号为HBS104-WEx，主机尺寸为230mm×220mm×150mm，通信频段为410MHZ-525MHZ，发射功率为0dBm-30dBm，在空旷无遮挡环境下覆盖范围为1.5公里，防爆等级为Ex dIIC T6 Gb或Ex tD A21IP65 T80℃，防护等级为IP66。

进一步的，所述定位引擎主机产品型号为HLE201-3000

进一步的，本发明还提供一种海洋平台人员定位方法，利用上述海洋平台人员定位系统，包括以下步骤，

S1：将蓝牙信标布设在海洋平台定位区域内，所述蓝牙信标实时广播蓝牙信号；

S2：海上作业人员佩戴定位器，所述定位器感知所述广播蓝牙信号，并将数据实时传输至定位基站；

S3：安装定位基站，所述定位基站接收所述数据，传送至定位引擎主机；

S4：所述定位引擎主机计算出所述海上作业人员准确位置，通过应用平台显示。

进一步的，所述S1包括以下步骤，

S11：将部分所述蓝牙信标安装于立柱间的楼梯间墙面或地面，用3M胶固定周边后打玻璃胶，部分所述蓝牙信标用金属扎丝固定于栏杆上，避免造成信号遮挡；

S12：将部分所述蓝牙信标安装于甲板区域，所述甲板区域包括底层、夹层和顶层，在各层甲板墙面或地面，采用3M胶固定后打玻璃胶，在钢架结构上通过金属扎丝固定；

S13：将部分所述蓝牙信标安装于“回”字形底浮箱，布设间距约10m-15m。

进一步的，在所述S3中，所述定位基站和防爆箱安装在支架上，所述支架固定在墙面或钢架结构上。

进一步的，所述S4包括以下步骤，

S41：所述定位引擎主机采用卡尔曼滤波算法对信号进行预处理；

S42：将处理过的蓝牙信号RSSI值通过测距公式计算所述蓝牙信标到所述定位器间的距离；

S43：根据三边定位算法计算出所述定位器的坐标信息。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明在海洋平台内各区域布设多个无线蓝牙信标，以保证蓝牙信号可以覆盖整个平台。平台的作业人员通过可穿戴式定位器接收蓝牙信号，可穿戴式定位器通过内置的无线传输模块，实时将接收到的蓝牙信号传输至定位基站。定位基站收集来自个定位器的蓝牙信号，并将数据汇总后通过有线网络的方式传输至定位引擎主机，在定位引擎主机计算出定位器的坐标位置。上述方法可扩展性强，可根据需要增加或减少蓝牙信标，缩短网线铺设距离，减少对平台生产的影响，并节约运营维护成本。基于RSSI指纹库的定位精度增强技术可以提升蓝牙定位精度，满足平台人员定位需求。

2.本发明实时定位平台作业人员位置以提高救援效率的需求，本文基于超低功耗的基于RSSI的蓝牙定位算法，设计了一个高效、稳定的深水半潜式平台人员定位系统，通过可视化界面实现中央控制系统对平台作业人员进行实时定位、以及人员和平台管理等功能。在紧急情况发生时最大限度保障平台作业人员的生命安全，提高平台的安全运维水平。

3.本发明结合报警系统及逃生指示系统，针对发生紧急情况时，平台作业人员的应急逃生需求，基于无线通信技术将人员位置信息发送至智慧决策中心，根据环境信息动态生成每个平台作业人员的最优逃生路线，并将逃生指令发送至工作人员的终端指示系统引导工作人员逃生。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明实施例中蓝牙信标及定位基站在船体侧面分布示意图。

图3是本发明实施例中蓝牙信标及定位基站在船体主甲板层分布示意图。

图4是本发明实施例中蓝牙信标及定位基站在船体夹层甲板层分布示意图。

图5是本发明实施例中蓝牙信标及定位基站在船体生产甲板层分布示意图。

图6是本发明实施例中蓝牙信标及定位基站在“回”字形底浮箱布点示意图。

图7是本发明实施例的蓝牙信标结构示意图。

图8是本发明实施例的定位基站结构示意图。

图9是本发明实施例的整体流程图。

图10是本发明实施例的三边定位算法原理图。

图11是本发明实施例中修正三边定位算法原理图。

图12是本发明实施例中海洋平台人员定位原理图。

图中：

1、蓝牙信标2、定位器3、定位基站

4、定位引擎主机5、应用平台。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

如图1所示，一种海洋平台人员定位系统，包括，蓝牙信标1、定位器2、定位基站3、定位引擎主机4和应用平台5。蓝牙信标1布设在海洋平台定位区域内，集成蓝牙广播模块，实时广播蓝牙信号，作为定位系统位置的基准点。海上作业人员携带定位器2，定位器2集成蓝牙感知模块和无线传输模块，蓝牙感知模块感知广播蓝牙信号，并将基础定位数据实时传输至定位基站3。定位基站3安装于船体各区域，远距离并行接收多个定位器2的数据，将数据汇总后通过多种网络传输方式传送至定位引擎主机4。定位引擎主机4安装于海洋平台定位区域内的管理中心，通过定位算法解算出海上作业人员准确位置，以及实现对数据的统计与分析。应用平台5通过显示终端显示海上作业人员准确位置。

