王金輝

摘要：隨著定位技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于位置信息的服務(wù)在各行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。在國家及地方政府印發(fā)的相關(guān)建設(shè)要求中，建議采用超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)提高定位精度?；赨WB技術(shù)研發(fā)的定位系統(tǒng)，采用了時隙分配、下行尋址等技術(shù)，降低了無線信號碰撞的概率，解決了下行指令發(fā)送失敗率較高的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性，提升了企業(yè)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”能力。

關(guān)鍵詞：定位；位置信息服務(wù)；超寬帶；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；安全生產(chǎn)

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2023）05-62-5

0引言

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，人們對于室內(nèi)定位的需求日益增加，例如：在煤礦等突發(fā)災(zāi)難中，通過室內(nèi)定位，引導(dǎo)救援人員以最快速度解救被困人員；2020年的疫情防控中，基于超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位技術(shù)的定位手環(huán)、定位標(biāo)簽，防止人員跨部門接觸，做到人員的精確跟蹤定位；在軍事上，通過人員定位和設(shè)備追蹤進(jìn)行城市作戰(zhàn)訓(xùn)練、彈藥倉庫管理和高級研發(fā)等[1-3]。作為近兩年興起的一種定位技術(shù)，UWB室內(nèi)定位技術(shù)與傳統(tǒng)通信技術(shù)有著極大差異。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有ns或ns級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。

UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低以及能提供高精度定位等優(yōu)點，滿足了室內(nèi)定位高精度、低功耗和低復(fù)雜度的需求，在室內(nèi)定位領(lǐng)域有著無可取代的地位[4]，可用于各個領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航，尤其是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”場景。

1定位測距方法

1.1到達(dá)時間法

到達(dá)時間（Time of Arrival， TOA）是基于時間的距離估算方法中最簡單的一種。它使用單向通信進(jìn)行測距，這意味著系統(tǒng)的基站和標(biāo)簽只作為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)當(dāng)中的一種，可以大大降低設(shè)備硬件及系統(tǒng)組網(wǎng)和部署的復(fù)雜性。

TOA測距操作僅由一個傳輸完成，發(fā)射機(jī)向接收機(jī)發(fā)送含當(dāng)前時間戳的數(shù)據(jù)，接收機(jī)收到數(shù)據(jù)后，對接收時間、發(fā)送時間進(jìn)行比較。由于光速是已知的常數(shù)，一次可以確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離。然而，TOA采用的是單邊通信方式，無論是基站和定位標(biāo)簽，都無法在雙方系統(tǒng)時鐘不一致的情況下計算出信號的絕對一致的傳播時間，所以TOA系統(tǒng)在實踐中很難實現(xiàn)[5]。

1.2到達(dá)時間差法

從原理上講，到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）和TOA非常相似，但TDOA方法并沒有計算每條消息從標(biāo)簽到基站的絕對傳播時間，而是使用其到幾個基站的TDOA來進(jìn)行距離估算[6]。TDOA測量的是信號到達(dá)不同接收機(jī)的相對時間，因此要求接收機(jī)的時鐘嚴(yán)格同步，而發(fā)射機(jī)不需要這種同步。因為基站的位置通常是固定的，可以通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，這就消除了TDOA對更復(fù)雜的無線時鐘同步算法的需要，在一定程度上簡化了系統(tǒng)。但是如果負(fù)責(zé)時鐘同步的基站發(fā)生故障，整個定位系統(tǒng)的可用性就會大大降低。

1.3飛行時間法

飛行時間（Time of Flight，TOF）是一種雙向測距技術(shù)，通過測量UWB信號在基站與標(biāo)簽之間往返的飛行時間來計算距離，從而完全消除了系統(tǒng)中各節(jié)點之間時間同步的要求。TOF原理如圖1所示。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)，重點針對人、車和資產(chǎn)等，在現(xiàn)場部署定位基站和定位標(biāo)簽等物理終端，在控制中心部署位置解算引擎和應(yīng)用軟件，對被定位目標(biāo)的實時位置、實時軌跡進(jìn)行監(jiān)控。通過將位置數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的地圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可以實現(xiàn)對“人的不安全行為”（超時滯留、超員和進(jìn)入危險區(qū)域等）的實時感知，從而降低安全風(fēng)險。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

定位系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和服務(wù)層組成，形成了IAAS、PASS和SAAS的標(biāo)準(zhǔn)云架構(gòu)體系。

