人員精確定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

當(dāng)前，用于危險(xiǎn)化工場(chǎng)所用于人員定位的技術(shù)多為室內(nèi)定位技術(shù)，以及少量室外定位技術(shù)，包括無線局域網(wǎng)絡(luò)定位、蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位等等，一般來說精確的人員定位系統(tǒng)需要配合定位標(biāo)簽使用，當(dāng)然也有視覺、紅外等新的技術(shù)產(chǎn)生。相比室外環(huán)境，室內(nèi)環(huán)境需要考慮墻壁、設(shè)備和人等反射體導(dǎo)致的干擾和延遲問題，不過，由于覆蓋區(qū)域小，室內(nèi)區(qū)域的信號(hào)更容易控制。

【 常見定位技術(shù) 】

早在2021年4月，應(yīng)急管理部辦公廳就印發(fā)了《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+危化安全生產(chǎn)”試點(diǎn)建設(shè)方案》，“人員定位”被作為重點(diǎn)工作提出，并提出要求：基于Wi-Fi、藍(lán)牙、超寬帶（UWB）、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）等相關(guān)技術(shù)以及差分基站、全球定位系統(tǒng)（GPS）、北斗、定位標(biāo)簽等信號(hào)終端設(shè)備，研究企業(yè)室外、室內(nèi)和受限空間人員定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在凈空區(qū)域高精度（亞米級(jí)）和復(fù)雜裝置、室內(nèi)區(qū)域連續(xù)定位功能；研究人員定位數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離、高精度、連續(xù)傳輸技術(shù)；研究人員定位相關(guān)可穿戴設(shè)備。

常見的室內(nèi)定位方法主要包括：基于移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)、基于Wi-Fi的定位技術(shù)、基于藍(lán)牙的定位技術(shù)、基于超寬帶定位技術(shù)、基于RFID的定位技術(shù)等。上述定位技術(shù)的區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳輸方式不一樣，而從室內(nèi)定位技術(shù)的原理可以大致分為臨近探測(cè)法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法與指紋定位法。觀測(cè)量是提取算法所需要的信息，可區(qū)分為場(chǎng)強(qiáng)、TOA、TDOA、AOA測(cè)量等。

為實(shí)現(xiàn)高精度定位，往往需要在目標(biāo)體上放置信標(biāo)，另外根據(jù)精度和時(shí)延需求建立信號(hào)發(fā)射基站。一般來說，定位精度越高其終端基站功耗與成本就越高，如5G、藍(lán)牙5.1、UWB、sSLAM等技術(shù)的定位精度與響應(yīng)時(shí)間都高，但其終端功耗與成本較高，主要被應(yīng)用在定位精度較高的智能制造與危險(xiǎn)化工品等領(lǐng)域。

以下為常見的室內(nèi)定位技術(shù)：

UWB技術(shù)：出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代超寬帶技術(shù)（UWB，Ultra Wide Band）最早用于軍事方面，作為一項(xiàng)明星定位技術(shù)，該技術(shù)隨著蘋果的Air Tag 一炮走紅，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注和歡迎。我們?cè)?jīng)詳細(xì)介紹了該技術(shù)的發(fā)展，UWB是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)在于抗多徑干擾能力強(qiáng)、功耗低、成本低、穿透能力強(qiáng)、截獲率低、定位精度高、與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)可共享頻譜等，該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入。在較好地修正TOF測(cè)距系統(tǒng)誤差的情況下，UWB靜態(tài)定位精度能達(dá)到10cm以內(nèi)，動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于0.2m。

藍(lán)牙技術(shù)&ZigBee技術(shù)：藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)一般也配合標(biāo)簽進(jìn)行使用，具有成本低、使用方便等特點(diǎn)，藍(lán)牙和ZigBee定位技術(shù)類似，有部分重合頻段，且兩者定位技術(shù)均基于短距離低功耗通信協(xié)議。目前藍(lán)牙定位主要使用藍(lán)牙4.0以上的規(guī)范，該規(guī)范基于低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy,BLE）技術(shù)研發(fā)，而ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，兩者都具有近距離、低功耗、低成本的特點(diǎn)。定位精度主要取決于基礎(chǔ)設(shè)施的部署密度，一般來說在米這個(gè)量級(jí)。