如图2-6所示，蓝牙信标1布设于海上平台夹板及立柱内外区域，布设间隔为10m-15m。具体的，蓝牙信标1安装于立柱楼梯间、三层甲板、及“回”字形底浮箱，蓝牙信标1布设在海上平台船体侧面。

蓝牙信标1为定时广播蓝牙信号，提供位置参考点的装置，蓝牙信标1可以为多种结构，具体的，如图7所示，本实施例提供的蓝牙信标1型号为HB101-C，外形尺寸为113mm×75mm×22mm，可在-40℃-+80℃范围内工作，可在-40℃-+85℃范围内储存，可通过贴地或壁挂方式部署使用，通信频段为2.4GHz，支持标准为BLE 4.0，iBeacon协议，发射功率为-20dBm-0dBm可调，发射间隔为0.1s-5s可调，防爆等级为Ex ib IIC T6 Gb或Ex ibDA21IP65 T80℃，防护等级为IP68，高性能锂氩电池，续航时间可达8-10年，发射加密过滤和配对秘钥过滤，支持标准密码保护、防篡改、防伪造，参数设置为UUID、Major、Minor、发射间隔、发射功率、防篡改秘钥等。

定位器2为接收蓝牙信号，并将收到的蓝牙信息通过专有LoRaLAN通信网络上传至定位基站3的装置，定位器2可以为多种结构，本实施例提供的定位器2为胸卡、安全帽等穿戴设备。具体的，本实施例提供的定位器2型号为HL102-C或HL201-C，可在-20℃-+70℃范围内工作，可在-40℃-+85℃范围内储存，供电方式为电池供电，可通过磁吸触点方式充电，充电电压为5V，内置RFID卡支持ISO 14443A标准(M1)，通信频段为2.4GHZ或410MHZ-525MHZ，发射功率为0dBm-20dBm自适应，发射天线增益为2.5dBi，防爆等级为Ex ib IIC T6 Gb或ExibD A21 IP65 T80℃，防护等级IP66或IP67，支持一键报警。当定位器2为胸卡时，外形尺寸为83.5×53.5×6.5mm，重量为35g。当定位器2为安全帽时，外形尺寸为75×55×21mm，重量为85g。

定位基站3为与定位器2进行双向通信，将在线的定位器2信息实时发送给定位引擎主机4的装置，定位基站3可以为多种结构，具体的，如图8所示，本实施例提供的定位基站3型号为HBS104-WEx，主机尺寸为230mm×220mm×150mm，可在-40℃-+80℃范围内工作，可在-40℃-+85℃范围内储存，可通过壁挂或抱杆方式安装使用，通信频段为410MHZ-525MHZ，支持标准为IEEE 802.3，发射功率为0dBm-30dBm，发射天线增益为5dBi，灵敏度为-127dBm，在空旷无遮挡环境下覆盖范围为1.5公里，防爆等级为Ex dIIC T6Gb或Ex tD A21 IP65T80℃，防护等级为IP66，可通过POE供电或DC12V供电，网络接口为RJ45，通信协议为UDP。

定位引擎主机4为位置解算的装置，定位引擎主机4可以为多种结构，具体的，本实施例提供的定位引擎主机4型号为HLE201-3000

应用平台5显示海上作业人员准确位置，具体的，本实施例提供平台的2D、3D可视化界面，中央控制系统可以根据需求调度分布式部署在平台的设备数据，当遇到紧急情况时，指挥中心可以灵活切换平台中不同信号源信息，以获得现场的情况、人员位置信息等数据，从而更好地指挥平台作业人员逃生以及现场救援工作。此外，根据平台的作业办公需求，该系统还为平台内部危险区域及特殊区域设置了电子围栏进行严格管控，为平台正常运作提供强大的安全保障。

如图9所示，本发明还提供一种海洋平台人员定位方法，利用上述海洋平台人员定位系统，包括以下步骤，

S1：将蓝牙信标1布设在海洋平台定位区域内，蓝牙信标1实时广播蓝牙信号，具体的，S1包括以下步骤。

S11：将部分蓝牙信标1安装于立柱间的楼梯间墙面或地面，用3M胶固定周边后打玻璃胶，部分蓝牙信标1用金属扎丝固定于栏杆上，避免造成信号遮挡。

S12：将部分蓝牙信标1安装于甲板区域，甲板区域包括主甲板层、夹层甲板层和生产甲板层，在各层甲板墙面或地面，采用3M胶固定后打玻璃胶，在钢架结构上通过金属扎丝固定。

