工業互聯網園區定位技術現狀與應用展望*

陳 潔，朱瑾瑜，郭文雙

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.互聯網與工業融合創新工業和信息化部重點實驗室，北京 100191）

0 引言

基于位置的服務（Location Based Service，LBS）在消費互聯網領域已經得到廣泛應用，例如行程碼、手機導航、物流跟蹤等，其技術和產業成熟度相對較高。隨著工業互聯網的發展及對空間位置需求的提升，定位技術也不斷向垂直行業延伸[1-2]。園區是工業企業集聚地，是“十四五”數字經濟發展規劃的重要任務之一。園區的數字化轉型離不開精準的位置識別技術，園區內人、機、物、料的實時地理位置信息已成為構建數字園區的基礎屬性和重要標識。各類基于位置信息的工業互聯網新興業務、場景在園區的規模化應用對園區內定位技術提出了更高的要求。在園區復雜環境下對目標進行實時、可靠、精準的跟蹤定位，是園區實現數字化、智能化管理的關鍵環節。

本文圍繞工業互聯網新業務場景下園區定位服務的需求與挑戰，對蜂窩網絡定位、Wi-Fi定位、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位等幾類主流技術在園區內的應用進行了比較，提出了面向工業互聯網的園區融合定位技術路徑，以及預測了未來工業園區定位技術發展趨勢。

1 工業互聯網園區定位服務需求分析

1.1 應用場景

工業互聯網園區內借助定位技術衍生出許多基于位置信息的園區應用場景，促進了園區在生產效率、人員安全、設施監管等方面的能力提升。工業互聯網園區定位技術應用場景可以歸納為以下幾類：

（1）人員定位及追蹤。園區企業在生產過程中，由于區域廣、環境復雜，需要獲取現場工作人員的運動軌跡數據，進行實時監控和動態調度，以及對重點監控區域、重大危險源區域進行人員及環境風險管控，保障人員和生產安全。

（2）生產物資定位。園區企業在實施工業互聯網智能化制造、網絡化協同、個性化定制的模式時，需要及時了解生產配套物料的情況，包括庫存數量、存儲位置、出入庫管理、線邊物流等，從而提前為生產進行智能化排產，實現物料定時、定點、定量配送，減少因物料的不確定性影響生產效率的情況。

（3）移動設備定位。工業互聯網園區內除了產線上固定的生產設備，還存在大量全自動引導運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、無人巡檢機、機器人等移動設備，這些設備在執行任務過程中，需要對其起點、起點動作、終點、終點動作、任務狀態、運行狀態、行駛路徑等進行監控和動態調度，對各類突發事件位置進行精準定位。

（4）周界防入侵。園區一般占地面積較大，基于安防需求可在周界設置電子圍欄，實現全園區安全監控、事件感知預警、重點區域視頻事件防護管理、入侵地點精準定位等。

（5）園區數字化管理。利用園區基礎空間位置信息，結合大數據分析及AI技術，打造狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的數據流動閉環，推動資產管理、運營管理、組織管理等方面的園區數字化管理創新。

1.2 需求指標

工業互聯網園區定位有別于普通的室內定位或室外定位，需要融合多種定位技術形成支持多場景、廣覆蓋、高精度、低時延的定位，其需求指標主要體現在以下幾個方面[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確度[3]。不同應用場景對精度要求不同，例如園區車輛定位精度要求為3～5 m，室內倉儲物料的定位要求可達到厘米級。在工業園區復雜環境下，非視距、多徑傳播以及園區內異構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器輸出該定位結果之間的時間差[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場景下有望實現時延小于1 ms[3]。

（3）成本：指定位系統中的基礎設施、定位終端成本、功耗成本以及維護成本[5]。面對工業互聯網園區大連接物聯網場景，定位成本是園區進行定位技術選型的重要指標之一。

（4）覆蓋范圍：指能達到定位精度要求的最大范圍。園區存在室內定位、室外定位等場景，園區定位技術應提供更大范圍和穩定連續的無縫覆蓋。

2 工業互聯網園區定位技術現狀

2.1 園區定位算法

目前園區定位的解決方案在實現原理上較為相似，即依靠布設在園區內的若干錨節點的已知位置數據，以及它們與被測節點間的關系，利用配套的定位算法計算出被測節點的估計位置[6-8]。以測距技術為基礎的定位方案，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絡連通性相關參數進行定位估算。

