智慧工厂~智能管控平台建设方案
车辆管理
1）进出公司车辆统计信息
包括进出车辆数量、车牌、记录时间的统计。
2）车辆的行驶轨迹
能任意调取车辆行走轨迹信息，及最后的停放点（需要定位辅助）。
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1）进入厂区的人员信息统计
进入厂区佩戴安全帽检测，人员数量；记录进厂时间；行走轨迹信息。
2）作业区域人员防护用品的佩戴检测
安全帽、抽烟行为等检测。
作业区域检测包括：酸化车间1、2、3楼、铑提纯车间、三元催化车间、白银车间、熔炼车间、污水处理、焙烧车间、酸罐库区。检测用品根据具体车间可以专人任意修改规则。
3）危险、禁止区域监控
酸罐库区、金库、空桶堆场，这些区域人员进入产生报警信号，支持配置监控区域及报警设置。
3.3 作业区域环境气体监测
1）酸化车间三楼有害气体
氢气、氯气
2）酸化车同一楼有害气体
氯气
3）酸化车间二楼有害气体
氯气
4）钯提纯车间有害气体
氯气、氨气
5）三元催化车间有害气体
硫化氢、氯化氢
6.焙烧车间和污水处理车间(锅炉)有害气体
天然气、 火灾
3.4 各车间通讯终端安装
1）根据车同要求安装普通电话和防爆电话，实现互联。
3.5 其他要求
1）检测传感器采用防爆型，有现场数据显示、声音和灯光报警提示。
2）具体位置和数量根据现场结合实际操作点在确定。
3）摄像头数量及位置根据项目的要求，在相应的增加数量，部分特殊位置还要安装防爆型摄像头。
4）系统存储数据时间在3个月以上，安全性和保密性必须严格，有账号权限管理。
4 建设原则
(1) 可行性和适应性
本项目要保证技术上的可行性，适合企业的实际，满足主要业务需求，并要有对于公司环境变化的适应性。
(2) 前瞻性和实用性
项目的实施，要充分考虑系统今后的延伸。与此同时，系统实施过程应始终贯彻面向应用，注重实效的方针。
(3) 先进性和成熟性
项目既要采用先进的管理理念、计算机技术和方法，又要注意软件系统、硬件设备、开发工具的相对成熟。不但能反映当今先进水平，而且具有发展潜力，能保证在未来若干年内占主导地位，并能顺利过渡到下一代技术。符合行业信息化发展趋势，可以适应未来较长时间的发展。
(4) 完整性和集成性
全面考虑企业每个业务部门之间的信息传递和业务往来，实现各环节业务运作在系统中的全面集成。
(5) 开放性和标准性
系统必须充分考虑其开放性和标准性，考虑到各系统间数据传递和接口开发的可实现性，满足统一平台、分步实施的要求。
(6) 可靠性和稳定性
在考虑技术先进性和开放性的同时，还应从系统结构、技术措施、设备性能、系统管理、厂商技术支持及维修能力等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时间。
(7) 安全性和保密性
既考虑信息资源的充分共享，更要注意信息的保护和隔离，因此系统应分别针对不同的应用和不同的网络通信环境，采取不同的措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。
(8) 可扩展性和易维护性
为了适应未来的业务拓展和项目的变化要求，必须充分考虑以最简便的方法、最低的投资，实现软件系统的拓展和维护。
5 建设目标
以物联网技术为依托，重点建设智能管控平台，从而提升凯怡实业信息化管理和安全生产智能化水平。实现企业内部信息畅通集成、企业信息全面感知、核心业务与信息化全面融合，并且通过大屏显示企业安全运行全景数据，为企业安全高效运行提供决策支持。
6 建设方案
6.1 系统体系结构设计
图 6 1智能管控平台架构
智能管控平台覆盖车辆管理、人员管理、车间环境监测、告警管理、通讯增强等功能。
车辆、人员轨迹追踪采用先进的室内UWB定位技术，构建厘米级高精度定位系统，实施追踪车辆、人员动向。
车间环境监测采用防爆气体监测设备，对有害气体进行实时监控，一经发现超标，立即告警。
车辆、人员管理引入AI智能视频分析网关，通过对摄像头视频分析可实现人脸识别、车辆识别，危险区域人形检测，抽烟、安全帽行为检测。视频分析赋能安全生产与智能监管。