S13：将部分蓝牙信标1安装于“回”字形底浮箱，布设间距约10m-15m。

S2：海上作业人员佩戴定位器2，定位器2感知广播蓝牙信号，并将数据实时传输至定位基站3。

S3：安装定位基站3，定位基站3接收数据，传送至定位引擎主机4；具体的，定位基站3和防爆箱安装在支架上，支架固定在墙面或钢架结构上。

S4：定位引擎主机4计算出海上作业人员准确位置，通过应用平台显示，具体的，S4包括以下步骤。

S41：定位引擎主机4采用卡尔曼滤波算法对信号进行预处理。

S42：将处理过的蓝牙信号RSSI值通过测距公式计算所述蓝牙信标1到定位器2间的距离。

S43：如图10所示，根据三边定位算法计算出定位器2的坐标信息。

在海洋平台，由于其空间结构的复杂性，蓝牙信号的传播通常会受到反射及多径效应等影响，导致实际信号在传播过程中被削弱，因此，需要建立如下路径损耗模型，计算信号传播距离与信号衰减的关系：

其中，d为定位器2与蓝牙信标1的距离，d′为参考距离，本文中d′＝1m，L(d)和L(d′)分别为在距离蓝牙信标d和d′处接收到的RSSI值，其中L(d′)可直接在平台测量获得，n为路径损耗指数，X

海洋平台的人员定位算法是基于蓝牙RSSI的四点测量法，四点测量法基于二维空间下的三边定位算法拓展到三维空间的定位算法，二维空间下的三边定位算法，假设(x

由于海洋平台空间结构的复杂性，蓝牙信号在传播过程中受反射及多径效应等影响，蓝牙信标1到定位器2之间的距离存在的误差，可能导致以蓝牙信标1为圆心的三个圆形不能交于一点，如图11所示：

此时，上述定位目标的求解问题将转化为求解超定线性系统的数值解，通过在计算定位器2坐标时测量定位目标到多个蓝牙信标1的距离，然后采用最小二乘法求解公式(4)以计算定位目标的所在位置。

然而，上述三边定位算法是基于二维平面的定位算法，在实际海洋平台中，蓝牙信标1是在三维场景下部署的。因此，在三维场景下对目标点定位，至少需要通过4个蓝牙信标1的信号强度以确定各个蓝牙信标1到目标点的距离。给定4个蓝牙信标1的位置坐标(x

根据三维场景下的定位原理，二维场景下的三边定位算法可以扩展为四点测量法：

求解公式(5)即可计算出定位器2的位置坐标。类似的，蓝牙信号在海洋平台中传播受反射及多径效应等影响，蓝牙信标1到定位器2之间的距离存在的误差，可能导致以蓝牙信标1为圆心的四个求不能交于一点。针对上述问题，可以通过在计算定位器2坐标时测量定位目标到多个蓝牙信标1的距离，然后采用最小二乘法求解公式(6)以计算定位目标的所在位置：

为了验证算法的性能，本文在MATLAB上进行了一些列仿真实验。首先，模拟室内环境的长宽高设为10m×10m×5m。其次，为了模拟在海洋平台中，信号可能受多径传播、非视距传播、同频干扰等影响，本文设置了30dB的信噪比。最后，本文采用随机产生的15个定位目标点，并分别采用四点测量法以及采用了最小二乘法的多点测量法计算定位目标的位置坐标，并采用均方根误差的误差检验算法，对比四点测量法以及最小二乘法的性能。在所有定位目标点的测试中，本系统采用的最小二乘法的均方根误差更小，且定位精度更高。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明在海洋平台内各区域布设多个无线蓝牙信标，以保证蓝牙信号可以覆盖整个平台。平台的作业人员通过可穿戴式定位器接收蓝牙信号，可穿戴式定位器通过内置的无线传输模块，实时将接收到的蓝牙信号传输至定位基站。定位基站收集来自个定位器的蓝牙信号，并将数据汇总后通过有线网络的方式传输至定位引擎主机，在定位引擎主机计算出定位器的坐标位置。上述方法可扩展性强，可根据需要增加或减少蓝牙信标，缩短网线铺设距离，减少对平台生产的影响，并节约运营维护成本。基于RSSI指纹库的定位精度增强技术可以提升蓝牙定位精度，满足平台人员定位需求。

2.本发明实时定位平台作业人员位置以提高救援效率的需求，本文基于超低功耗的基于RSSI的蓝牙定位算法，设计了一个高效、稳定的深水半潜式平台人员定位系统，通过可视化界面实现中央控制系统对平台作业人员进行实时定位、以及人员和平台管理等功能。在紧急情况发生时最大限度保障平台作业人员的生命安全，提高平台的安全运维水平。

3.本发明结合报警系统及逃生指示系统，针对发生紧急情况时，平台作业人员的应急逃生需求，基于无线通信技术将人员位置信息发送至智慧决策中心，根据环境信息动态生成每个平台作业人员的最优逃生路线，并将逃生指令发送至工作人员的终端指示系统引导工作人员逃生。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。