工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用展望*

陳 潔，朱瑾瑜，郭文雙

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新工業(yè)和信息化部重點實驗室，北京 100191）

0 引言

基于位置的服務(wù)（Location Based Service，LBS）在消費互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，例如行程碼、手機導(dǎo)航、物流跟蹤等，其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度相對較高。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及對空間位置需求的提升，定位技術(shù)也不斷向垂直行業(yè)延伸[1-2]。園區(qū)是工業(yè)企業(yè)集聚地，是“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃的重要任務(wù)之一。園區(qū)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型離不開精準(zhǔn)的位置識別技術(shù)，園區(qū)內(nèi)人、機、物、料的實時地理位置信息已成為構(gòu)建數(shù)字園區(qū)的基礎(chǔ)屬性和重要標(biāo)識。各類基于位置信息的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新興業(yè)務(wù)、場景在園區(qū)的規(guī)?；瘧?yīng)用對園區(qū)內(nèi)定位技術(shù)提出了更高的要求。在園區(qū)復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)進行實時、可靠、精準(zhǔn)的跟蹤定位，是園區(qū)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)場景下園區(qū)定位服務(wù)的需求與挑戰(zhàn)，對蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、Wi-Fi定位、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位等幾類主流技術(shù)在園區(qū)內(nèi)的應(yīng)用進行了比較，提出了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)融合定位技術(shù)路徑，以及預(yù)測了未來工業(yè)園區(qū)定位技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位服務(wù)需求分析

1.1 應(yīng)用場景

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)內(nèi)借助定位技術(shù)衍生出許多基于位置信息的園區(qū)應(yīng)用場景，促進了園區(qū)在生產(chǎn)效率、人員安全、設(shè)施監(jiān)管等方面的能力提升。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位技術(shù)應(yīng)用場景可以歸納為以下幾類：

（1）人員定位及追蹤。園區(qū)企業(yè)在生產(chǎn)過程中，由于區(qū)域廣、環(huán)境復(fù)雜，需要獲取現(xiàn)場工作人員的運動軌跡數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)度，以及對重點監(jiān)控區(qū)域、重大危險源區(qū)域進行人員及環(huán)境風(fēng)險管控，保障人員和生產(chǎn)安全。

（2）生產(chǎn)物資定位。園區(qū)企業(yè)在實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個性化定制的模式時，需要及時了解生產(chǎn)配套物料的情況，包括庫存數(shù)量、存儲位置、出入庫管理、線邊物流等，從而提前為生產(chǎn)進行智能化排產(chǎn)，實現(xiàn)物料定時、定點、定量配送，減少因物料的不確定性影響生產(chǎn)效率的情況。

（3）移動設(shè)備定位。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)內(nèi)除了產(chǎn)線上固定的生產(chǎn)設(shè)備，還存在大量全自動引導(dǎo)運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、無人巡檢機、機器人等移動設(shè)備，這些設(shè)備在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要對其起點、起點動作、終點、終點動作、任務(wù)狀態(tài)、運行狀態(tài)、行駛路徑等進行監(jiān)控和動態(tài)調(diào)度，對各類突發(fā)事件位置進行精準(zhǔn)定位。

（4）周界防入侵。園區(qū)一般占地面積較大，基于安防需求可在周界設(shè)置電子圍欄，實現(xiàn)全園區(qū)安全監(jiān)控、事件感知預(yù)警、重點區(qū)域視頻事件防護管理、入侵地點精準(zhǔn)定位等。

（5）園區(qū)數(shù)字化管理。利用園區(qū)基礎(chǔ)空間位置信息，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及AI技術(shù)，打造狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的數(shù)據(jù)流動閉環(huán)，推動資產(chǎn)管理、運營管理、組織管理等方面的園區(qū)數(shù)字化管理創(chuàng)新。

1.2 需求指標(biāo)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位有別于普通的室內(nèi)定位或室外定位，需要融合多種定位技術(shù)形成支持多場景、廣覆蓋、高精度、低時延的定位，其需求指標(biāo)主要體現(xiàn)在以下幾個方面[3-5]：