不過，隨著技術(shù)的提升，藍(lán)牙5.1相比藍(lán)牙4.2，最大的變化就是定位精度提升到厘米級(jí)別，且引入了尋向功能，其痛點(diǎn)在于需要解決基站的直流供電。另外，LPWAN通信技術(shù)+藍(lán)牙定位系統(tǒng)，也因其避開“打眼走線”等過程，替代了藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，而受到了市場(chǎng)的關(guān)注和應(yīng)用。

WiFi技術(shù)：基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，定位方法主要包括基于信號(hào)強(qiáng)度的信號(hào)傳播模型法和指紋識(shí)別方法，具有熱點(diǎn)分布廣、靈活性高、擴(kuò)展性好、終端無需額外硬件等特點(diǎn)。不過，同樣也是由于Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用較廣，容易受到同一區(qū)域不同Wi-Fi的相互影響，甚至?xí)艿綀?chǎng)所內(nèi)人群以及手機(jī)設(shè)備的影響。Wi-Fi定位需要帶的終端一般為用戶攜帶的智能設(shè)備，在這一點(diǎn)來說也節(jié)省了一定的成本。

RFID技術(shù)：RFID是指通過射頻集成電路發(fā)送電磁波信號(hào)并進(jìn)行采集和存儲(chǔ)的技術(shù)。RFID室內(nèi)定位技術(shù)主要由RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器兩部分組成，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID閱讀器接收來自于RFID標(biāo)簽的信號(hào)，二者之間的通信則使用特定的射頻信號(hào)及相關(guān)協(xié)議完成。RFID標(biāo)簽又可以分為被動(dòng)和主動(dòng)兩類。

星閃技術(shù)：同樣，我們之前也對(duì)星閃技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，具體到室內(nèi)定位領(lǐng)域，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)文件傳輸與操控、無線投屏、實(shí)時(shí)手機(jī)游戲場(chǎng)景、定位與感知。這當(dāng)中，定位與感知既包括設(shè)備之間精確距離分米級(jí)測(cè)量，也包括對(duì)人體基本動(dòng)作監(jiān)測(cè)的空間人體感知。而這些也正是未來智慧應(yīng)急當(dāng)中，人員定位技術(shù)的發(fā)展方向與需求。

視頻與紅外光技術(shù)：除了傳統(tǒng)的無線定位技術(shù)外，最簡(jiǎn)單直接的方式——視頻，也是人員定位當(dāng)中的重要技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)視覺算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人員的有效追蹤。定位精度根據(jù)終端設(shè)備數(shù)量和屬性決定；此外，紅外技術(shù)除了能夠提供夜視支持外，也是一種常見的室內(nèi)定位技術(shù)，和uwb、藍(lán)牙等定位原理相似，紅外室內(nèi)定位技術(shù)系統(tǒng)同樣由發(fā)射器和光學(xué)接收器兩部分組成，具有定位精度高、反應(yīng)靈敏、成本低等特點(diǎn)。

不過，該方法也受到距離、其他光源和障礙物的限制和干擾。隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外定位系統(tǒng)的精度可達(dá)到毫米級(jí)別，落地形式也發(fā)展出了“紅外織網(wǎng)”等無需定位對(duì)象攜帶標(biāo)簽的直接定位模式。即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)是高精度視覺定位的主流技術(shù)，但由于對(duì)定位平臺(tái)的算力要求很高，在智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備等移動(dòng)平臺(tái)上還難以實(shí)現(xiàn)。

聲波、超聲波：超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)基于超聲波測(cè)距原理，由主測(cè)距器和若干個(gè)應(yīng)答器組成。主測(cè)距器放置在移動(dòng)定位目標(biāo)上，應(yīng)答器安裝在定位錨點(diǎn)上，主測(cè)距器向位置固定的應(yīng)答器發(fā)送無線射頻信號(hào)，應(yīng)答器在收到信號(hào)后向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，利用反射式測(cè)距和三角定位等算法確定物體的位置。定位精度在5cm之內(nèi)，響應(yīng)速度為0.1秒，定位范圍為場(chǎng)地內(nèi)，半徑30米的區(qū)間。

