智慧监所人员精准定位系统设计与实现

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　　摘 要：设计并实现了一种智慧监所人员精准定位系统，该系统基于优化的AOA定位技术，实现了监管场所人员的精准定位和位置数据的统一管理与呈现，集中展示了监管场所的人员位置、轨迹、统计和点名、视频联动、滞留和越界报警等功能，建立起以人员位置为核心的精细化管控体系，实现了全局立体可视化高效指挥和智慧监管。
　　关键词：公安监管场所;监所实战平台;人员定位;AOA技术;风险预警;轨迹查询
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-04
　　0 引 言
　　公安監管场所是指公安机关管辖的看守所、拘留所、强制隔离戒毒所、强制医疗所、收容教育所和监管医院等场所，是公安机关重要的执法部门，担负着依法对被监管人员实行羁押、监管、教育、治疗和矫正的重要职责，承担着保障刑事诉讼和行政执法等活动顺利平稳进行、保障被监管人员合法人身权益的重要任务。
　　2018年6月4日，公安部监所管理局发布文件，决定在全国公安监管部门开展智慧监管建设，开启了“公安智慧监管”工作的新阶段，要求全国公安监管场所采用稳定、可靠的技术，升级、完善、整合安防系统和被监管人员信息系统，按照“动态信息主导勤务”的思路建设监所实战平台，实现被监管人员信息可视化、可共享，重在提高监所风险预警和突发事件处置能力，实现公安监管场所工作重点向“信息融合、规范管理、实战应用”这一新的管理模式转变。
　　1 监管安防痛点分析
　　公安监管场所现有大量的安防技术手段包括视频监控、红外、门禁、周界、监听、报警等系统，但都是基于被动式安防，无法实现对个体人员的精准管控和识别。一旦个体人员出现问题，需要消耗大量警力介入视频监控对其进行分析，导致监控追溯繁琐、实时性差、事故预防性差。现有安防系统存在如下弊端。
　　（1）无法做到被监管人员唯一身份的识别。目前监管场所识别被监管人员身份的方式包括人脸识别、虹膜识别等，但多数监管场所还是依靠管教民警进行人工辨认，每个管教民警管理数十个被监管人员，识别准确率难以保证。考虑到被监管人员发型、装饰雷同，经过长时间关押，极易误识，某监管场所就曾发生过同姓名人员被监管人员误放，同姓名人员在消费时被记错帐等现象。综上，对个体被监管人员进行唯一身份的标识很有必要。
　　（2）无法准确实时掌握被监管人员的位置。准确掌握监管场所中被监管人员的精准位置是确保监管场所安全的第一要素。监管场所管理人员需要实时了解被监管人员所在位置和区域，是否发生被监管人员脱管、非法进出特定区域、非法靠近关键设施等行为。当前监管场所确认人数和位置的方式较为传统，缺乏自动化手段，主要依靠管教民警人工判断，如被监管人员报数、管教民警人工清点人数等。
　　（3）报警报告手段不隐蔽也不方便。目前被监管人员主要通过按动监室墙壁上的报警按钮报警。但在某些特殊情况下，被监管人员不敢公开按动报警报告设备，比如被监管人员被他人攻击时，或夜间被监管人员突发疾病等，均无法及时按动墙上的报警报告设备。
　　（4）移动报警效率不高。监管场所根据工作要求，需要获悉监管民警是否在岗，并实时了解监管民警所在方位。一旦发生紧急情况，可以安排监管民警就近处置。目前只能通过对讲和视频监控来逐个查找，效率较低。同时，当监管民警遭遇紧急情况时，也只能够通过对讲机呼救，缺少隐蔽的报警手段。
　　2 定位系统设计
　　基于监所管理安防存在的问题和痛点，本文设计了一款人员精准定位系统，可实现监管场所内被监管人员的实时定位、人数统计、区域管控和视频联动，确保被监管人员的历史轨迹被记录、可追溯，做到主动式全覆盖监控。
　　2.1 系统功能
　　采用物联网技术进行人员精准定位系统设计，通过在被监管人员身上佩戴电子手环，在监所适当位置设置一定数量读取装置的方式，借助管理平台实现人员位置实时显示和移动轨迹记录，同时也可以使用该系统在提讯、押解和会见等流程中对人员进行识别确认。对于重点人员，可以联动视频实时监控，以及设定报警区域等方式限定其活动范围。
