基于物联网技术的船舶人员定位管理系统20120507

胜软石油技术开发有限公司

2012年5月3日

一、项目背景

海洋石油船舶中心是胜利油田唯一的专业化船舶保障和海洋应急单位，中心拥有拖轮、货轮、油轮、浮吊、驳船、挖泥船等性能先进的船舶29艘，其中有大马力海洋石油勘探开发专用工作船7艘，承担着保障支持油田海洋石油勘探开发过程中的各类生产任务。

当前，海上油田是胜利油田增储上产的主阵地。油田“十二五”规划建设明确要求强化海上油田重点地区和重点项目的运行。随着海上油田作为重点资源接替阵地，海上勘探钻井等类作业的工作量迅速攀升，海洋船舶的使用也越来越频繁。

海洋船舶主要用来完成胜利钻采平台的拖航、移位、就位等任务，另外还负责胜利海区海上油田的生产、生活物资供应任务。每艘船舶均有大量的工作人员，由于工作在海上，人员分布分散，不利于管理，而存海洋环境的复杂性使得船舶在海上作业过程中存在安全隐患，为了加强管理，保护海上工作人员的人身安全，有必要进行海洋船舶人员的定位与管理，既符合加快应急船舶、抢险装备及应急配套设施的建设步伐的思想，也符合海上生产指挥信息系统的建设要求。

本系统采用先进的Zigbee定位和无线自组网技术，建立一套准确、稳定、可靠的海洋船舶人员实时定位管理系统。在确保船舶上工作人员的人身安全的同时，提升船舶的服务和海洋应急能力，提升船舶人员的信息化管理水平。

二、系统概述

本系统基于Zigbee技术实现人员定位，系统为每个船舶工作人员配置一个有源标签（腕带式或卡式），每个有源标签都有自己的唯一ID号，标签内信息可设置为姓名、年龄、性别、部门等相关基本信息，该电子标签以主动式的工作方式，不停地向外发射ID号信息。

在船舶楼梯、甲板、通道的各个主干道、工作区和生活区域等主要位置安装数个读卡器节点设备，使监控区域无信号盲区，工作人员进入节点信号覆盖范围内，读卡设备及时读取标签ID并记录进入时间和离开时间进行总数统计和记录人员轨迹。

当有佩戴标签的工作人员进入某个读卡器的识别范围之内时，读卡器接收到标签信息，通过无线传输方式或者其他中间设备把信号传给系统终端，通过对照ID号数据库就能看到人员的详细信息。

每个监控区的固定式读卡器可以通过软件设置使其在固定的时间间隔进行监控，比如设置30秒自动刷新一次，即实现自动执行一次。

2.1系统结构图

系统主要由标签、读卡器和后台计算机组成，系统结构图：

2.2系统定位原理

系统架构如下图：

根据工作区域的大小来布置若干定位器，对工作区域进行信号全覆盖。当有非授权人存在或者工作人员在非授权的情况下离开，即：工作人员的标签信号被异常读取或者读取不到信号时，系统及时报警。

为每个工作人员配置一个有源标签（腕带式或卡式），在楼梯、通道的各个主干道、工作区和生活区域等主要位置安装数个读卡器，可实时接收整个工作区域人员佩戴的有源标签发送的信息数据，实现人员的实时定位。

在整条船舶区域内部划分定位区域，每个定位器根据需要设定小范围覆盖半径，全覆盖整个区域。定位器根据后台设定时间，进行轮询读卡，定位每个工人在车间活动区块。根据定位间隔，描绘出每个工人实时行动轨迹。

2.3系统特点

2.3.1技术特点

该系统运用ZigBee技术，ZigBee是一种无线连接,可工作在2.14GHz的无线通信技术,它具有如下特点: 