（1）精度：指估計值與實際地理位置間的歐拉距離，用于評定定位的精確度和準(zhǔn)確度[3]。不同應(yīng)用場景對精度要求不同，例如園區(qū)車輛定位精度要求為3～5 m，室內(nèi)倉儲物料的定位要求可達到厘米級。在工業(yè)園區(qū)復(fù)雜環(huán)境下，非視距、多徑傳播以及園區(qū)內(nèi)異構(gòu)終端的時鐘同步問題都會影響定位精度。

（2）時延：指請求定位時間與服務(wù)器輸出該定位結(jié)果之間的時間差[4]。定位時延越小表示追蹤效果越好，例如，“5G+北斗”定位時延僅為5 ms。未來6G場景下有望實現(xiàn)時延小于1 ms[3]。

（3）成本：指定位系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施、定位終端成本、功耗成本以及維護成本[5]。面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)大連接物聯(lián)網(wǎng)場景，定位成本是園區(qū)進行定位技術(shù)選型的重要指標(biāo)之一。

（4）覆蓋范圍：指能達到定位精度要求的最大范圍。園區(qū)存在室內(nèi)定位、室外定位等場景，園區(qū)定位技術(shù)應(yīng)提供更大范圍和穩(wěn)定連續(xù)的無縫覆蓋。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 園區(qū)定位算法

目前園區(qū)定位的解決方案在實現(xiàn)原理上較為相似，即依靠布設(shè)在園區(qū)內(nèi)的若干錨節(jié)點的已知位置數(shù)據(jù)，以及它們與被測節(jié)點間的關(guān)系，利用配套的定位算法計算出被測節(jié)點的估計位置[6-8]。以測距技術(shù)為基礎(chǔ)的定位方案，主要使用接收信號強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）、到達時間（Time of Arrival，ToA）、到達時間差（Time Difference of Arrival，TDoA）等進行距離測算或使用到達角度（Angle of Arrival，AoA）進行角度測算。非測距的方案主要依靠網(wǎng)絡(luò)連通性相關(guān)參數(shù)進行定位估算。

2.1.1 RSSI算法

RSSI算法根據(jù)信號功率隨傳播距離衰減的原理，定位節(jié)點依據(jù)接收到的信號強弱來測定與錨節(jié)點的距離[9]。RSSI值一般可在通信過程中直接從無線收發(fā)模塊的寄存器讀取，通過信號傳播路徑損耗模型可以將RSSI轉(zhuǎn)換成距離值。因此RSSI定位不需要額外的硬件設(shè)備支持，易于實現(xiàn)且功耗低，適合于對定位精度要求不高的園區(qū)室內(nèi)場景。

2.1.2 ToA算法

ToA算法通過測量無線電波從錨節(jié)點到定位節(jié)點的傳播時間，利用傳輸時間乘以光速測算兩者間的距離[10]。ToA定位的機制實施簡單，但對于系統(tǒng)終端的時間同步要求很高，1 ns的時鐘同步偏差就會導(dǎo)致0.3 m的定位誤差，因此在園區(qū)定位應(yīng)用中很少單獨使用ToA技術(shù)。

2.1.3 TDoA算法

TDoA算法基于接收信號到達時間差進行測距[11]，有兩種實現(xiàn)方式：一是先利用定位節(jié)點同時發(fā)送不同信號（常見的有無線電波和超聲波），然后利用不同信號傳播速度不同導(dǎo)致的到達錨節(jié)點時間差來測算距離，這種方式需要加裝額外的收發(fā)設(shè)備，增加了定位成本；二是利用多個錨節(jié)點接收到信號的時間差進行定位。TDoA是對ToA算法的改進，不要求錨節(jié)點和定位節(jié)點的時鐘同步，定位精度相對有所提高。