典型技術(shù)在精度、時(shí)延以及其他屬性的對(duì)比如下：

圖源：室內(nèi)定位白皮書

根據(jù)《指南》對(duì)于精度的要求，人員聚集模型所需的數(shù)據(jù)采集間隔不大于10秒，延時(shí)不超過55秒，模型計(jì)算周期不大于30秒，定位精度誤差不大于5米。這些要求也促進(jìn)了相應(yīng)的方案進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。對(duì)常見技術(shù)定位精度和規(guī)模化難易程度比較如下圖所示，無疑，工業(yè)級(jí)超寬帶和激光雷達(dá)將引領(lǐng)高端的室內(nèi)定位市場(chǎng)。

圖源：室內(nèi)外融合定位技術(shù)與展望

在人員密集的化工企業(yè)當(dāng)中，安全是重中之重。一方面，應(yīng)保證生產(chǎn)當(dāng)中的各環(huán)節(jié)安全規(guī)范運(yùn)行，另一方面，也要做好應(yīng)急工作，降低人身和財(cái)產(chǎn)損失。人員定位在生產(chǎn)與應(yīng)急環(huán)節(jié)當(dāng)中都有代表性的落地實(shí)踐：

在生產(chǎn)層面，精確的人員定位可以對(duì)在崗人員是否在崗，有無違規(guī)操作進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，確保安全操作，提升生產(chǎn)效率；

在應(yīng)急層面，通過人員定位系統(tǒng)，對(duì)保障人員安全和降低搜救難度都有極為重要的意義。

2

從化工領(lǐng)域人員定位到室內(nèi)定位產(chǎn)業(yè)發(fā)展

當(dāng)前，石油化工依然是國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要領(lǐng)域。盡管2023年遭遇了行業(yè)存量資金波動(dòng)與跨行業(yè)資金流動(dòng)，多家化工行業(yè)上市公司公告新投資項(xiàng)目及在建項(xiàng)目進(jìn)展，并對(duì)2024表示看好。

業(yè)內(nèi)人士表示：“2024年化工行業(yè)供給壓力相對(duì)較大，盡管受到供需格局、盈利預(yù)期、現(xiàn)金流壓力等因素影響存在推遲投產(chǎn)的可能，但供大于求的格局很難因此而有所改變。”但考慮到經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)將帶動(dòng)消費(fèi)端復(fù)蘇，這種供需矛盾預(yù)計(jì)將出現(xiàn)一定程度的緩和。

以化工第一大省山東（連續(xù)幾十年化工經(jīng)濟(jì)全國(guó)首位）為例，為加強(qiáng)山東省危險(xiǎn)化學(xué)品數(shù)字化管控系統(tǒng)建設(shè)，截至2024年初，系統(tǒng)各模塊開發(fā)已基本完成，全省1742家正常生產(chǎn)企業(yè)中，雙重預(yù)防體系已接入1742家，特殊作業(yè)系統(tǒng)已接入1678家，人員定位系統(tǒng)已接入1667家（接入率超95%），視頻智能分析系統(tǒng)已接入1701家；加油站智能分析系統(tǒng)已建設(shè)10127家，共接入9933家，12月份2617家加油站接入系統(tǒng)。

當(dāng)前，室內(nèi)定位產(chǎn)業(yè)鏈上游為技術(shù)與設(shè)備供應(yīng)商，提供定位芯片、定位算法以及地圖相關(guān)數(shù)據(jù)；中游為一體化解決方案提供解決方案和導(dǎo)航、定位模組等等；下游為終端應(yīng)用方，提供移動(dòng)終端、IOT設(shè)備、集成方案等等。