1、低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

2、网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

3、可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 

4、安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

5、抗干扰：及时工作区域多数为金属结构，也可以很好的传输信号。

2.3.2产品特点

1、三防功能：系统中使用的读卡设备为防水、防潮、防摔、放尘读卡器，可在海上工作环境下正常使用。

2、标签信息可擦写，材料耐用：标签信息可擦写，使用寿命长达10年之久，卡式标签和腕带式标签均采用防水、防尘、防腐蚀的材料，经久耐用。

3、识别距离可调节：Zigbee的读卡器识别距离可调节，根据客户需求设定最优识别距离，并且每个读卡器可以同时读取200个标签。

4、抗干扰性：该系统采用ZigBee技术，在野外、海上等恶劣环境中依然可以正常工作，不受金属、后墙壁等障碍物影响。

5、耗电量小，可充电：卡式标签和腕带式标签均采用可充电电池，由于ZigBee的低功耗技术，标签内电池使用时间长久，并且可以循环使用。

6、低温状态，电池正常工作：标签内电池可保证在-40°C的环境下，依旧正常工作。即使在海上气温很低的情况下使用也不会受影响。

三、系统功能

本系统实现的功能有：船舶人员实时监控、人员查找定位以及远程监控视察功能。

3.1人员实时监控

在系统上位机的位置示意图上实时显示所有工作人员的位置，监控人员可动态掌握人员数量和实时分布情况，鼠标移至人员图标上，便可查看人员详细信息。

3.2人员查找定位

输入人员姓名或编号便可快速定位要查找的人员所在区域。

3.3远程监控视查

读卡器读取到信息后，可通过WIFI,GPRS等方式将信息传输给数据中心，且可通过互联网对系统进行操作，可实现在监控中心对平台现场的远程管理和监控。

四、系统建设

以胜利292船为实施对象，实施船舶人员定位管理系统。

胜利292船为9000马力多用途工作船，2009年12月17日建成投产，CCS船级，无限航区，B级冰区加强。船长72.50m，型宽15.00m，型深7.00m，满载吃水5.70m，总吨位2074，净吨位622，满载排水量2030.2t。该船马力大、操纵性好、航速高、救助设备齐全，可作为海洋作业救助船使用。

4.1软件实施

4.1.1软件基本架构

4.1.2软件功能简介

1、船舶信息管理

显示胜利海洋船舶中心现有船只数量及图片，以文字方式显示甲板、驾驶舱等不同区域人员情况。

2、人员信息管理

可对工作人员的档案进行增删改管理，可设定人员标签的信息，异常情况的告警规划管理，设定工作人员的工作范围，设定警戒线，对人员的出入进行授权，以及历史信息的管理记录查询。