2.1.4 AoA算法

AoA算法中，錨節(jié)點通過天線獲取定位節(jié)點發(fā)送的信號波入射角，并形成一條從錨節(jié)點到定位節(jié)點的射線，基于兩個錨節(jié)點的兩條射線交點即可測算出定位節(jié)點位置。該定位算法對天線要求高，要求天線陣列具有高靈敏度和高空間分辨率。

2.1.5 DV-Hop

距離矢量跳數(shù)定位法（Distance Vector-Hop，DV-Hop）是自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的一種常見非測距技術(shù)。其原理與距離矢量路由算法比較類似，定位節(jié)點通過計算與錨節(jié)點的最小跳數(shù)以及估算平均每跳距離，利用跳數(shù)與每跳距離的乘積來估算與錨節(jié)點之間的距離。DV-Hop對節(jié)點的硬件要求低，實現(xiàn)簡單，但定位誤差較大[12]，不適宜在園區(qū)定位應(yīng)用中使用。

2.1.6 多邊測量法

上述技術(shù)解決了錨節(jié)點到定位節(jié)點間的距離測算，當(dāng)定位節(jié)點獲得3個錨節(jié)點的距離后，可形成以錨節(jié)點為圓心、測算距離為半徑的3個圓，其交點就是定位節(jié)點的估算位置，利用最小二乘法可求出最優(yōu)解[13]，這種方法被稱為三邊測量法。當(dāng)錨節(jié)點數(shù)量大于3個時，這個方法被稱為多邊測量法。多邊測量法是最常用的定位算法，基于測距的定位解決方法基本都采用多邊測量法進行位置估算。

2.1.7 質(zhì)心算法

質(zhì)心算法將發(fā)送信息的錨節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心作為定位節(jié)點的坐標(biāo)位置，是一種完全基于網(wǎng)絡(luò)連通性、簡單易實現(xiàn)的定位算法。該方法雖然可以通過去中心化和場強加權(quán)等方法提高定位精度，但在精度方面仍不能滿足園區(qū)定位需求。

2.1.8 位置指紋算法

將區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，以每個網(wǎng)格交點為坐標(biāo)，建立區(qū)域內(nèi)錨節(jié)點特征量如接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）、多徑結(jié)構(gòu)等的指紋數(shù)據(jù)庫，然后定位時通過匹配特征量來確定定位節(jié)點的位置坐標(biāo)。位置指紋算法可以有效解決非視距、多徑傳播的問題，適合園區(qū)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，但位置指紋數(shù)據(jù)庫的建立和維護工作量比較大，無疑增加了定位成本。

2.2 主要技術(shù)實現(xiàn)

目前常見的園區(qū)定位技術(shù)包括衛(wèi)星定位、蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、Wi-Fi定位[14]、超帶寬UWB定位[15-16]、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）定位[17]和藍牙定位等[18]。由于這些技術(shù)通信機制不同、適用場景不同，園區(qū)定位服務(wù)質(zhì)量存在一定差異。

2.2.1 衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術(shù)，是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)[19]，可以面向海陸空3大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的高精度位置服務(wù)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)外場監(jiān)測、巡檢等場景下，使用衛(wèi)星定位技術(shù)可以得到較好的定位結(jié)果，但衛(wèi)星定位技術(shù)無法在園區(qū)廠房、樓宇內(nèi)應(yīng)用，需要其他室內(nèi)定位技術(shù)輔助。

2.2.2 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

從2G網(wǎng)絡(luò)開始，利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站進行定位就成為研究熱點，定位精度也從數(shù)百米提升至幾十米。移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有廣連接、大帶寬、安全可靠等特點，可實現(xiàn)通信與定位功能有效合一。目前5G網(wǎng)絡(luò)通過引入增強小區(qū)ID（Enhanced Cell ID，ECID）、下行達到時間差（Downlink Time Difference of Arrival，DL TDoA）、多站點往返時間（Multi-Round Trip Time，Multi-RTT）、下行離開角（Downlink Angel of Departure，DL AoD）、上行到達角（Uplink Angle of Arrival，UL AoA）等方案來提供高精度定位服務(wù)[6]。最新發(fā)布的R17版本進一步優(yōu)化了5G定位性能，降低5G的定位時延，提供達到厘米級定位精度的能力。蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)是為數(shù)不多支持室內(nèi)外無縫定位的技術(shù)，適用于園區(qū)場景。