　　本系统具备人员精准定位、轨迹查询、人员统计和点名、视频联动、人员滞留和越界报警等功能，可实时掌控被监管人员、民警的行动轨迹，查看监控图像等。本系统按标准数据接入规范接口，实现与监所实战平台的信息共享、业务融合。电子手环识别距离为0～150 m，具备防冲突性能，可全向识别，具有破坏、拆卸、缺电提醒与报警等功能。
　　2.2 系统架构
　　人员精准定位系统架构分为四层，分别为对象层、采集层、处理层和展现层。
　　（1）对象层包括人、物、地、事，即被监管人员和监管民警，通过定位电子手环、物品标签获取实时位置，如果报警可以联动视频等。
　　（2）采集层的定位电子手环、定位卡片、物品标签作为无线数据发射模块佩戴在人员身上或固定在物品上，作为数据采集最前端可定时发送定位数据;定位基站、感知设备、网络设备等负责实时上传电子手环、定位卡片、物品标签的信息数据到处理层进行位置运算、数据分析等。
　　（3）处理层包含定位引擎服务器、数据服务器、业务服务器，服务器负责位置运算、数据分析、数据审核等工作。
　　（4）展现层分为C/S和B/S架构，佩戴电子手环或定位卡片后，可通过客户端实现人员和物品当前位置在定位地图上的图形化位置展现。系统定位数据的初始化、业务流程管理、用户管理、数据查询等均通过浏览器实现。
　　系统架构如图1所示。
　　2.3 部署拓扑
　　在每个监室安装2个定位基站，每个监室放风场上方部署1个定位基站，以实现各区域的精准定位。基站采用
　　2.4 GHz+125 kHz频段，实时采集电子手环、定位卡片的信息，通过网络传输到后端。基站通过网线连接到交换机，定位基站可外接12 V电源供电，也可采用POE供电。 　　通道高度3 m以上的，每隔4 m安装一个定位基站，实现通道内的亚米级精确定位;通道高度3 m以下的，建议基站间的距离不超过3 m。在办公区每个办公室、值班室等入口上方部署定位基站，在室内实现人员进出定位管控;如果监所二楼有巡视通道，则需要在巡视通道安装激活器。
　　定位卡或电子手环作为无线数据发射模块佩戴在人员身上，系统通过对电子手环、定位卡片和物品标签的跟踪实现对人员和物品的跟踪定位。
　　定位平台实现实时数据分析处理和位置计算，通过安装监控端电脑和監控大屏的电子地图显示各现场电子手环、定位卡片的精准位置，同时数据被存入人员位置数据库，监管民警可以通过实战平台查询人员或物品的实时位置信息、人员统计信息、报警报告信息和某段时间内的移动轨迹等。
　　人员精准定位系统拓扑如图2所示。
　　3 高精度定位算法
　　常用的无线定位方法包括信号强度分析法（RSS）、到达角度定位法（AOA）、到达时间定位法（TOA）、到达时间差定位法（TDOA）。AOA定位方法原理：测量定位目标T和基站之间的到达角度，以基站为起点的射线经过定位目标T，通过两条射线的交点即可确定目标T的位置。这种方法只需要2个基站就可确定目标的估计位置，其定位示意如图3所示。
　　当S装有天线阵列时，天线阵列根据定位目标T发送的信号来确定入射角度。2个基站的入射角分别为α1，α2，以2个基站为起点，入射角方向构造出2条射线的交点，即为目标T的位置。设定位目标T的位置坐标为（x， y），N个S的位置坐标为（xi， yi），根据其几何意义，它们之间满足：
　　将上述公式展开可得：
　　通过计算解得X。
　　本文采用优化的AOA定位算法，未知定位目标T通过天线阵列以及辅助设备获取发送端信号的到达方向，计算节点间的相对方向角以获取目标T的位置信息，定位目标T在接收平面上的投影到基站方向向量与x轴的夹角为方向角，基站收到定位目标T的方向向量与z轴的夹角为仰角，如图4所示。
　　图中Ψ1，Ψ2为两个仰角，γ1，γ2为2个方位角，在二维平面定位时，只需要测得接收到信号的2个方位角即可实现定位，假设2个发送端坐标为A（x1， y1），B（x2， y2），未知节点的坐标为（x， y），测得的方位角分别是γ1，γ2，对于发送端A有：
　　即可求出未知定位目标T的位置信息（x， y）。
　　经过实际测试，可计算出位置信息偏移角度，本文采用“位置指纹”的方法进行再度计算优化。位置指纹优化算法如图5所示。
　　通过传统AOA模式优化后，系统定位准确性得到较大提升，定位误差从之前的3%下降到0.5%，完全满足定位场所的定位要求。优化后的AOA基站可以实现精确定位，相比必须采用3个或者更多节点的其他定位技术而言具有很大的优势，实施难度大幅降低，调试方式变得相对容易，可大面积使用。
