监狱犯人高精度定位手环管理方案

一、系统概述

UWB无线定位系统可以满足工业4.0场景下对人员、物品、车辆的高精度移动定位需求。系统可以提供最优达5cm 级别、普通障碍下750px定位精度；系统可多区域级联动、跨区域漫游、多楼层多房间定位，自动实现1D、2D、3D、4D定位监控以及精确位置存在性检测。

二、建设目的

监所的安全问题主要集中在犯人脱逃和狱内发案的管理上，这是监所安全管理的重中之重。犯人脱逃主要通过翻越围墙、跟随车辆混出大门、暴力冲门等方式实施，这些行为都可以认为是对罪犯行踪的失控，另外像聚众斗殴、袭警、非正常死亡等狱内发案的情况更多则是因为监管措施不到位，仅靠人力和视频监控无法实现对所有区域100%的监管。根据监所的业务需求，结合高精度无线点位定位技术手段，可以为监所安全管理，特别是监区罪犯管理提供重要技术手段保障。

三、系统特点

传统的无线定位系统使用WiFi、蓝牙及Zigbee 等技术，基于接收信号强度法（RSSI）来对标签位置进行粗略估计，定位精度低，且容易受到干扰，定位稳定性难以适应高精度无线定位应用的要求。基于超窄脉冲技术的无线定位技术，从根本上解决了这一问题。无线定位技术的发展过程如图所示。

无线脉冲电磁波，使用脉冲宽度为ns级的无线脉冲信号作为定位载波，是无线定位领域的定位精度最高，性能最为稳定的技术。在定位频域上，由于其占用的频带较宽，且无线功率密度较低，对于其他的无线设备来说相当于噪声信号，不会对其造成干扰，也加强了自身的抗干扰性。无线定位系统基于超窄脉冲技术，是国内领先的高精度无线定位产品。

由于UWB-RFID与传统通信系统相比工作原理迥异，因此其具有如下传统通信系统无法比拟的技术优势：

1、系统容量大。由香农公式C=Blog2(1+S/N)可以看出，带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于 3G 系统。

2、 数据传输快。UWB-RFID系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。

3、 多径分辨能力强。UWB-RFID由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10-30dB 的多径环境，UWB-RFID信号的衰落最多不到5dB。工作原理图

4、 隐蔽性能好。因为UWB-RFID的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB-RFID设备对于其他设备的干扰就非常低。

5、 定位精度高。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，而 GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。

6、 抗干扰能力强。UWB-RFID扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB-RFID的占空比一般为 0.01-0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB-RFID抗干扰处理增益在50dB以上。

7、 低成本功耗。UWB-RFID无线通信系统接收机没有本振、功放、环锁（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器等，因而结构简单，设备成本不高。由于UWB-RFID信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20-1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB-RFID系统只需要 50-70mW 的电源，是蓝牙技术的十分之一。

    尽管如此，UWB-RFID在技术上面临一定的挑战，还有诸多技术的问题有待研究解决，比如需要更好地理解UWB-RFID传播信道的特点，解决多径传播；需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术；研究新的调制技术，进一步降低收发结构的复杂度等。

四、系统架构

监狱在押犯人腕带高精度定位系统由定位硬件层、网络连接层、数据解算层和应用层组成。定位硬件层是无线定位系统实现定位功能的主体部分，包括定位微基站和定位微标签；网络连接层用于将定位微基站采集的数据回传到数据中心；数据解算层则是实现标签位置计算的关键；应用层针对客户的需求，完成了业务层面的呈现，如下图所示。

本方案无线定位系统使用先进的超窄脉冲技术，精确测量飞行时间和距离，使系统定位精度达到厘米级别的精度。主要组成部分包括监狱在押犯人腕带定位标签、狱警卡片标签、基站读写器、定位识别天线、手持移动读写终端、网络中间件、通讯线材、数据服务器、定位引擎、客户管理端平台及其电子地图等。

五、方案设计

监狱场景中的人员定位，根据不同的活动区域范围分别采用零维、一维、二维、三维甚至四维定位的结合方式实现。在这种场景中，管理者关注重点区域的人员分布情况，被监控人员，是否进入了危险区域，是否进入了涉密区域等。可实现人员在平面上的的精准定位，带来实际的管理价值。

不同范围大小的定位区域采用不同数量的定位基站设备，设备的安装高度和定位识别角度也可以根据现场情况进行调节。

1、对于小于20㎡的活动区域如监舍、放风间、审讯室、禁闭室等，选择使用1D-2D（即存在性识别）的定位方式。每个房间部署一套定位设备，可实现对在押人员是否身在规定范围内的监控，同时要确保不同的相邻的活动区域内的定位范围能够各自界限分明，互不串号，易于控制；避免造成射频信号互侵、漏读、误读的现象发生；如下图

2、介于20-100㎡活动范围的区域可实行3D定位方式，一般情况下需要布置2-3套定位读写设备，基站安装高度大约2.5-5m，识别角度范围限制在60-120°，可实现厘米级的精确定位，定位精度最大可达20-1250px。

3、对于通道走廊，一般采用一维定位，每隔30-50 米距离部署一套基站，可以实现对在押犯人或狱警在其活动区域内的精确定位；

4、对于劳动车间厂房，集体活动操场，大的活动室，可采用3D-4D定位方式，每千平米空间部署4台以上的定位基站，可实现对人员在该空间内的精确定位，最大定位精度可达10-750px。

5、网络通讯

uwb-rfid高精度无线定位系统支持有线和Wi-Fi两种网络连接方式。条件允许的情况下首先考虑有线通讯，其次考虑采用无线通讯方式。

六、系统功能特点

1、两极定位模式相结合：根据现场环境要求，即可实现大范围m级模糊定位，又可实现小范围cm级精确定位。

2、实时定位与轨迹追踪：监狱在押犯人和干警的运动位置轨迹可以实时显示出来，并可长期存储于服务器，所以也可对所有轨迹异常行为进行历史分析回访。

3、个性化模拟地图：根据现场定位空间特点要求制作多样化地图，如1D、2D、3D、4D等。

4、多种定位区域设置：根据对在押犯人的活动范围限制，可以在软件地图中定义安全区、警报区和禁止区、限时区和不限时区等不同的电子围栏区域，通过在时间和空间范围上进行不同的限制，设置不同的定位联动报警级别。

5、犯人标签消失/聚集报警：在规定的定位区域内，在押犯人腕带标签消失或超过一定数量时，系统会自动分析其活动轨迹行为并发出报警提示。

6、移动点名查询：在规定的定位区域内手持终端读写设备，可在动态状况下实时计算应到人数、实到人数、缺少人数及其详细身份信息。

7、主动求助报警：在押犯人或干警遇到紧急情况事，可按下定位标签的报警按钮，后台管理端会及时发现。

8、摄像头联动跟踪：定位产生报警时系统会自动调用最近的摄像头，及时查看视频监控。

9、一卡通功能：在押犯人使用的腕带标签和干警使用的卡片标签，集成有常规IC模块，可支持储值消费、门禁刷卡等拓展需求。