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1.1 項目背景介紹

隨著全國“智慧城市”建設的蓬勃發(fā)展，信息技術(shù)正深刻地影響和改變著人們的生活和工作方式。與此同時，我國的公安警務安全領域也面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)，各種警務槍支、武器、裝備等物品數(shù)量種類多，區(qū)域分散，各種各樣的警務槍支物品需要進行統(tǒng)一管理造成管理成本的增加，并且沒有一個好的手段對槍支、武器、裝備進行管理;如對這些物品的定位管理、物品的清點等目前還沒有一個科學高效分方法。

在面臨著大部分地區(qū)的“智慧城市”建設越來越發(fā)達，社會警務物品管理安全隱患越大的狀況。因此，警務單位正在努力需要合適完善的解決方案，需要各種信息技術(shù)(尤其是地理信息技術(shù)和室內(nèi)外一體化定位系統(tǒng))打造更科學、更安全、更完善的社會公共警務設備物品安全管理體系，實現(xiàn)在警力有限的情況下，利用高科技技術(shù)手段有效的對警務設備物品進行合理的管理調(diào)配;在警務人員出警時可以合理的管理，提高對犯罪分子的打擊力度。即以公安信息網(wǎng)絡為主導，以各項公安工作信息化委主要內(nèi)容，以建立統(tǒng)一管理、指揮、快速反應、協(xié)同應用的機制為目標，在全國范圍開展警務設備物品信息化工程。

1.2 應用需求分析

目前在公安警務行業(yè)對槍支物品的管理，還處于紙質(zhì)化時代，所有槍支物品在領用時只是做信息記錄登記，使用過程中沒有進行實時監(jiān)測;如警察在崗亭攜帶槍支執(zhí)勤時，管理中心無法判斷人員槍支在崗、離崗狀態(tài)。

根據(jù)警務執(zhí)勤情況針對槍支物品有以下幾點需求：

(1) 實時在位監(jiān)測：可對執(zhí)勤過程中的槍支設備在位情況進行識別監(jiān)測;

(2) 非法離位報警：當執(zhí)勤槍支設備超出設定的警戒范圍時，可自動發(fā)出離位報警信息;

(3) 非法離位追蹤：當執(zhí)勤設備非法離位時，啟動定位追蹤功能，利用UWB/衛(wèi)星定位實時上報位置信息;

(4) 合法離位：支持系統(tǒng)授權(quán)合法離位，不觸發(fā)報警;也可在授權(quán)離位情況下實時上報位置信息;

(5) 槍支物品管理：用戶根據(jù)槍支物品綁定的定位標簽信息可對槍支物品的使用情況、維護情況進行盤點管理;

(6) 用戶管理功能：支持后臺管理軟件對用戶的添加、刪除、注冊、注銷等功能;

(7) 監(jiān)控管理功能：支持定位標簽在位/離位狀態(tài)顯示，支持定位標簽電池電量的顯示和低電量報警，支持查看定位標簽的實時位置及運動軌跡。

2 設計方案

2.1 執(zhí)勤在崗監(jiān)測

執(zhí)勤中槍支物品定位管理

如上圖所示，槍支物品在執(zhí)勤時通過綁定的定位標簽與定位基站進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)槍支物品(定位標簽)的實時在崗、離崗監(jiān)測。

定位基站與定位標簽之間實現(xiàn)超寬帶無線通信測距技術(shù)，實時監(jiān)測定位標簽在位情況，為定位基站設置執(zhí)勤活動區(qū)，定位標簽可以在活動區(qū)域內(nèi)隨意活動，若超出執(zhí)勤活動區(qū)定位標簽將增加刷新頻率提高定位次數(shù)并發(fā)出報警。

定位基站到指揮監(jiān)控管理系統(tǒng)采用有線或無線的方式將定位基站接收到的數(shù)據(jù)傳輸至應用中心。有線傳輸方式是采用雙絞線和光纖組成警務系統(tǒng)專用網(wǎng)絡，無線傳輸方式是采用2G/3G/4G/WiFi等方式將數(shù)據(jù)傳輸至指揮中心。