2.2系統(tǒng)功能

基礎(chǔ)設(shè)施層：由定位基站、定位標(biāo)簽組成。定位基站和定位標(biāo)簽之間采用雙向測距法（Two-Way Ranging，TWR）（TOF之一），TWR不需要時間同步，大大降低了系統(tǒng)部署難度和成本。但是由于采用雙向測距，交互的消息較多，定位標(biāo)簽的續(xù)航能力受到一定限制，并且消息可能在空中發(fā)生碰撞，所以消息發(fā)送的時序必須嚴(yán)格控制，導(dǎo)致單基站標(biāo)簽容量較小。基站和標(biāo)簽進(jìn)行消息交互，基站將相關(guān)信息（定位信息、標(biāo)簽電量和SOS標(biāo)志等）通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)上報到PASS層的定位解算引擎。

平臺層：由定位引擎、數(shù)據(jù)管理、消息服務(wù)和尋址服務(wù)等平臺功能模塊組成。解算引擎收到基站數(shù)據(jù)后，采用卡爾曼濾波算法等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)系統(tǒng)配置的地圖信息，解算出被定位對象的二維或三維坐標(biāo)。同時根據(jù)相關(guān)定位輔助手段或原則，對異常點位進(jìn)行平滑處理，對無點位進(jìn)行插值。數(shù)據(jù)管理模塊實時更新標(biāo)簽、地圖等信息，實現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)的同步。消息服務(wù)模塊實現(xiàn)PASS層和SAAS層、PASS層和IAAS層之間的消息交互。通過MQTT等方式，向SAAS層提供位置、標(biāo)簽等信息，通過UDP方式，向IAAS層提供標(biāo)簽震動、短消息等數(shù)據(jù)。尋址服務(wù)模塊提供應(yīng)用層向定位標(biāo)簽下發(fā)指令的基站尋址功能。

服務(wù)層：由應(yīng)用軟件（權(quán)限管理、配置管理、定位管理和設(shè)備管理等）、位置服務(wù)接口管理等模塊組成。權(quán)限管理提供了賬號和密碼及權(quán)限管理，不同的用戶具備不同的權(quán)限。配置管理提供了組織架構(gòu)、地圖、告警規(guī)則、基站和標(biāo)簽等數(shù)據(jù)和設(shè)備的配置功能。定位管理是核心業(yè)務(wù)模塊，提供了位置監(jiān)控、實時軌跡、歷史軌跡和電子圍欄等功能。設(shè)備管理提供了設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控功能，當(dāng)設(shè)備（主要是基站）發(fā)生故障時，設(shè)備拓?fù)鋱D中相關(guān)設(shè)備的顏色會發(fā)生變化，提示設(shè)備故障。位置服務(wù)接口管理模塊通過MQTT、WebService等方式，和其他信息化或應(yīng)用軟件進(jìn)行通信。

2.3關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1雙向測距時隙分配

定位區(qū)域內(nèi)存在多個定位標(biāo)簽時，如果不劃分時隙，多個標(biāo)簽可能同時發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣這些數(shù)據(jù)會產(chǎn)生信號碰撞，導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)包丟失或數(shù)據(jù)包內(nèi)容紊亂。為了解決這個問題，本系統(tǒng)采用了雙向測距時隙分配算法，提高了信道的利用率，信號傳輸效率比較高，系統(tǒng)定位精度較為穩(wěn)定。其設(shè)計方案如下：

①時鐘同步。在定位區(qū)域內(nèi)設(shè)一主站，主站下發(fā)response消息標(biāo)識CMD1，從站下發(fā)response消息標(biāo)識CMD2。主站下發(fā)的response消息中含有基站的系統(tǒng)時鐘數(shù)據(jù)（單位ms）。標(biāo)簽收到主站標(biāo)識后根據(jù)主站時鐘數(shù)據(jù)同步標(biāo)簽本地系統(tǒng)時鐘。

②幀時隙劃分。標(biāo)簽以2 Hz的頻率發(fā)送定位消息，則將1 s內(nèi)分為兩個超幀500 ms。每個超幀設(shè)置20個slot（槽點，每個slot時隙長度25 ms）。在每個slot內(nèi)將會有最多2個標(biāo)簽和各基站（最多6個）之間完成測距。每個標(biāo)簽在自己對應(yīng)的slot點起點發(fā)送poll消息。

③定位消息包時隙劃分。基站在收到標(biāo)簽發(fā)送的poll消息后開啟延時發(fā)送response消息，延時時間為0=4 ms+（Anchor_id % 6）*2 ms（即0最短4 ms，最長14 ms）。