2.2.3 Wi-Fi定位

目前很多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，利用Wi-Fi定位不需要新增專門的定位設(shè)備，定位信號無須占用額外的頻譜資源，因此在成本方面占有一定優(yōu)勢。同時Wi-Fi定位利用三邊測量定位或位置指紋法，可獲得2～5 m的定位精度，是一種適用性強、可擴展性強的定位技術(shù)。

2.2.4 UWB定位

超寬帶UWB信號具有極強的穿透能力，具備良好的抗干擾性和抗多徑衰落能力，所以在園區(qū)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中也能進行測距和定位。通過TOA、TDoA等方式，UWB定位能夠達到10 cm級的定位精度，是目前基于無線通信技術(shù)的定位方法能夠達到的最佳精度。

2.2.5 RFID定位

RFID是通過無線射頻方式進行非接觸雙向通信的一種自動識別技術(shù)，利用布設(shè)在現(xiàn)場的RFID讀寫器讀取目標(biāo)節(jié)點的RFID標(biāo)簽特征信息（如身份ID、接收信號強度等）進行定位，可達到厘米級定位精度，目前在園區(qū)內(nèi)各類資產(chǎn)管理、物品定位、人員定位等場景中應(yīng)用較為廣泛。

2.2.6 藍牙定位

早期藍牙定位技術(shù)主要利用Cell-ID、RSSI等方法，定位精度僅能達到“房間級”。2019年藍牙5.1版本中引入了“尋向”功能，利用AoA、AoD等技術(shù)將定位精度提升到了亞米級。但藍牙的通信距離在20 m左右，且藍牙熱點所容納的節(jié)點數(shù)量有限[20]，這些都限制了藍牙定位在園區(qū)場景中的應(yīng)用。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)定位技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 園區(qū)一體化融合定位

傳統(tǒng)園區(qū)定位系統(tǒng)初始設(shè)計目標(biāo)是以滿足單一場景定位需求為主，并通過構(gòu)建獨立的定位網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點間采用特定通信機制、同步機制等來保障定位精度。這不僅增加了通信開銷，也增加了定位系統(tǒng)和架構(gòu)的復(fù)雜性。隨著未來園區(qū)接入終端數(shù)量和種類上不斷激增，這種架構(gòu)的弊端日益凸顯。園區(qū)定位技術(shù)發(fā)展趨勢應(yīng)結(jié)合園區(qū)室內(nèi)外空間布局特點、生產(chǎn)現(xiàn)場工業(yè)射頻環(huán)境[21]，以及工業(yè)過程特有的行業(yè)背景，兼顧差異化的定位需求，減少由無線網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定導(dǎo)致的定位模型性能和定位服務(wù)質(zhì)量下降。

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)一體化融合定位是融合園區(qū)現(xiàn)有異構(gòu)定位技術(shù)，通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間不同測量信息、不同定位方法的融合定位機制，提供連續(xù)廣域多場景覆蓋、無縫穩(wěn)定的室內(nèi)外高精度定位服務(wù)。園區(qū)一體化融合定位架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)一體化融合定位架構(gòu)

定位服務(wù)層為各種定位解算服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)提供算力，包括根據(jù)應(yīng)用場景進行定位需求解析、定位數(shù)據(jù)權(quán)重設(shè)置、定位數(shù)據(jù)存儲等，協(xié)同融合多種定位內(nèi)容，實現(xiàn)多種不同定位技術(shù)的組合的可能。

網(wǎng)絡(luò)適配層主要實現(xiàn)對園區(qū)定位網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度和管理，實現(xiàn)定位服務(wù)與各類網(wǎng)絡(luò)資源的靈活適配，并通過定位網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)建上層定位服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同能力。