定位標簽到指揮監(jiān)控管理系統(tǒng)是采用無線的傳輸方式，在定位標簽上集成運營商流量卡，可以發(fā)送相應的位置數(shù)據(jù)給指揮中心也可接受相應的指令。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸安全性

為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的實行性、安全性、準確性，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡設計采用專線專網(wǎng)方案，在數(shù)據(jù)加密傳輸基礎上為數(shù)據(jù)添加多層防火墻，防止非法入侵者攻擊系統(tǒng)網(wǎng)絡或盜取應用數(shù)據(jù)。

2.3 應用意義

該方案由鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司提出的一套采用室內(nèi)外一體化高精度實時定位技術(shù)對公安警務的槍支、武器、設備進行位置服務的定位管理;位置服務對警務槍支物品的管理意義主要有以下幾點：

(1) 通過高精度實時定位，可以實時監(jiān)測槍支物品是否在相應位置上，如槍支在庫房存管還是在相應的執(zhí)勤崗位上都可以實時識別;

(2) 通過位置管理可以防止在警務執(zhí)勤過程中離開執(zhí)勤崗位，在未授權(quán)的情況下離崗，可以進行離崗告警;

(3) 實時位置追蹤，槍支物品非法被移動離開相應的崗位時，可進行實時位置追蹤，在室內(nèi)用UWB進行定位，室外用BD/GPS衛(wèi)星進行定位，實現(xiàn)室內(nèi)外實時位置追蹤;

(4) 可通過系統(tǒng)向前端定位基站、定位標簽、聲光電報警設備發(fā)送指令，授權(quán)該槍支或物品可離開相應區(qū)域;授權(quán)后離開系統(tǒng)將不會發(fā)出告警。

(5) 可以在系統(tǒng)平臺上查看槍支物品的使用、維護情況;通過定位管理可以確定目前的使用者是誰以及在什么位置。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

　　
系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

系統(tǒng)框架主要采用三層設計方案，分別為數(shù)據(jù)采集位置感知層、數(shù)據(jù)傳輸、應用交互;通過實現(xiàn)槍支物品在特定的區(qū)域內(nèi)進行定位管理實現(xiàn)監(jiān)管，若超出特定區(qū)域時將啟動室外衛(wèi)星定位模塊做到室內(nèi)外無縫對接定位技術(shù)。

3.1 應用交互

應用交互主要是將前端采集到的數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理、解算、存儲、應用等一體化解決方案，集成出一套公安警務大系統(tǒng)，為各個警務體系部門單位子系統(tǒng)服務，各個子系統(tǒng)獲得相應的數(shù)據(jù)后與業(yè)務系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)出相應的業(yè)務管理系統(tǒng);如GIS平臺警力部署系統(tǒng)、指揮協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)等等。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸層在完成數(shù)據(jù)正常實時傳輸?shù)耐瑫r也保證數(shù)據(jù)的安全性，不同的數(shù)據(jù)信息采用不同的通道傳輸層應用層。且數(shù)據(jù)傳輸層需要完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，應用層管理中心也可向前端的定位標簽發(fā)送相應指令等。

3.3 位置識別監(jiān)測

槍支物品需要定位的場景主要分為執(zhí)勤中和倉庫存放區(qū);在執(zhí)勤中室內(nèi)主要是執(zhí)勤崗亭或救援場所，室外主要是城市或街道;倉庫存放區(qū)在相應的房間內(nèi)或位置上。

如系統(tǒng)架構(gòu)圖所示，室內(nèi)主要采用超寬帶定位技術(shù)實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)槍支物品及人員的在崗/離崗監(jiān)測，室外接收衛(wèi)星定位信號實現(xiàn)定位。定位標簽含有超寬帶模塊和衛(wèi)星定位模塊，在定位區(qū)域內(nèi)使員超寬帶模塊進行定位，若離開相應的執(zhí)勤區(qū)后將啟動衛(wèi)星定位模塊實現(xiàn)全方位衛(wèi)星定位監(jiān)測。