　　4 功能展示
　　4.1 人员定位
　　在监所里，必须实现全监管场所的监管民警和被监管人员的实时精准定位，实时显示当前受控目标数量、活动轨迹及分布情况，掌握重点人员动向，当重点监管人员离开监室时，需在地图上显示。为了防止新关押人员进监室时受到伤害，系统需在新关押人员进入监室时发出提醒，告知监管人员某监室有新入所人员。受控目标具有实时跟踪监测、民警突发事件报警、位置自动显示功能。民警胸卡还可以结合门禁卡，实现考勤、门禁、巡检和内部消费功能，被监管人员通过电子手环实现点名、消费和就餐等。人员精准定位界面如图6所示。
　　4.2 异常报警
　　在监管场所，由于目标人员过多、民警注意力不够集中，很有可能发生被监管人员靠近危险区域而民警还不知道的情况，导致危险事故发生。通过设置相关报警规则，对某些行为进行预警提示，如被监管人员进入禁入区域，民警未按照规定路线进行巡查监控等，系统将自动记录信息，可进行追溯和审计，从而确保相关规范和制度能够得到严格执行。系统还增加有主动报告和报警功能，在自动点名时一旦发现人员丢失便立即报警，将被动安防转向主动安防，具体如下。
　　（1）擅闯禁区系统自动报警：围墙警戒区、危险品源区等区域为限制区域，不经授权的被监管人员非法闯入，后台系统自动报警，并弹出相关事发点视频窗口，进行报警提示;在监管场所的重要关卡，可事先设定通行权限及时间段，未经授权人员出入关口将自动引发报警。
　　（2）被监管人员单人滞留告警：监所会对被监管人员的行为有所限制，尤其当被监管人员独自滞留在某个区域时，系统会告知民警此人非法滞留。如进行放风活动时，监所规定不允许单独的被监管人员留在监室，当被监管人员独自留在房间时，系统产生提示。
　　（3）电子手环报警：被监管人员刚开始佩戴人员电子手环时，一般都会产生抵触情绪，甚至会想方设法将电子手环破坏、摘除。电子手环使用了防暴力拆除设计，如果被监管人员将电子手环拆除，电子手环会发出信号告知系统。
　　（4）求助报警：民警在受到被监管人员围攻，或民警发现被监管人员有不良企图时，可按下民警胸卡按钮，或扯断挂链进行紧急求助，系统可实时追踪求助人员的位置。
　　（5）消失报警：电子手环或定位卡片信号消失一定时间后，系统进行预报警：某某不在监管区。
　　（6）进错监室报警：被监管人员在系统中已经设定好了监室号，一旦被监管人员进错监室，系统将及时发出报警信息。
　　（7）对佩戴具有心率检测功能电子手环的戒毒人员进行心率检测，电子手环定时采集佩戴电子手环的被监管人员的心率数据，当心率数据高于或低于系统设定的阈值时，系统立即告警。
　　4.3 电子点名
　　当某个区域应到人数与实到人数不符时，该区域的人数统计会以特别颜色显示。系统通过点名显示应到人数、实到人数、缺席人员，及缺席人员当前位置。 　　可查询某个区域内当前人员的信息，也可通过名称和定位电子手环或定位卡编号查找特定人员当前位置，并弹出视频。
　　可以查看佩戴定位电子手环的被监管人员、佩戴定位卡片的警员移动历史轨迹，并联动历史视频。
　　电子点名界面如图7所示。
　　4.4 视频联动
　　定位系统与监控、门禁、周界等系统联动，创造以人员定位数据为基础的完整、立体、安全的防御体系，并在此基础之上将事件位置、违规行为与受控目标关联起来，通过事件触发应急预案与警力资源布置、视频联动报警，实现事件预防，以避免危险事件发生。
　　5 结 语
　　智慧监管建设应充分考虑安全监所的目标，遵循以“被监管人员”为核心的管理模式，突显物联网数据采集和智能应用，将平台和数据联汇贯通。本文构建的人员精准定位系统，力求通过信息化手段提升管理精细度，规范执法、执勤环节，确保安防无盲区、信息无孤岛，并通过位置数据的应用提高业务管理水平，实现全面、立体的“智慧监管”。
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　　作者简介：李胜广（1977—），男，山东临沂人，工学博士，研究员，公安部第一研究所物联网部副主任，研究方向为公安物联网和公安大数据。
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