2.1.1 RSSI算法

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

2.1.2 ToA算法

ToA算法通過測量無線電波從錨節點到定位節點的傳播時間，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，但對于系統終端的時間同步要求很高，1 ns的時鐘同步偏差就會導致0.3 m的定位誤差，因此在園區定位應用中很少單獨使用ToA技術。

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]，有兩種實現方式：一是先利用定位節點同時發送不同信號（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致的到達錨節點時間差來測算距離，這種方式需要加裝額外的收發設備，增加了定位成本；二是利用多個錨節點接收到信號的時間差進行定位。TDoA是對ToA算法的改進，不要求錨節點和定位節點的時鐘同步，定位精度相對有所提高。

2.1.4 AoA算法

AoA算法中，錨節點通過天線獲取定位節點發送的信號波入射角，并形成一條從錨節點到定位節點的射線，基于兩個錨節點的兩條射線交點即可測算出定位節點位置。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

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

2.1.6 多邊測量法

上述技術解決了錨節點到定位節點間的距離測算，當定位節點獲得3個錨節點的距離后，可形成以錨節點為圓心、測算距離為半徑的3個圓，其交點就是定位節點的估算位置，利用最小二乘法可求出最優解[13]，這種方法被稱為三邊測量法。當錨節點數量大于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 質心算法

質心算法將發送信息的錨節點所組成的多邊形的質心作為定位節點的坐標位置，是一種完全基于網絡連通性、簡單易實現的定位算法。該方法雖然可以通過去中心化和場強加權等方法提高定位精度，但在精度方面仍不能滿足園區定位需求。

2.1.8 位置指紋算法

將區域進行網格劃分，以每個網格交點為坐標，建立區域內錨節點特征量如接收信號強度（Received Signal Strength，RSS）、多徑結構等的指紋數據庫，然后定位時通過匹配特征量來確定定位節點的位置坐標。位置指紋算法可以有效解決非視距、多徑傳播的問題，適合園區復雜的工業生產環境，但位置指紋數據庫的建立和維護工作量比較大，無疑增加了定位成本。

2.2 主要技術實現

目前常見的園區定位技術包括衛星定位、蜂窩網絡定位、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]。由于這些技術通信機制不同、適用場景不同，園區定位服務質量存在一定差異。

2.2.1 衛星定位

衛星定位技術是利用人造地球衛星進行點位測量的技術，是目前應用最為廣泛的室外定位技術[19]，可以面向海陸空3大領域提供實時、全天候和全球性的高精度位置服務。在工業互聯網園區外場監測、巡檢等場景下，使用衛星定位技術可以得到較好的定位結果，但衛星定位技術無法在園區廠房、樓宇內應用，需要其他室內定位技術輔助。

2.2.2 蜂窩網絡定位

從2G網絡開始，利用蜂窩網絡的基站進行定位就成為研究熱點，定位精度也從數百米提升至幾十米。移動蜂窩網絡具有廣連接、大帶寬、安全可靠等特點，可實現通信與定位功能有效合一。目前5G網絡通過引入增強小區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[6]。最新發布的R17版本進一步優化了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。蜂窩網絡定位技術是為數不多支持室內外無縫定位的技術，適用于園區場景。

2.2.3 Wi-Fi定位

目前很多工業互聯網園區已經實現Wi-Fi網絡全覆蓋，利用Wi-Fi定位不需要新增專門的定位設備，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。

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，所以在園區工業生產現場復雜的室內環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，利用布設在現場的RFID讀寫器讀取目標節點的RFID標簽特征信息（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，目前在園區內各類資產管理、物品定位、人員定位等場景中應用較為廣泛。

2.2.6 藍牙定位

早期藍牙定位技術主要利用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點數量有限[20]，這些都限制了藍牙定位在園區場景中的應用。

