陈 洁，朱瑾瑜，郭文双
（1.中国信息通信研究院，北京 100191；
2.互联网与工业融合创新工业和信息化部重点实验室，北京 100191）
基于位置的服务（Location Based Service，LBS）在消费互联网领域已经得到广泛应用，例如行程码、手机导航、物流跟踪等，其技术和产业成熟度相对较高。随着工业互联网的发展及对空间位置需求的提升，定位技术也不断向垂直行业延伸[1-2]。园区是工业企业集聚地，是“十四五”数字经济发展规划的重要任务之一。园区的数字化转型离不开精准的位置识别技术，园区内人、机、物、料的实时地理位置信息已成为构建数字园区的基础属性和重要标识。各类基于位置信息的工业互联网新兴业务、场景在园区的规模化应用对园区内定位技术提出了更高的要求。在园区复杂环境下对目标进行实时、可靠、精准的跟踪定位，是园区实现数字化、智能化管理的关键环节。
本文围绕工业互联网新业务场景下园区定位服务的需求与挑战，对蜂窝网络定位、Wi-Fi定位、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位等几类主流技术在园区内的应用进行了比较，提出了面向工业互联网的园区融合定位技术路径，以及预测了未来工业园区定位技术发展趋势。
1.1 应用场景
工业互联网园区内借助定位技术衍生出许多基于位置信息的园区应用场景，促进了园区在生产效率、人员安全、设施监管等方面的能力提升。工业互联网园区定位技术应用场景可以归纳为以下几类：
（1）人员定位及追踪。园区企业在生产过程中，由于区域广、环境复杂，需要获取现场工作人员的运动轨迹数据，进行实时监控和动态调度，以及对重点监控区域、重大危险源区域进行人员及环境风险管控，保障人员和生产安全。
（2）生产物资定位。园区企业在实施工业互联网智能化制造、网络化协同、个性化定制的模式时，需要及时了解生产配套物料的情况，包括库存数量、存储位置、出入库管理、线边物流等，从而提前为生产进行智能化排产，实现物料定时、定点、定量配送，减少因物料的不确定性影响生产效率的情况。
（3）移动设备定位。工业互联网园区内除了产线上固定的生产设备，还存在大量全自动引导运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）、无人巡检机、机器人等移动设备，这些设备在执行任务过程中，需要对其起点、起点动作、终点、终点动作、任务状态、运行状态、行驶路径等进行监控和动态调度，对各类突发事件位置进行精准定位。
（4）周界防入侵。园区一般占地面积较大，基于安防需求可在周界设置电子围栏，实现全园区安全监控、事件感知预警、重点区域视频事件防护管理、入侵地点精准定位等。
（5）园区数字化管理。利用园区基础空间位置信息，结合大数据分析及AI技术，打造状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的数据流动闭环，推动资产管理、运营管理、组织管理等方面的园区数字化管理创新。
1.2 需求指标
工业互联网园区定位有别于普通的室内定位或室外定位，需要融合多种定位技术形成支持多场景、广覆盖、高精度、低时延的定位，其需求指标主要体现在以下几个方面[3-5]：
（1）精度：指估计值与实际地理位置间的欧拉距离，用于评定定位的精确度和准确度[3]。不同应用场景对精度要求不同，例如园区车辆定位精度要求为3～5 m，室内仓储物料的定位要求可达到厘米级。在工业园区复杂环境下，非视距、多径传播以及园区内异构终端的时钟同步问题都会影响定位精度。
（2）时延：指请求定位时间与服务器输出该定位结果之间的时间差[4]。定位时延越小表示追踪效果越好，例如，“5G+北斗”定位时延仅为5 ms。未来6G场景下有望实现时延小于1 ms[3]。