通讯增强指车间安装防爆通话中断，实现车间通讯互联。
6.1.1 基于微服务的云架构
为了适应多元化、多种定制业务服务管理的需求，智能仓储系统采用了前后端分离的体系架构。前后端分离不仅是一种开发模式，而且也是web应用的一种架构模式。
基于微服务架构（Microservice Architecture）设计。相对于SOA架构，微服务架构在SOA的基础上做了升华，重点强调业务彻底的组件化和服务化，旨在将功能分解到离散的各个服务当中，从而降低系统的耦合性，并提供更加灵活的服务支持。
采用微服务的云架构，保证系统框架的先进性和未来的可扩展性，让传统的仓储系统实现云化软件即服务。系统部署可建立大数据中心、企业内部数据、系统之间数据交互通畅。
6.1.2 系统功能体系结构
Ø 前端UI
为适应多种业务呈现需求，适配多种前端UI展示，web前端采用当前最流行的Node.js + VUE技术，界面美观，扩展方便；采用Nginx进行部署和实现跨域服务。
Ø API网关（API Gateway）
API网关是一个服务器，是系统的唯一入口，API网关封装了系统内部架构，为每个客户端提供一个定制的API。API网关方式的核心要点是，所有的客户端和消费端都通过统一的网关接入微服务，在网关层处理所有的非业务功能。通常，网关也是提供REST/HTTP的访问API。服务端通过API-GW注册和管理服务。本系统中API网关负责认证、鉴权、监控、限流、负载均衡、动态路由、安全等任务。
Ø 业务微服务集群
核心组件，主要包括服务注册、服务发现、配置管理、熔断机制和服务、链路跟踪。
服务注册和服务发现：服务提供方将自己调用地址注册到服务注册中心，同时，服务调用方从服务注册中心找到需要调用服务的地址。 此组件确保系统中多个服务的灵活加载和调用。
熔断机制：在微服务架构中通常会有多个服务层调用，基础服务的故障可能会导致级联故障，进而造成整个系统不可用的情况，即雪崩效应。熔断机制是对这种现象的一种微服务链路保护机制，从而充分确保高业务量。
配置管理：将本地化的配置信息注册到配置中心，达到高效建网，层级管理，规划配置和快速升级的效果。
服务、链路跟踪：随着服务服务不断增加，系统也会越来越复杂，服务及链路的跟踪、为整个系统的性能监控、健康分析提供了有力保障。
业务微服务集群，将整个系统分为多个功能模块，每个功能模块进行业务微服务化，其思路不是开发一个巨大的单体式应用，而是将应用分解为小的、互相连接的微服务。一个微服务完成某个特定功能，每个微服务都有自己的业务逻辑和适配器。每个微服务都可提供REST API接口给其他微服务和应用客户端使用。
根据需求说明，本系统可以将服务划分为如下服务：
(1) 车辆管理服务
(2) 人员管理服务
(3) 车间气体监控服务
(4)告警服务
数据采集层由各数据网关组成，服务采集相关的业务及故障数据，并通过消息中间件MQTT实时传递到业务微服务层。
6.2 高精度定位子系统
6.2.1 UWB定位简介
超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）是一种新型的无线通信技术，根据美国联邦通信委员会的规范，UWB的工作频带为3.1~10.6GHz，系统-10dB带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。UWB信号的发生可通过发射时间极短（如2ns）的窄脉冲（如二次高斯脉冲）通过微分或混频等上变频方式调制到UWB工作频段实现。目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。
UWB 技术是一种传输速率高（最高可达 1000Mbps 以上），収射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用 TOF或TDOA 等测距定位算法。
超宽带可用于室内精确定位，可用于工厂、家居、司法监狱等场景。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、 抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度，精度一般可达0.3m左右。