2.3.2業(yè)務(wù)指令下行尋址

當(dāng)應(yīng)用層判斷某種緊急情況（比如被定位對象進(jìn)入危險區(qū)域、進(jìn)入某區(qū)域停留時間過長等）發(fā)生時，應(yīng)立即通過某種方式（比如讓定位標(biāo)簽產(chǎn)生振動）下發(fā)指令提醒被定位對象，所以指令如何準(zhǔn)確、可靠地下發(fā)至定位標(biāo)簽成為關(guān)鍵因素。

因為定位標(biāo)簽可能處于移動狀態(tài)，并且標(biāo)簽只和定位基站有通信通道，和應(yīng)用層之間無直接通信通道，所以應(yīng)用層下發(fā)給定位標(biāo)簽的指令必須通過定位基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因此定位基站必須實時更新“漫游”至本基站的標(biāo)簽，并上報至平臺層的尋址服務(wù)，尋址服務(wù)實時更新基站和標(biāo)簽的所屬關(guān)系。具體流程如圖3所示。

①標(biāo)簽和基站（基站可能是多個）完成測距；

②基站將測距數(shù)據(jù)上報到定位解算引擎，解算引擎將基站和標(biāo)簽的關(guān)聯(lián)關(guān)系記錄到內(nèi)存數(shù)據(jù)庫（可能存在多個基站關(guān)聯(lián)一個標(biāo)簽的情況）；

③應(yīng)用層監(jiān)測到某種突發(fā)情況，向指定標(biāo)簽下發(fā)某種指令；

④尋址服務(wù)接收到指令后，根據(jù)標(biāo)簽ID從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中查找所屬的基站（可能會找到多個），并根據(jù)此基站ID從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中查找基站通信地址，然后將指令發(fā)送到此基站，同時啟動定時器；

⑤基站收到指令后，通過私有消息發(fā)送到標(biāo)簽；

⑥標(biāo)簽收到指令后，進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果上報到基站；

⑦基站將指令處理結(jié)果上報到尋址服務(wù)；

⑧尋址服務(wù)將處理結(jié)果上報到應(yīng)用層。

如果基站和標(biāo)簽之間的通信或處理過程出現(xiàn)錯誤，則尋址服務(wù)的定時器會產(chǎn)生時超，此時，尋址服務(wù)可以繼續(xù)通過同一基站下發(fā)指令，或選擇另一臺基站下發(fā)指令，保證指令能成功發(fā)送到標(biāo)簽。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括基站和標(biāo)簽、基站和標(biāo)簽通過無線通信實現(xiàn)消息交互。如果要實現(xiàn)較為精準(zhǔn)的定位效果，至少需要3個基站，流程如圖4所示。

①～③標(biāo)簽周期性通過廣播發(fā)送blink消息，消息中包含標(biāo)簽ID等相關(guān)信息；

④～⑥基站收到blink消息后，解析出標(biāo)簽ID并加入列表，同時向標(biāo)簽回復(fù)range_init消息，range_init消息用于告知標(biāo)簽分配好的測距時隙；

3.2平臺層

平臺層主要由管理服務(wù)、代理服務(wù)和位置解算引擎等模塊組成，核心功能模塊是定位解算引擎，具體實現(xiàn)如圖5所示。

管理服務(wù)功能如下：

①啟動配置相關(guān)進(jìn)程和線程。啟動代理服務(wù)、位置解算引擎及相關(guān)線程。

②線程管理功能。查看、停止、啟動相關(guān)線程。

③守護(hù)功能。探測代理服務(wù)、位置解算引擎的運行狀態(tài)。

④日志查看功能?？梢圆榭创矸?wù)、位置解算引擎的日志。

代理服務(wù)負(fù)責(zé)位置解算引擎中相關(guān)線程之間的通信，在數(shù)據(jù)庫中配置各線程的通信端口，根據(jù)配對通信配置，將數(shù)據(jù)發(fā)送到相關(guān)地址。代理服務(wù)的功能類似于郵箱管理，在數(shù)據(jù)發(fā)送的同時，提供緩存和重發(fā)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。

位置解算引擎由基站通信線程、位置解算線程、位置增強(qiáng)線程和消息推送線程組成。

3.2.1基站通信線程

基站通信主要是建立和基站通信的服務(wù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，具體如下：

①建立UDP服務(wù)，偵聽基站的UDP報文；

②收到基站的UDP報文后，解包（提取基站ID、標(biāo)簽ID、標(biāo)簽流水號、標(biāo)簽測距/時間戳、電量信息和SOS按鍵標(biāo)志等）；