3、人员监控定位管理

实时的采集工作人员的标签信息，并且通过通过模拟地图的形式，对工作人员进行监控定位，实时掌握人员的工作位置。

4、地图与基站管理

可根据海上作业平台画出地理示意图，实时显示人员的区域位置，从而进行更加直观的管理。

5、违规告警功能

对个工作区域的工作人员设定权限，超出范围，标签被异常读取时，会发生告警提示，提醒管理人员及时防范。

6、数据分析

将采集到所有信息进行分析，判断人员是否为正常情况下的定位，且可进行报表的打印。

4.2硬件实施

4.2.1硬件设备

该系统硬件设备共包括：防水zigbee胸卡、全向读卡器、无线路由节点、定向读卡器、数据采集器以及船舶现场计算机等六部分。

1、防水Zigbee标签

（在如下两类标签类设备中选择）

（1）RAT按键卡式电子标签

按键卡式电子标签采用特殊材质、设计简洁、超低功耗、电池可拆卸可充电，使用寿命长，平均成本低，免维护。

识别距离 ： 0～ 200米

识别方式 ： 全向识别 

电池寿命 ： 3年，（为保证防水功能，无充电口，当电量低于10%时，系统会提示报警，需要返厂更换电池）。

安装方式 ： 粘链或吊扣、使用时置于胸前或胳膊口袋中。

（2）防水腕带标签

防水腕带式电子标签功耗低、使用更安全，携带方便，寿命长，平均成本低，免维护。可在腕带正面或者侧面设置报警按键，船员在紧急事件下可按此键触发报警。

腕带标签可以设置使用权限，当处于8小时工作时间内时，可以设置拆卸报警，当处于8小时工作时间外时，可随意拆卸。

识别距离 ： 0～ 200米

识别方式 ： 全向识别 

电池寿命：2年，（为保证防水功能，无充电口，当电量低于10%时，系统会提示报警，需要返厂更换电池）。

安装方式 ： 腕带或吊扣

2、全向读卡器

RZGG读卡器/协调器系列

RZGG固定式读写器是Zigbee定位技术最核心的产品。主要用来对电子标签进行“读写”操作。该产品的主要功能优势是防水、防雷、防冲击，能满足海洋野外环境要求。

外形尺寸 ： 15.5CM*14CM*5.5CM

识别距离 ： 有效识别距离0M — 600M，可根据需要调整

识别方式 ： 全方向识别

使用寿命 ： 30年

电    源 ： 9V/12V—3A DC电源

安装方式 ： 粘贴或者侧挂

3、无线路由节点

无线路由节点是基本的读卡设备，配合同类产品定向读卡器可对一定范围内的人员进行精确定位。

外形尺寸 ： 15.5CM*14CM*5.5CM

识别距离 ： 有效识别距离0M—200M，可根据需要调整

定位精度 ： 1.5M—3M

识别方式 ： 全方向识别

使用寿命 ： 30年

电    源 ： 9V/12V—3A DC电源

安装方式 ： 粘贴或者侧挂

4、定向读卡器

定向读卡器主要功能为：准确区分进出门、对特殊人员进行全程监控、触发靠近关键区域时的报警、实现重点房间准确识别查询等功能。

外形尺寸 ： 无资料

识别距离 ： 有效识别距离0M—600M，可根据需要调整

定位精度 ： 3M—5M

识别方式 ： 定向识别

使用寿命 ： 30年

电    源 ： 9V/12V—3A DC电源

安装方式 ： 侧挂

5、协调器

协调器主要用作各种人员及机车定位系统、门禁及考勤系统，实现远距离读卡并通过无线网络转发定位信息到定位网络中心。

外形尺寸： 18.5CM*15.5CM*7.5CM

识别距离：500米(可视条件)

识别方式 ： 全方向识别

使用寿命 ： 30年

电     源：5V(5V～30V)

安装方式 ： 粘贴或者侧挂

6、数据采集器

SJCJQ数据采集器主要用于对接收到的数据信号进行完好的接收、存储、转发、放大，统一管理接收到的数据。数据采集器是协调器使用过程中的配套产品，完全满足对信息量大的数据处理。

数据采集器有十二个接口，能够同时稳定接收连接11个协调器发送的数据，中转放大后数据准确完整率达99.999%，中转速度非常快（可以忽略不计），可以确保全部信号到达远程软件、不遗漏。

外形尺寸 ： 26CM*29.5CM*12CM

安全性能 ： 防雷、防冲击，满足工业环境需求

通信接口 ： AD/DC

数据速率 ： 最高10M bit/s

电   源 ： 24V

使用寿命 ： 30年

安装方式 ： 放置、固定

7、其它

计算机：置在292船上，安装本系统的船舶客户端，可在船上进行人员定位的展示，将单船的相关人员定位数据传输到到胜利海洋船舶中心。

4.2.2硬件安装

1、人员携带自身ID卡

2、设备安装

硬件设备采用zigbee无线自组网技术，实现信号传输和通信，设备安装采用“就近取电”的原则，所以设备均使用220V交流电。

根据船舶实际结构，每条船分为舱内、舱外两部分。

舱外安装全向定位器，实现船舶甲板及船舷区域的覆盖。

舱内各个楼层安装室内无线路由节点，判断人员在哪一层以及船员在每层内的大概位置。

（1）舱外：前甲板、后甲板、左舷、右舷

舱外安装3—4个全向定位器，使信号实现无缝隙全面覆盖。

（2）舱内：驾驶舱、休息室及餐厅、轮机舱等。

驾驶舱、餐厅、轮机舱等有人员工作的区域，安装无线路由节点，用以判断人员是否在该区域。

                       休息室

（3）在各个船舱门口处安装定向读写器，有以判断人员是否进仓、出仓。

五、经费预算

本项目以胜利292为例，主要包括项目实施技术服务、硬件购置、软件开发等费用，各项费用估算方法如下：

项目实施技术服务费：根据实施过程中人工费用计算；

材料购置费：根据当前的市场价进行估算；

软件开发费：根据软件开发过程中的人工成本计算。

经费主要用途（分项说明）：

（1）硬件以及现场施工材料费用：

（3）软件30万元

（4）其他费用：                         ***万元

共计：                  ***万元