6.2.2 UWB定位系统组成及定位原理
6.2.2.1 系统构成
定位系统组成示意图见上图。
典型的定位系统构成成：基站、标签、定位引擎、显示终端
基站：基站通过UWB信号和定位标签进行通信，实现标签的定位功能
标签：待定位的人员、资产上须佩戴室内定位标签。标签发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位。
定位引擎：环境中的基站实时通过网络原始数据发送给定位引擎 (可能位于本地服务器或云端)。定位引擎运行定位算法，实时计算出带定位标签的坐标位置。
显示终端：定位引擎计算出的标签坐标，要在显示终端上呈现。终端可能是PC、平板电脑、手机等任意有浏览器的屏幕。
授时设备：多区域混合定位情况下，无线同步设备的引入，可以从全局规划标签时隙分配，避免冲撞，提高测距稳定性、保障定位可用性和精度。
定位算法：支持TDOA\TOF\TDOA及TOF混合定位,支持融合GNSS及惯导技术。
定位精度：优于0.3m
6.2.2.2 产品规格
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产品名称 |
室内型、室外防水型定位基站 |
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产品型号 |
IWS-TNC-NGR-01; IWS-TNC-NGR-02 |
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工作频段 |
3.1GHz—7.0GHz |
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供电方式 |
POE或DC9-17V |
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安全性能 |
防浪涌，抗电磁干扰，室外防水IP67 |
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工作温度 |
-40℃~85℃ |
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存储温度 |
-45℃~85℃ |
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工作湿度 |
小于85% |
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功耗 |
≤5W |
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作用范围 |
单基站覆盖范围为30~150m |
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尺寸 |
室外型：224mm×224mm×107mm 室内型：200*200*50mm |
人员胸卡型 车载警灯型
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产品名称 |
UWB定位标签 |
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型号 |
胸卡型：UWB_TagCard_01 车载型：UWB_TagVehicle_01 |
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工作频段 |
超宽带3.1GHz—7.0GHz |
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供电方式 |
可充电锂电池 |
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工作温度 |
-20℃~55℃ |