在室內(nèi)的定位數(shù)據(jù)主要通過定位基站將位置數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層傳輸至應用層;離開室內(nèi)區(qū)域定位基站將無法接受到定位標簽的位置數(shù)據(jù)，在啟動衛(wèi)星定位模塊的同時，將啟動定位標簽內(nèi)置的運營商卡模塊，位置數(shù)據(jù)將通過2G/3G/4G傳輸至應用層管理中心。

4 定位管理應用

4.1 室內(nèi)外一體化定位

室內(nèi)外定位切換示意圖

上圖是定位標簽從室內(nèi)至室外交匯處定位模塊切換示意圖;如上圖所示模擬執(zhí)勤崗亭內(nèi)的槍支定位管理，崗亭內(nèi)安裝定位基站和聲光電報警，定位基站采用超寬帶TOF測距技術(shù)為崗亭虛擬設置單個或多個等級報警區(qū)域范圍;例如設置10米電子圍欄(系統(tǒng)設置值)，則表示以半徑10米的范圍內(nèi)允許定位標簽活動，定位標簽若超出電子圍欄設定范圍值，系統(tǒng)后臺將發(fā)出告警同時崗亭內(nèi)聲光電報警設備也發(fā)出報警。

系統(tǒng)報警方式可根據(jù)定位標簽超出執(zhí)勤崗亭范圍越大報警聲音越強烈;發(fā)出報警后定位標簽若在報警時間內(nèi)重新返回執(zhí)勤崗亭內(nèi)，系統(tǒng)報警將停止同時記錄下當時報警時間及事件。

若在報警后定位標簽沒有回到執(zhí)勤崗亭，繼續(xù)向外離開直至超出執(zhí)勤崗亭最大定位區(qū)域范圍值時(如上圖最外側(cè)圓)，定位基站將通過發(fā)送數(shù)據(jù)給定位標簽告知將要超出定位區(qū)域，定位標簽將啟動室外定位模塊使用衛(wèi)星定位，系統(tǒng)可以根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)實時查看定位標簽實時位置及運動軌跡。

4.1.1 室外定位技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)

GNSS定位技術(shù)分為三類，一類是“GPS+慣導”，它表示GNSS與微機電系統(tǒng)MEMS的組合;一類是RTK，它包括網(wǎng)絡RTK技術(shù);一類是基帶，表示基帶處理技術(shù)。諾瓦泰公司通過探索RF、數(shù)字電路設計、信號處理、嵌入式軟件等方面的技術(shù)革新，一直是GNSS行業(yè)的技術(shù)領先者和革新者。通過對諾瓦泰公司的所有申請進行技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，從1990年開始至今，該公司在GNSS定位技術(shù)方面的申請基本上每年都有，說明GNSS定位技術(shù)一直是諾瓦泰公司的研發(fā)技術(shù)主線，該公司與GNSS定位技術(shù)相關(guān)的專利申請占據(jù)總申請量的28%，其中21%是涉及基帶處理的，說明基帶處理技術(shù)確實是諾瓦泰公司在GNSS定位技術(shù)方面研發(fā)的核心。

4.1.2 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)

近年來，隨著近距離無線通信和移動網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，基于位置的服務(location-based service，LBS)越來越受到人們的重視。尤其是在室內(nèi)，據(jù)統(tǒng)計未來十年人們80%的活動發(fā)生在室內(nèi)，因此研發(fā)在室內(nèi)環(huán)境下具有高精度定位功能的定位系統(tǒng)勢在必行，針對室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究也如火如荼。美國的全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS)在室外已經(jīng)可以近乎完美地提供位置信息，但是在室內(nèi)環(huán)境下由于建筑物的遮擋、樓層密度較大等特點而無法正常工作。在這種情況下，出現(xiàn)了利用紅外線、WiFi、Zigbee等載波技術(shù)的室內(nèi)定位方案，但是都沒有達到非常好的效果。WiFi技術(shù)由于其能耗較大，且容易受到信號的干擾，信號覆蓋的范圍也僅局限于90m以內(nèi)的空間，所以該技術(shù)的優(yōu)勢并不明顯;Zigbee技術(shù)盡管具有低功耗、低成本、通信效率高等優(yōu)點，但是其定位結(jié)果不穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性不強。