3 工業互聯網園區定位技術發展趨勢

3.1 園區一體化融合定位

傳統園區定位系統初始設計目標是以滿足單一場景定位需求為主，并通過構建獨立的定位網絡，節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，也增加了定位系統和架構的復雜性。隨著未來園區接入終端數量和種類上不斷激增，這種架構的弊端日益凸顯。園區定位技術發展趨勢應結合園區室內外空間布局特點、生產現場工業射頻環境[21]，以及工業過程特有的行業背景，兼顧差異化的定位需求，減少由無線網絡性能不穩定導致的定位模型性能和定位服務質量下降。

面向工業互聯網的園區一體化融合定位是融合園區現有異構定位技術，通過異構網絡之間不同測量信息、不同定位方法的融合定位機制，提供連續廣域多場景覆蓋、無縫穩定的室內外高精度定位服務。園區一體化融合定位架構如圖1所示。

圖1 工業互聯網園區一體化融合定位架構

定位服務層為各種定位解算服務、應用服務提供算力，包括根據應用場景進行定位需求解析、定位數據權重設置、定位數據存儲等，協同融合多種定位內容，實現多種不同定位技術的組合的可能。

網絡適配層主要實現對園區定位網絡資源的調度和管理，實現定位服務與各類網絡資源的靈活適配，并通過定位網絡控制器構建上層定位服務與網絡基礎設施協同能力。

定位終端層包括攜帶各類定位標簽、定位芯片的AGV小車、機器人、無人機、人員及資產等。

園區一體化融合定位技術構建了定位模型、定位網絡、定位數據間協同能力，通過有效評估和決策機制，將為園區各類定位場景輸出最優的定位結果[2]。

3.2 5G園區定位成主導趨勢

隨著工業互聯網建設步伐加快，越來越多的園區部署了5G網絡。5G網絡由于具有大帶寬、低時延、大容量、高可靠的特點，為園區內人、機、物、系統等的全面連接提供了網絡支撐，也為5G定位技術在園區的規模化部署帶來了新機遇。一方面5G網絡可以同時滿足園區基礎通信、生產控制、業務數據傳輸、定位等各方面需求；另一方面5G網絡能夠提供融合定位能力，包括即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）、藍牙、UWB等技術，降低園區綜合定位成本。

基于5G網絡的融合定位可以提供全場景下的5G高精度室內外定位基礎服務。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。ECID定位算法可以實現1/4～1/3站間距，UL TDoA理想狀態下最高可達到1 m定位精度。在此基礎上，針對常用的其他室內定位系統，如藍牙、UWB，以及配合外部攝像頭的視覺系統，5G基站可提供級聯接口，可以快速級聯對接帶外藍牙、UWB定位系統，實現5G+UWB、5G+藍牙AoA、5G+視覺的融合定位。帶外定位基站與5G智能化室分設備融合共同部署，充分復用5G基站的供電資源、傳輸資源、算力資源，即插即用，并且可復用后期維護資源，提供亞米級別定位服務，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融合定位為基礎的園區定位解決方案還存在一系列挑戰，主要體現在5G小基站外部接口有待豐富和成熟，室內地圖仍需進一步推廣普及，室內地理信息數據和個人位置的私密安全性有待提高等方面。

總體來說，未來園區定位技術將在不斷優化定位算法的基礎上，結合邊緣計算、大數據、人工智能等技術，將定位矢量圖繪制、室內地圖構建、應用平臺等資源進行一體化集成。在5G網絡建設的背景下，將推動和催化定位服務從終端到應用的端到端全產業鏈的進一步發展，驅動基于位置信息的工業互聯網新興業務、場景在園區的規模化應用。

4 結語

園區高精度定位作為園區數字化轉型的重要內容，受到廣泛關注并蓬勃發展。本文從園區定位的必要性、應用場景和需求入手，分析了蜂窩網絡定位、Wi-Fi定位、UWB定位等幾類主流技術在園區的應用，并對園區定位技術的發展趨勢進行了總結和展望，提出了面向工業互聯網園區一體化融合定位的路徑，最后重點分析了5G定位技術在園區的應用前景，為未來園區定位技術發展提供了參考。