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存储温度 |
-20℃~60℃ |
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工作湿度 |
小于85% |
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覆盖范围 |
胸卡型：＞50m 车载型：＞100m 资产型：＞100m |
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续航能力 |
1个月(1Hz刷新频率) |
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固定方式 |
胸卡型：悬挂式 车载型：吸盘式 |
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尺寸 |
胸卡型：57mm×37mm×14mm 车载型：φ13*11cm |
6.2.3 功能特性
6.2.3.1 人员访客实时实现定位
通过在作业工厂部署工厂车辆、人员定位系统，能够实时查看现场作业人 员实时位置、在岗时间、离岗时间。软件可通过平面、立体和列表三种视图方式 实时显示定位区域内不同类型人员(标签卡)的实时位置，方便管理人员随时了。同时，还可对作业现场的访客进行定位管理，查看其位置及移动轨迹，防止发生危险。
6.2.3.2 人员移动轨迹回放
人员定位系统会自动保存人员(标签)的运动轨迹，管理者可以通过姓 名或者卡号随时查看人员、设备移动轨迹，便于进行人员管控和历史事件分析; 通过分析作业人员运动轨迹来还原现场情况， 为各种类型的行为分析和数据分析提供直观可视化的信息支持。 运动轨迹数据保存时长(自动保存多少天的数据)可根据客户需求定制。
6.2.3.3 电子围栏安全预警
通过工厂人员定位系统对管理区域出入口设置电子围栏， 当作业人员或某些特定设备靠近电子围栏边界时，系统自动进行声光报警(标签卡)，从而提高安全指 数。同时中控室(管理软件)也会报警提醒管理人员。 具体围栏区域设置根据现场实际情况设置，可以是正方形、圆形、多边形等。
6.2.3.4 遇到险情一键求助
一旦发生灾情或其他异常情况时，管理人员可在工厂人员定位系统监控后台 界面点击撤离后，并选定撤离区域，该区域人员会立刻接收到撤离命令，通过声 光报警提示人员撤离。 同时，作业人员可通过按下所携带的定位标签上的“一键报警”按钮发出警 报，通知管理人员及时加以管控和实时紧急救援。
6.2.3.5 人员行为检测
通过人员定位系统，可实现对人员消失、聚众、超时和消失等异常行为 的实时监控，如有发异常立即告警，提高对人员自身安全的管理。
6.2.3.6 视频联动
人员定位系统支持接入已有视频监控系统， 将已有摄像头设备集成到管 理监控系统中，充分发挥视频监控系统功能，降低整体系统成本。
6.2.3.7 门禁考勤系统
通过在人员管理的出入口安装具有 LED 显示功能信息的门禁系统，将所有进出人员的身份资料进行采集和管理。
6.3 车辆智能管理子系统
车辆智能管理系统构成见上图。
主要构成组件为：车牌识别一体机、交换机、本地服务器、云端服务器等组成。
其中车牌识别一体机为关键设备。
车道显示屏可显示车牌、汉字信息和语音提示等，同时具有控制通行指示灯等功能。
6.3.1 出口入口多功能高清识别一体机
出口入口多功能高清识别一体机DC-1000C1含识别主机一体式摄像机，集车牌识别、摄像、前端储存、补光等一体，采用高清CMOS和TI DSP，峰值计算能力高达1Ghz。基于车牌自动曝光控制算法； 1、采用200万高清实时视频流识别，最大化识别率，解决压地感跟车无法识别问题； 2、极致优化的嵌入式车牌识别算法：综合识别率高于99.8%； 3、大角度识别，满足≤40°的通道环境； 4、优异的成像自动控制：自动跟踪光线变化、有效抑制顺光和逆光；夜间抑制汽车大灯； 5、 适应车速：0-150公里/小时 6、 如单车道宽度大于4米，需另配车牌识别主机，最多可以挂接4台
7、显示尺寸： 360*120*1450mm 四行显示，显示车牌、入场时间、缴费金额。