作為定位方案服務(wù)商，利爾達(dá)應(yīng)市場(chǎng)需求推出了多種各具優(yōu)勢(shì)的定位方案。鑒于藍(lán)牙的普遍應(yīng)用，幾乎所有移動(dòng)端都搭載了藍(lán)牙模組。利爾達(dá)采用藍(lán)牙+LoRa的技術(shù)，為行業(yè)提供了可行的精度和可接受的成本方案。藍(lán)牙信標(biāo)在需要定位的區(qū)域進(jìn)行部署，定位卡片和手機(jī)端在區(qū)域內(nèi)行走，接收信標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度值，再把數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)上傳到后臺(tái)。定位精度可以達(dá)到3~5米，同時(shí)也可以查看歷史軌跡，設(shè)置禁行區(qū)域等多種定制功能。考慮到藍(lán)牙方案的精度不足，利爾達(dá)還發(fā)布了UWB信標(biāo)+LoRaWAN的定位方案。采用UWB方式進(jìn)行定位，用UWB信標(biāo)替換掉藍(lán)牙信標(biāo)，基本框架不變，但是精度可以達(dá)到厘米級(jí)別。同時(shí)UWB信標(biāo)的安裝和藍(lán)牙信標(biāo)幾乎一致。同時(shí)解決了精度和施工的成本問題，得到很多終端客戶的認(rèn)可。

人員定位迎來市場(chǎng)需求和政策推動(dòng)的雙重選擇，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Markets and Markets的預(yù)測(cè)報(bào)告，2023年全球室內(nèi)定位市場(chǎng)規(guī)模約為109億美元，預(yù)計(jì)到2028年底將達(dá)到298億美元，期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為22.3%。智能手機(jī)和其他配備GPS和其他基于位置的技術(shù)來跟蹤用戶室內(nèi)位置的連接設(shè)備的日益普及，預(yù)計(jì)將推動(dòng)室內(nèi)定位市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

室內(nèi)定位下游應(yīng)用場(chǎng)景可劃分為企業(yè)服務(wù)、政府公共領(lǐng)域與消費(fèi)領(lǐng)域，其中在服務(wù)領(lǐng)域中智能制造與倉(cāng)儲(chǔ)物流的室內(nèi)應(yīng)用技術(shù)最高，而政府公共服務(wù)領(lǐng)域中公檢司法、交通醫(yī)療下游應(yīng)用場(chǎng)景最高，隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域的增加，需求量也隨之上漲，帶動(dòng)中國(guó)室內(nèi)定位行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模上漲。

3

室內(nèi)定位技術(shù)的挑戰(zhàn)與未來

目前，室內(nèi)定位技術(shù)還存在以下共性問題：

精度問題。大部分商用定位技術(shù)精度還不高，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境來說存在不足，需要提升抗干擾能力，通過技術(shù)改進(jìn)和融合、增加基站網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行優(yōu)化；

部署成本和能耗問題。為了滿足對(duì)精度的要求，需要增加大量的輔助節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致成本和人力物力的消耗，一些系統(tǒng)還需要定期進(jìn)行人員校準(zhǔn)，都制約了當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展；

響應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)定性。及時(shí)、穩(wěn)定的響應(yīng)和低延時(shí)也是指南當(dāng)中的重要需求，目前，UWB可以做到毫秒級(jí)相應(yīng)，但藍(lán)牙和RFID則都在一秒以上，亟待通過技術(shù)改進(jìn)降低這一差距。

好在，我國(guó)在北斗、5G等通信技術(shù)領(lǐng)域正逐步引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)積累也為室內(nèi)定位提供相應(yīng)支持，室外定位技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)定位導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)等，都可以為室內(nèi)人員定位技術(shù)提供參考和借鑒，形成多領(lǐng)域相互支撐、共同發(fā)展的狀態(tài)。我們?cè)榻B過5G與北斗技術(shù)結(jié)合，為雄安“地下城”帶來高精度導(dǎo)航的案例，實(shí)現(xiàn)了“地下城”的定位與導(dǎo)航暢通。

這些也呼應(yīng)了我們對(duì)于智能物聯(lián)2.0趨勢(shì)的判斷——隨著行業(yè)和場(chǎng)景的涌現(xiàn)出更多更復(fù)雜的需求，勢(shì)必迎來多技術(shù)融合、多層次疊加的“通感智值一體化”時(shí)代。隨著5G、北斗、星閃等領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和融合的廣泛落地，定位技術(shù)還將在融合式發(fā)展的狀態(tài)下為更多領(lǐng)域賦能。

本文來源：物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù)

本文作者：路多