（3）成本：指定位系统中的基础设施、定位终端成本、功耗成本以及维护成本[5]。面对工业互联网园区大连接物联网场景，定位成本是园区进行定位技术选型的重要指标之一。
（4）覆盖范围：指能达到定位精度要求的最大范围。园区存在室内定位、室外定位等场景，园区定位技术应提供更大范围和稳定连续的无缝覆盖。
2.1 园区定位算法
目前园区定位的解决方案在实现原理上较为相似，即依靠布设在园区内的若干锚节点的已知位置数据，以及它们与被测节点间的关系，利用配套的定位算法计算出被测节点的估计位置[6-8]。以测距技术为基础的定位方案，主要使用接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）、到达时间（Time of Arrival，ToA）、到达时间差（Time Difference of Arrival，TDoA）等进行距离测算或使用到达角度（Angle of Arrival，AoA）进行角度测算。非测距的方案主要依靠网络连通性相关参数进行定位估算。
2.1.1 RSSI算法
RSSI算法根据信号功率随传播距离衰减的原理，定位节点依据接收到的信号强弱来测定与锚节点的距离[9]。RSSI值一般可在通信过程中直接从无线收发模块的寄存器读取，通过信号传播路径损耗模型可以将RSSI转换成距离值。因此RSSI定位不需要额外的硬件设备支持，易于实现且功耗低，适合于对定位精度要求不高的园区室内场景。
2.1.2 ToA算法
ToA算法通过测量无线电波从锚节点到定位节点的传播时间，利用传输时间乘以光速测算两者间的距离[10]。ToA定位的机制实施简单，但对于系统终端的时间同步要求很高，1 ns的时钟同步偏差就会导致0.3 m的定位误差，因此在园区定位应用中很少单独使用ToA技术。
2.1.3 TDoA算法
TDoA算法基于接收信号到达时间差进行测距[11]，有两种实现方式：一是先利用定位节点同时发送不同信号（常见的有无线电波和超声波），然后利用不同信号传播速度不同导致的到达锚节点时间差来测算距离，这种方式需要加装额外的收发设备，增加了定位成本；
二是利用多个锚节点接收到信号的时间差进行定位。TDoA是对ToA算法的改进，不要求锚节点和定位节点的时钟同步，定位精度相对有所提高。
2.1.4 AoA算法
AoA算法中，锚节点通过天线获取定位节点发送的信号波入射角，并形成一条从锚节点到定位节点的射线，基于两个锚节点的两条射线交点即可测算出定位节点位置。该定位算法对天线要求高，要求天线阵列具有高灵敏度和高空间分辨率。
2.1.5 DV-Hop
距离矢量跳数定位法（Distance Vector-Hop，DV-Hop）是自组织传感器网络定位的一种常见非测距技术。其原理与距离矢量路由算法比较类似，定位节点通过计算与锚节点的最小跳数以及估算平均每跳距离，利用跳数与每跳距离的乘积来估算与锚节点之间的距离。DV-Hop对节点的硬件要求低，实现简单，但定位误差较大[12]，不适宜在园区定位应用中使用。
2.1.6 多边测量法
上述技术解决了锚节点到定位节点间的距离测算，当定位节点获得3个锚节点的距离后，可形成以锚节点为圆心、测算距离为半径的3个圆，其交点就是定位节点的估算位置，利用最小二乘法可求出最优解[13]，这种方法被称为三边测量法。当锚节点数量大于3个时，这个方法被称为多边测量法。多边测量法是最常用的定位算法，基于测距的定位解决方法基本都采用多边测量法进行位置估算。
2.1.7 质心算法
质心算法将发送信息的锚节点所组成的多边形的质心作为定位节点的坐标位置，是一种完全基于网络连通性、简单易实现的定位算法。该方法虽然可以通过去中心化和场强加权等方法提高定位精度，但在精度方面仍不能满足园区定位需求。
2.1.8 位置指纹算法