8、多功能可编辑语音。
安装注意事项：
6.4 人员行为管理子系统
6.4.1 视频AI安全可视化平台
人员行为管理基于视频AI安全生产可视化平台实现，该平台集数据采集、智能化、传输、存储于一体，满足以视频为中心的数据接入及云端化需求。 支持接入多类型数据源，内置AI算法（人脸、车辆、安全帽等）升级普通摄像头实现人脸及车辆结构化，及人脸轨迹跟踪、以图搜图。 具有双网切换、本地存储等功能。
6.4.2 人脸识别考勤
人脸识别考勤机由三辊闸、人脸考勤门禁机、闸机支架组成。
Ø 三锟闸
箱体 材质：不锈钢304，上盖厚度1.2mm，箱体厚度1.0mm
机芯 45#钢，表面电镀白锌
安全模式 断电后自动落杆
通道宽度 580mm
机芯寿命 500万次
通信接口 RS232通讯,继电器开关信号 电源电压 AC220 V±10% 、频率50HZ
设备噪音 开关门≤30db
通行速度 常闭模式20人/分钟；常开模式30人/分钟 外观尺寸：280*1200*990mm
Ø
人脸考勤门禁机
用户数 10000人
指纹容量 10000枚
面部容量 10000张
记录容量 10万条
显示屏 5寸TP彩屏
通讯方式 TCP/IP、选配WIFI
基础功能 记录查询、Photo ID、带摄像头
使用温度 0℃～45℃
使用湿度 20%RH～80%RH
电源规格 DC12V 3A
尺寸 203*92*21.5mm
Ø 闸机支架
6.4.3 车间人员行为管理
利用视频分析技术、可实时监控工厂安全帽佩戴情况、吸烟情况，并形成截图照片和视频进行上报，起到教育和监督作用，提升生产安全性，预防为主，防治结合。
1）进入厂区的人员
对进入厂区佩戴安全帽检测，人员数量；记录进厂时间；行走轨迹信息。
车间入口处布置人脸闸机、对进出人员进行管控和统计。
2）对作业区域人员防护用品的佩戴检测、非合规行为如安全帽、抽烟的实施抓拍检测。
作业区域检测包括：酸化车间1、2、3楼、铑提纯车间、三元催化车间、白银车间、熔炼车间、污水处理、焙烧车间、酸罐库区。
3）危险、禁止区域监控
酸罐库区、金库、空桶堆场，这些区域人员进入产生报警信号，支持配置监控区域及报警设置。
6.5 作业区域环境气体监测
6.5.1 有害气体监测
无线气体检测仪配备工业级铝合金防护外壳，坚固耐用；2.4英寸超大屏幕，完美显示目标气体、浓度、单位、指示灯、工作状态等各项参数；中英文、繁体，操作界面，适合所有人群；目标气体超标自动报警，风机、阀门等设备的联动；仪器三级报警点、平台报警条件、报警方式自由设置；客户可通过物联网平台接收短信、微信、邮箱、语音等方式接收报警信息，提醒相关人员进行处理；强大的数据存储功能，不仅支持无线检测仪本地进行存储数据，也可通过物联网平台存储数据，自由设置存储间隔时间，实时生成历史记录、历史曲线、报警记录、数据导出、监测时间、设备定位等；国外原装进口芯片，精度高、稳定性强、误差率低；ZIGBEE、NRF、WIFI、GPRS多种无线信号传输，无线模块可将采集的无线信号发给相应的采集系统，上传给PLC、DCS、DDC等上位机系统；全量程温湿度补偿智能运算，32位纳米级微处理器+24位超高ADC采集芯片，确保产品在长期运行过程的数据稳定、传输稳定。
目前支持的气体多样，可满足以下车间监控需求：
1）酸化车间三楼有害气体
氢气、氯气
2）酸化车同一楼有害气体
氯气
3）酸化车间二楼有害气体
氯气
4）钯提纯车间有害气体
氯气、氨气
5）三元催化车间有害气体
硫化氢、氯化氢
6.焙烧车间和污水处理车间(锅炉)有害气体
天然气
6.5.1.1 氢气检测仪
6.5.1.2 氨气检测仪
6.5.1.3 氯气检测仪
6.5.1.4 硫化氢检测仪
6.5.1.5 氯化氢检测仪
6.5.1.6 天然气检测仪
6.5.2 火灾监测
防爆感温火灾探测器是非编码型（继电器无缘触点输出）探测器，和厂家的火灾报警控制器配套使用当现场温度超过60°C设定温度时、现场烟雾超过60%时，探测器自动向控制器发出报警信号（内部端子G、K闭合G、B断开），且探测器指示灯常亮。只有在系统复位或暂短掉电时且又重新上电后，探测器自动恢复检测状态（内部继电器接点开路），指示灯恢复闪烁（巡检）状态。