定位終端層包括攜帶各類定位標(biāo)簽、定位芯片的AGV小車、機器人、無人機、人員及資產(chǎn)等。

園區(qū)一體化融合定位技術(shù)構(gòu)建了定位模型、定位網(wǎng)絡(luò)、定位數(shù)據(jù)間協(xié)同能力，通過有效評估和決策機制，將為園區(qū)各類定位場景輸出最優(yōu)的定位結(jié)果[2]。

3.2 5G園區(qū)定位成主導(dǎo)趨勢

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)步伐加快，越來越多的園區(qū)部署了5G網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)由于具有大帶寬、低時延、大容量、高可靠的特點，為園區(qū)內(nèi)人、機、物、系統(tǒng)等的全面連接提供了網(wǎng)絡(luò)支撐，也為5G定位技術(shù)在園區(qū)的規(guī)模化部署帶來了新機遇。一方面5G網(wǎng)絡(luò)可以同時滿足園區(qū)基礎(chǔ)通信、生產(chǎn)控制、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸、定位等各方面需求；另一方面5G網(wǎng)絡(luò)能夠提供融合定位能力，包括即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）、藍牙、UWB等技術(shù)，降低園區(qū)綜合定位成本。

基于5G網(wǎng)絡(luò)的融合定位可以提供全場景下的5G高精度室內(nèi)外定位基礎(chǔ)服務(wù)。5G 新空口（New Radio，NR）定位基站利用5G大帶寬和多波束的特性，支持ECID、上行達到時間差（Uplink Time Differences of Arrival，UL TDoA）等多種定位技術(shù)。ECID定位算法可以實現(xiàn)1/4～1/3站間距，UL TDoA理想狀態(tài)下最高可達到1 m定位精度。在此基礎(chǔ)上，針對常用的其他室內(nèi)定位系統(tǒng)，如藍牙、UWB，以及配合外部攝像頭的視覺系統(tǒng)，5G基站可提供級聯(lián)接口，可以快速級聯(lián)對接帶外藍牙、UWB定位系統(tǒng)，實現(xiàn)5G+UWB、5G+藍牙AoA、5G+視覺的融合定位。帶外定位基站與5G智能化室分設(shè)備融合共同部署，充分復(fù)用5G基站的供電資源、傳輸資源、算力資源，即插即用，并且可復(fù)用后期維護資源，提供亞米級別定位服務(wù)，藍牙AoA可達到30～50 cm定位精度，UWB可達到20～30 cm定位精度，AI視覺+SLAM定位精度可達厘米級。

然而，目前以5G融合定位為基礎(chǔ)的園區(qū)定位解決方案還存在一系列挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在5G小基站外部接口有待豐富和成熟，室內(nèi)地圖仍需進一步推廣普及，室內(nèi)地理信息數(shù)據(jù)和個人位置的私密安全性有待提高等方面。

總體來說，未來園區(qū)定位技術(shù)將在不斷優(yōu)化定位算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，將定位矢量圖繪制、室內(nèi)地圖構(gòu)建、應(yīng)用平臺等資源進行一體化集成。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的背景下，將推動和催化定位服務(wù)從終端到應(yīng)用的端到端全產(chǎn)業(yè)鏈的進一步發(fā)展，驅(qū)動基于位置信息的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新興業(yè)務(wù)、場景在園區(qū)的規(guī)?；瘧?yīng)用。

4 結(jié)語

園區(qū)高精度定位作為園區(qū)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容，受到廣泛關(guān)注并蓬勃發(fā)展。本文從園區(qū)定位的必要性、應(yīng)用場景和需求入手，分析了蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位、Wi-Fi定位、UWB定位等幾類主流技術(shù)在園區(qū)的應(yīng)用，并對園區(qū)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望，提出了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)一體化融合定位的路徑，最后重點分析了5G定位技術(shù)在園區(qū)的應(yīng)用前景，為未來園區(qū)定位技術(shù)發(fā)展提供了參考。