将区域进行网格划分，以每个网格交点为坐标，建立区域内锚节点特征量如接收信号强度（Received Signal Strength，RSS）、多径结构等的指纹数据库，然后定位时通过匹配特征量来确定定位节点的位置坐标。位置指纹算法可以有效解决非视距、多径传播的问题，适合园区复杂的工业生产环境，但位置指纹数据库的建立和维护工作量比较大，无疑增加了定位成本。
2.2 主要技术实现
目前常见的园区定位技术包括卫星定位、蜂窝网络定位、Wi-Fi定位[14]、超带宽UWB定位[15-16]、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）定位[17]和蓝牙定位等[18]。由于这些技术通信机制不同、适用场景不同，园区定位服务质量存在一定差异。
2.2.1 卫星定位
卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术，是目前应用最为广泛的室外定位技术[19]，可以面向海陆空3大领域提供实时、全天候和全球性的高精度位置服务。在工业互联网园区外场监测、巡检等场景下，使用卫星定位技术可以得到较好的定位结果，但卫星定位技术无法在园区厂房、楼宇内应用，需要其他室内定位技术辅助。
2.2.2 蜂窝网络定位
从2G网络开始，利用蜂窝网络的基站进行定位就成为研究热点，定位精度也从数百米提升至几十米。移动蜂窝网络具有广连接、大带宽、安全可靠等特点，可实现通信与定位功能有效合一。目前5G网络通过引入增强小区ID（Enhanced Cell ID，ECID）、下行达到时间差（Downlink Time Difference of Arrival，DL TDoA）、多站点往返时间（Multi-Round Trip Time，Multi-RTT）、下行离开角（Downlink Angel of Departure，DL AoD）、上行到达角（Uplink Angle of Arrival，UL AoA）等方案来提供高精度定位服务[6]。最新发布的R17版本进一步优化了5G定位性能，降低5G的定位时延，提供达到厘米级定位精度的能力。蜂窝网络定位技术是为数不多支持室内外无缝定位的技术，适用于园区场景。
2.2.3 Wi-Fi定位
目前很多工业互联网园区已经实现Wi-Fi网络全覆盖，利用Wi-Fi定位不需要新增专门的定位设备，定位信号无须占用额外的频谱资源，因此在成本方面占有一定优势。同时Wi-Fi定位利用三边测量定位或位置指纹法，可获得2～5 m的定位精度，是一种适用性强、可扩展性强的定位技术。
2.2.4 UWB定位
超宽带UWB信号具有极强的穿透能力，具备良好的抗干扰性和抗多径衰落能力，所以在园区工业生产现场复杂的室内环境中也能进行测距和定位。通过TOA、TDoA等方式，UWB定位能够达到10 cm级的定位精度，是目前基于无线通信技术的定位方法能够达到的最佳精度。
2.2.5 RFID定位
RFID是通过无线射频方式进行非接触双向通信的一种自动识别技术，利用布设在现场的RFID读写器读取目标节点的RFID标签特征信息（如身份ID、接收信号强度等）进行定位，可达到厘米级定位精度，目前在园区内各类资产管理、物品定位、人员定位等场景中应用较为广泛。
2.2.6 蓝牙定位
早期蓝牙定位技术主要利用Cell-ID、RSSI等方法，定位精度仅能达到“房间级”。2019年蓝牙5.1版本中引入了“寻向”功能，利用AoA、AoD等技术将定位精度提升到了亚米级。但蓝牙的通信距离在20 m左右，且蓝牙热点所容纳的节点数量有限[20]，这些都限制了蓝牙定位在园区场景中的应用。
3.1 园区一体化融合定位
传统园区定位系统初始设计目标是以满足单一场景定位需求为主，并通过构建独立的定位网络，节点间采用特定通信机制、同步机制等来保障定位精度。这不仅增加了通信开销，也增加了定位系统和架构的复杂性。随着未来园区接入终端数量和种类上不断激增，这种架构的弊端日益凸显。园区定位技术发展趋势应结合园区室内外空间布局特点、生产现场工业射频环境[21]，以及工业过程特有的行业背景，兼顾差异化的定位需求，减少由无线网络性能不稳定导致的定位模型性能和定位服务质量下降。