UWB技術(shù)是通過極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不是通過傳統(tǒng)的載波來傳輸數(shù)據(jù)，導致其數(shù)據(jù)傳輸速度極高。除此之外，UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復雜性低、信息安全性高、抗多徑衰落能力強等優(yōu)點，成為無線定位領域中的一大亮點。

4.1.2.1 UWB工作原理

在U-Loc室內(nèi)定位系統(tǒng)中，人員或物品上所佩戴的定位標簽利用UWB脈沖信號發(fā)射出位置數(shù)據(jù)，接收機接收、放大UWB信號，并進行同步時鐘校準，然后將位置數(shù)據(jù)傳送至后臺。后臺定位引擎計算出定位標簽信號到達不同接收機的時間差(TDOA)，然后采用TDOA定位算法對標簽位置進行解算，最終通過有線或無線的方式傳輸?shù)叫畔⑻幚砑翱刂破脚_。

4.1.2.2 系統(tǒng)組成

U-Loc室內(nèi)定位系統(tǒng)主要由三部分組成：1、位置感知層，包括定位基站(Master和Slave)和定位標簽(Tag);2、網(wǎng)絡傳輸層;3、定位應用層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

　　
聯(lián)睿U-Loc室內(nèi)定位系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的各組成部分功能為：

⑴ 定位標簽(Tag)

定位標簽配置在待定位人員或設備上，用于發(fā)射超寬帶定位信號。

工作模式：休眠模式、激活模式。

休眠模式——在目標長時間靜止或無需定位時保持休眠，節(jié)省電量

激活模式——在需要定位時對目標進行實時定位

⑵ 定位基站

定位基站分為主基站(Master)和從基站(Slave), 定位基站固定在已知位置，作為位置基準，用于接收標簽發(fā)射的UWB信號，并通過網(wǎng)絡傳輸層，將定位信息傳至定位信息平臺;主基站除具備從節(jié)點接收功能外，還向各從基站發(fā)射同步信號，使各個定位基站獲得統(tǒng)一的時鐘，以便獲得標簽發(fā)射的信號到達不同基站的時間差(TDOA)。

⑶ 網(wǎng)絡傳輸層

用于位置感知層和定位應用層的聯(lián)通，負責將位置感知層獲得的標簽的位置信息傳送至定位應用層。

⑷ 定位應用層

定位應用層通過優(yōu)化的TDOA定位算法，解算出標簽的實時位置及運動軌跡：可精準快速地進行小區(qū)同步和全局同步;采用時隙劃分、優(yōu)化碰撞等算法，大幅度提高系統(tǒng)的容量、穩(wěn)定性和實時性;同時配置定位基站和定位標簽的工作參數(shù)。

4.1.3 融合定位優(yōu)勢

u 定位標簽室內(nèi)外一體化定位模塊自動切換定位;

u 室外衛(wèi)星定位4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)上傳;

u 高精度定位(室內(nèi)厘米級，室外米級);

u GPRS模塊2G/3G/4G/WIFI數(shù)據(jù)傳輸;

u 模塊自動關(guān)閉/低功耗，延長續(xù)航;

u 全方位、多區(qū)域、無死角定位覆蓋。

4.2 定位標簽設計

定位標簽架構(gòu)

定位標簽采用室內(nèi)外一體化定位方案，內(nèi)置有衛(wèi)星定位模塊、超寬帶定位模塊、運營商卡模塊;在不同的定位場景中啟動不同的定位模塊進行工作，做到室內(nèi)外全方位定位。室外的定位數(shù)據(jù)可以通過運營商卡將數(shù)據(jù)傳輸至應用中心，保證數(shù)據(jù)的安全及實時性。