③根據(jù)基站ID，從內(nèi)存得到地圖等信息，與解包后的數(shù)據(jù)一起通過代理服務(wù)發(fā)送到位置解算引擎。

3.2.2位置解算線程

位置解算線程主要是對位置信息進(jìn)行解算，具體如下：

①負(fù)載均衡功能。根據(jù)標(biāo)簽數(shù)量、均衡原則，創(chuàng)建多個解算線程。

②解算功能。根據(jù)代理服務(wù)提供的數(shù)據(jù)，判斷是TWR還是TDOA，采用不同的算法進(jìn)行解算。

③數(shù)據(jù)發(fā)送功能。將解算后的數(shù)據(jù)通過代理服務(wù)發(fā)送到位置增強(qiáng)線程。

3.2.3位置增強(qiáng)線程

位置增強(qiáng)線程主要是判斷解算后的位置數(shù)據(jù)是否合理、是否需要補(bǔ)點等，具體如下：

①負(fù)載均衡功能。根據(jù)標(biāo)簽數(shù)量、均衡原則，創(chuàng)建多個增強(qiáng)線程。

②限幅濾波功能。判斷位置是否是壞點，如果是壞點，則必須丟棄。

③活動區(qū)域判斷功能。判斷位置是否在活動區(qū)域內(nèi)，如果不在活動區(qū)域內(nèi)，則必須丟棄。

④補(bǔ)點功能。無論是壞點，還是在活動區(qū)域外，丟棄的點必須根據(jù)一定的原則進(jìn)行補(bǔ)點，否則運動軌跡會產(chǎn)生跳躍。

⑤平滑功能。按照平滑原則進(jìn)行位置平滑，比如3點平滑、7點平滑等，平滑的點數(shù)越多，軌跡展示的延時越長，但效果也越好。

⑥數(shù)據(jù)發(fā)送功能。將平滑后的數(shù)據(jù)通過代理服務(wù)發(fā)送到消息推送線程。

3.2.4消息推送線程

消息推送線程主要提供將位置增強(qiáng)后的數(shù)據(jù)推送給其他信息化或應(yīng)用軟件，具體如下：

①負(fù)載均衡功能。根據(jù)標(biāo)簽數(shù)量、均衡原則，創(chuàng)建多個推送線程。

②數(shù)據(jù)發(fā)送功能。根據(jù)地圖ID，發(fā)送到MQTT中以地圖標(biāo)識命名的主題。

3.3應(yīng)用層

應(yīng)用層主要實現(xiàn)用戶權(quán)限管理、應(yīng)用業(yè)務(wù)和設(shè)備管理等功能，架構(gòu)如圖6所示。

系統(tǒng)采用前后端分離的技術(shù)架構(gòu)，通過nginx+springcloud的方式進(jìn)行解耦。采用瀏覽器/服務(wù)器+數(shù)據(jù)庫（BWD）3層技術(shù)，按照J(rèn)AVA規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、開發(fā)，適用于Windows操作系統(tǒng)，具備易部署、易維護(hù)和易升級等特性。

4結(jié)束語

基于UWB技術(shù)研發(fā)的iSafe定位系統(tǒng)，具備高精度、抗多徑等特點，尤其適用于冶金、石油化工等工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。

iSafe定位系統(tǒng)已在某電解鋁車間應(yīng)用，實現(xiàn)了人員位置數(shù)據(jù)、體征信息的數(shù)字化，通過定位標(biāo)簽和人員的關(guān)聯(lián)，精準(zhǔn)記錄了人員的位置信息。根據(jù)位置信息，對進(jìn)入危險區(qū)域人員發(fā)出告警，避免人員因接觸危險區(qū)域而引發(fā)安全事故。同時，對于非生產(chǎn)人員進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域、訪客進(jìn)入非指定區(qū)域等均引發(fā)告警，有效提升了廠區(qū)的安全管理水平。

定位系統(tǒng)通過將人員、車輛和設(shè)備等的位置信息數(shù)字化，形成了“位置物聯(lián)網(wǎng)”?；谖恢梦锫?lián)網(wǎng)的定位系統(tǒng)，不僅在“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”中發(fā)揮重要的作用，在離散或流程工業(yè)的生產(chǎn)工藝中也可以將位置信息和生產(chǎn)流程關(guān)聯(lián)起來，實現(xiàn)車間無紙化辦公，通過分析每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)信息，能夠?qū)ιa(chǎn)計劃、產(chǎn)品訂單進(jìn)行合理調(diào)配，產(chǎn)品生產(chǎn)可控、質(zhì)量可追溯，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。

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