面向工业互联网的园区一体化融合定位是融合园区现有异构定位技术，通过异构网络之间不同测量信息、不同定位方法的融合定位机制，提供连续广域多场景覆盖、无缝稳定的室内外高精度定位服务。园区一体化融合定位架构如图1所示。
图1 工业互联网园区一体化融合定位架构
定位服务层为各种定位解算服务、应用服务提供算力，包括根据应用场景进行定位需求解析、定位数据权重设置、定位数据存储等，协同融合多种定位内容，实现多种不同定位技术的组合的可能。
网络适配层主要实现对园区定位网络资源的调度和管理，实现定位服务与各类网络资源的灵活适配，并通过定位网络控制器构建上层定位服务与网络基础设施协同能力。
定位终端层包括携带各类定位标签、定位芯片的AGV小车、机器人、无人机、人员及资产等。
园区一体化融合定位技术构建了定位模型、定位网络、定位数据间协同能力，通过有效评估和决策机制，将为园区各类定位场景输出最优的定位结果[2]。
3.2 5G园区定位成主导趋势
随着工业互联网建设步伐加快，越来越多的园区部署了5G网络。5G网络由于具有大带宽、低时延、大容量、高可靠的特点，为园区内人、机、物、系统等的全面连接提供了网络支撑，也为5G定位技术在园区的规模化部署带来了新机遇。一方面5G网络可以同时满足园区基础通信、生产控制、业务数据传输、定位等各方面需求；
另一方面5G网络能够提供融合定位能力，包括即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）、蓝牙、UWB等技术，降低园区综合定位成本。
基于5G网络的融合定位可以提供全场景下的5G高精度室内外定位基础服务。5G 新空口（New Radio，NR）定位基站利用5G大带宽和多波束的特性，支持ECID、上行达到时间差（Uplink Time Differences of Arrival，UL TDoA）等多种定位技术。ECID定位算法可以实现1/4～1/3站间距，UL TDoA理想状态下最高可达到1 m定位精度。在此基础上，针对常用的其他室内定位系统，如蓝牙、UWB，以及配合外部摄像头的视觉系统，5G基站可提供级联接口，可以快速级联对接带外蓝牙、UWB定位系统，实现5G+UWB、5G+蓝牙AoA、5G+视觉的融合定位。带外定位基站与5G智能化室分设备融合共同部署，充分复用5G基站的供电资源、传输资源、算力资源，即插即用，并且可复用后期维护资源，提供亚米级别定位服务，蓝牙AoA可达到30～50 cm定位精度，UWB可达到20～30 cm定位精度，AI视觉+SLAM定位精度可达厘米级。
然而，目前以5G融合定位为基础的园区定位解决方案还存在一系列挑战，主要体现在5G小基站外部接口有待丰富和成熟，室内地图仍需进一步推广普及，室内地理信息数据和个人位置的私密安全性有待提高等方面。
总体来说，未来园区定位技术将在不断优化定位算法的基础上，结合边缘计算、大数据、人工智能等技术，将定位矢量图绘制、室内地图构建、应用平台等资源进行一体化集成。在5G网络建设的背景下，将推动和催化定位服务从终端到应用的端到端全产业链的进一步发展，驱动基于位置信息的工业互联网新兴业务、场景在园区的规模化应用。
园区高精度定位作为园区数字化转型的重要内容，受到广泛关注并蓬勃发展。本文从园区定位的必要性、应用场景和需求入手，分析了蜂窝网络定位、Wi-Fi定位、UWB定位等几类主流技术在园区的应用，并对园区定位技术的发展趋势进行了总结和展望，提出了面向工业互联网园区一体化融合定位的路径，最后重点分析了5G定位技术在园区的应用前景，为未来园区定位技术发展提供了参考。
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