定位標簽模式切換方案

如上圖所示，在室內(nèi)只啟用UWB定位模塊進行定位可以達到長時間續(xù)航工作，定位基站若監(jiān)測到定位標簽離開室內(nèi)定位區(qū)域后，定位標簽將自動啟動衛(wèi)星定位模塊，同時啟動運營商卡模塊數(shù)據(jù)傳輸將通過2G/3G/4G通道傳輸至應用層，通過流量卡完成室外定位數(shù)據(jù)的交互應用。

4.3 定位標簽應用

4.3.1 標簽組成

超寬帶定位模塊 北斗衛(wèi)星定位模塊 運營商卡通信模塊

公安警務槍支物品定位方案的定位標簽的主要組成模塊如上圖，將核心模塊集成后組成一套室內(nèi)外一體化定位標簽;可以將定位標簽固定在槍支物品上做到安全定位管理。

定位標簽電池續(xù)航以更換電池的方式，這樣不用對定位標簽進行充電大大降低使用的維護成本;在定位標簽低電量時，應用系統(tǒng)和定位標簽指示燈會發(fā)出相應的提醒，及時對定位標簽更換電池。

定位標簽技術(shù)參數(shù)設計：

1) 體積：根據(jù)定位槍支形狀完成外觀及結(jié)構(gòu)設計;

2) 重量：不大于300克;

3) 功耗：不大于1.5W;

4) 電池：通用型電池;

5) 供電：DC3.7V - 4.2V電池;

6) 工作溫度：-30℃-55℃;

7) 存儲溫度：-40℃-70℃;

8) 防水、防塵等級：IP67;

4.3.2 標簽固定方式

定位標簽安裝概念圖

定位標簽外形設計成長形狀，利用槍體的長度將定位標簽以卡環(huán)的方式固定在槍身，這樣不影響槍支正常使用，也方便對槍支定位管理。標簽需要更換電池時無需將定位標簽取下，可直接在槍體上進行更換。

4.4 定位應用流程

(1) 入崗流程

合法入崗：當佩戴標簽的槍支進入測距監(jiān)控范圍后，基站發(fā)送入崗信息，服務器應答，授權(quán)入崗，標簽應答顯示入崗成功。

(2) 在位測距

合法入崗后，根據(jù)測距結(jié)果，服務器判斷槍支標簽是否在監(jiān)控范圍。

(3) 合法離崗

當指揮監(jiān)控中心授予槍支標簽合法離崗，標簽應答，服務器顯示授權(quán)結(jié)果，并根據(jù)測距結(jié)果，判斷合法離位。

(4) 非法離崗

當槍支標簽在未授權(quán)的情況下，私自離開檢測范圍，定位基站會將測距信息實時上送到監(jiān)控中心，發(fā)出警報，并開啟GPS追蹤，通過GPRS上報位置信息。

(5) 合法離崗追蹤

可以通過服務器在位設置是否合法離位追蹤，當設置追蹤后，當合法離位后，也會上報槍支標簽的位置。

鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司是廣州中海達衛(wèi)星導航技術(shù)股份有限公司旗下企業(yè)，是專業(yè)從事高精度定位、防丟監(jiān)管等相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)工作的技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)。

其自主研發(fā)打造的U-Loc室內(nèi)厘米級實時定位系統(tǒng)，定位精度高，功耗低，輻射小，能夠同步、精準、實時地為用戶提供給定區(qū)域內(nèi)的人員和設備的瞬間位置和運動信息，便于用戶直觀地從全局把握現(xiàn)場情況從而做出決策，在精準度、實時性、穩(wěn)定性、覆蓋面、適用性等方面均具有較大的優(yōu)勢，可廣泛應用于大型商超、智能巡檢、倉儲物流、智慧醫(yī)療、智能工廠、模擬訓練、室內(nèi)導航、展品監(jiān)管、監(jiān)獄管理等領域的人員和設備實時精準定位。