6.6 车间防爆通讯系统
车间防爆通信系统具备电话系统全线录音功能可追溯指令功能。话站扬声器采用分散式方式配置。要求所有系统电话可以联动功放广播进行、广播、喊话。现场防爆无线对讲机可、通过无线电台系统联动到防爆扩音电话系统进行对讲。该系统平时用于生产装置区的广播找人、对讲、通话，紧急情况下也作火警及事故广播与消防联动。
6.6.1 设备介绍
6.6.1.1
触摸屏调度台
型号：HA-5F
每个调度台或调度终端软件只能支持两部调度总机。
每台调度主机支持64个调度台或调度终端软件。
22寸 / 嵌入式 / 触摸屏调度台
技术参数：
显示屏尺寸：22英寸
屏幕比例：16：10
水平可视角度：170°
垂直可视角度：160°
额定电压： DC：13V± 0.5V（外置电源适配器）
额定电流： 5A
产品尺寸：
主体：902mm（长）×387mm(宽)×65mm（高）
安装话机后高度为118mm
底座：577mm（长）×235mm(宽)×105mm（高）
工作范围：
DC：13V± 0.5V（外置电源适配器）
6.6.1.2 防爆电话机站
防爆标志：ExdibIICT6 Gb ExtD A21 IP66ib D21 T80℃
防护等级：IP66
防腐等级：WF2
额定电压：110-220VAC
最大工作电流：≤0.5A
输出功率：15W-25W
抗噪声能力：120dB环境中，信噪比 16：1
可适合工作环境温度：-40~60℃
话筒：10欧姆，动态抗噪音
听筒：130欧姆，动态
防护箱外壳材料：增强型环氧树脂、304不锈钢
防爆腔材料：压铸铝
手机电缆：PVC，可延伸
输出电平：1.5Vrms，标称33欧姆负载
增益：55dB 标称 (40-63dB可调)
频响：250-4000HZ，+/-1.5dB
失真度：最大1.5%（1000Hz）
可调项目：话筒增益，话筒音量，侧音，扬声器音量
频响：250-4000Hz，+0，-3dB（1000Hz）
输入阻抗：5000欧姆
配套防爆格兰头或防爆挠性管
6.6.1.3 防爆接线箱
防爆等级：ExdIICT6 Gb ExtD A21 IP66 T80℃
防护等级：IP66
防腐等级：WF2
电压使用范围：≤380V AC
额定电流：20A
环境温度：-40～60℃
材质：铸铝、304不锈钢
规格：一进四出（内螺纹G1寸三个、G3/4寸二个）
适用环境：室内外皆可
配套防爆格兰头或防爆挠性管
6.6.1.4 防爆扬声器
防爆等级：Ex d II C T6 Gb Ex tD A21 IP66 T80℃
防护等级：IP66
功率：25W
声压：在线105dB（标准信号源输入），出厂指标声压120dB（标源1米）
阻抗：8欧姆
环境温度：-40~60℃
材质：铝合金
外型尺寸：220×280（口径×长）
喇叭口尺寸：内螺纹G1/2
6.7 大屏可视化（可选）
本项目所使用的数据可视化分析产品，支持灵活的多维分析，实体数据分析，实时数据分析等多种分析模式。数据存储模型采用事件模型，存储最细粒度的数据，减少ETL的代价，支持秒级的数据导入与查询。数据源支持任何使用SQL引擎的存储，如(Impala + Parquet、MySQL)。该产品支持多种图表展示，如线图、柱状图、饼图、散点图、表格、地图展示等。部署方案支持云服务式独立部署，同时支持组件化的与业务系统无缝集成。
6.7.1 三维效果图呈现
6.7.1.1 工厂级
6.7.1.2 车间级（可选）
6.7.2 车辆、人员实时呈现
厂区图绘制及呈现、对来访车辆、厂区员工等进行位置支持实时三维呈现，并对人员、车辆关键数据统计分析，如轨迹、进出厂、受限区域告警数据等，对于未经授权的区域内出现人或车辆进行报警、并抓取视频图片进行显示。
6.7.3 安防监控
另外，大屏系统支持接入安防摄像头，展示车间全景以及厂内状况，便于管理员通过系统界面即可直观看到车间运行状况、车间有害气体监控状态以及车间人员是否按规范工作。
图 6 3 大屏展示图
6.7.4 企业宣传
大屏系统支持自动切换企业文化宣传界面，包括企业介绍、荣誉资质等栏目，支持页面滚动播放模式。