AIoT人员定位成化工安全关键
人员精确定位技术的发展与应用
当前，用于危险化工场所用于人员定位的技术多为室内定位技术，以及少量室外定位技术，包括无线局域网络定位、蜂窝网络定位等等，一般来说精确的人员定位系统需要配合定位标签使用，当然也有视觉、红外等新的技术产生。相比室外环境，室内环境需要考虑墙壁、设备和人等反射体导致的干扰和延迟问题，不过，由于覆盖区域小，室内区域的信号更容易控制。
【 常见定位技术 】
早在2021年4月，应急管理部办公厅就印发了《“工业互联网+危化安全生产”试点建设方案》，“人员定位”被作为重点工作提出，并提出要求：基于Wi-Fi、蓝牙、超宽带（UWB）、射频识别技术（RFID）等相关技术以及差分基站、全球定位系统（GPS）、北斗、定位标签等信号终端设备，研究企业室外、室内和受限空间人员定位技术，实现在净空区域高精度（亚米级）和复杂装置、室内区域连续定位功能；研究人员定位数据长距离、高精度、连续传输技术；研究人员定位相关可穿戴设备。
常见的室内定位方法主要包括：基于移动通信网定位技术、基于Wi-Fi的定位技术、基于蓝牙的定位技术、基于超宽带定位技术、基于RFID的定位技术等。上述定位技术的区别在于数据传输方式不一样，而从室内定位技术的原理可以大致分为临近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法与指纹定位法。观测量是提取算法所需要的信息，可区分为场强、TOA、TDOA、AOA测量等。
为实现高精度定位，往往需要在目标体上放置信标，另外根据精度和时延需求建立信号发射基站。一般来说，定位精度越高其终端基站功耗与成本就越高，如5G、蓝牙5.1、UWB、sSLAM等技术的定位精度与响应时间都高，但其终端功耗与成本较高，主要被应用在定位精度较高的智能制造与危险化工品等领域。
以下为常见的室内定位技术：
UWB技术：出现于上世纪60年代超宽带技术（UWB，Ultra Wide Band）最早用于军事方面，作为一项明星定位技术，该技术随着苹果的Air Tag 一炮走红，受到业界的广泛关注和欢迎。我们曾经详细介绍了该技术的发展，UWB是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术，其优点在于抗多径干扰能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、截获率低、定位精度高、与现有其他无线通信系统可共享频谱等，该技术尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。在较好地修正TOF测距系统误差的情况下，UWB静态定位精度能达到10cm以内，动态定位精度优于0.2m。
蓝牙技术&ZigBee技术：蓝牙室内定位技术一般也配合标签进行使用，具有成本低、使用方便等特点，蓝牙和ZigBee定位技术类似，有部分重合频段，且两者定位技术均基于短距离低功耗通信协议。目前蓝牙定位主要使用蓝牙4.0以上的规范，该规范基于低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy,BLE）技术研发，而ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，两者都具有近距离、低功耗、低成本的特点。定位精度主要取决于基础设施的部署密度，一般来说在米这个量级。
不过，随着技术的提升，蓝牙5.1相比蓝牙4.2，最大的变化就是定位精度提升到厘米级别，且引入了寻向功能，其痛点在于需要解决基站的直流供电。另外，LPWAN通信技术+蓝牙定位系统，也因其避开“打眼走线”等过程，替代了蓝牙网关，而受到了市场的关注和应用。
WiFi技术：基于IEEE802.11系列标准，定位方法主要包括基于信号强度的信号传播模型法和指纹识别方法，具有热点分布广、灵活性高、扩展性好、终端无需额外硬件等特点。不过，同样也是由于Wi-Fi技术应用较广，容易受到同一区域不同Wi-Fi的相互影响，甚至会受到场所内人群以及手机设备的影响。Wi-Fi定位需要带的终端一般为用户携带的智能设备，在这一点来说也节省了一定的成本。
RFID技术：RFID是指通过射频集成电路发送电磁波信号并进行采集和存储的技术。RFID室内定位技术主要由RFID标签、RFID阅读器两部分组成，是一种非接触式的自动识别技术。RFID阅读器接收来自于RFID标签的信号，二者之间的通信则使用特定的射频信号及相关协议完成。RFID标签又可以分为被动和主动两类。
星闪技术：同样，我们之前也对星闪技术进行了详细的介绍，具体到室内定位领域，该技术可实现文件传输与操控、无线投屏、实时手机游戏场景、定位与感知。这当中，定位与感知既包括设备之间精确距离分米级测量，也包括对人体基本动作监测的空间人体感知。而这些也正是未来智慧应急当中，人员定位技术的发展方向与需求。
视频与红外光技术：除了传统的无线定位技术外，最简单直接的方式——视频，也是人员定位当中的重要技术。通过计算机视觉算法，能够实现对人员的有效追踪。定位精度根据终端设备数量和属性决定；此外，红外技术除了能够提供夜视支持外，也是一种常见的室内定位技术，和uwb、蓝牙等定位原理相似，红外室内定位技术系统同样由发射器和光学接收器两部分组成，具有定位精度高、反应灵敏、成本低等特点。
不过，该方法也受到距离、其他光源和障碍物的限制和干扰。随着技术的发展，红外定位系统的精度可达到毫米级别，落地形式也发展出了“红外织网”等无需定位对象携带标签的直接定位模式。即时定位与地图构建（Simultaneous localization and mapping，SLAM）技术是高精度视觉定位的主流技术，但由于对定位平台的算力要求很高，在智能手机和可穿戴设备等移动平台上还难以实现。
声波、超声波：超声波室内定位系统基于超声波测距原理，由主测距器和若干个应答器组成。主测距器放置在移动定位目标上，应答器安装在定位锚点上，主测距器向位置固定的应答器发送无线射频信号，应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号，利用反射式测距和三角定位等算法确定物体的位置。定位精度在5cm之内，响应速度为0.1秒，定位范围为场地内，半径30米的区间。
典型技术在精度、时延以及其他属性的对比如下：
图源：室内定位白皮书
根据《指南》对于精度的要求，人员聚集模型所需的数据采集间隔不大于10秒，延时不超过55秒，模型计算周期不大于30秒，定位精度误差不大于5米。这些要求也促进了相应的方案进行技术创新和改进。对常见技术定位精度和规模化难易程度比较如下图所示，无疑，工业级超宽带和激光雷达将引领高端的室内定位市场。
图源：室内外融合定位技术与展望
在人员密集的化工企业当中，安全是重中之重。一方面，应保证生产当中的各环节安全规范运行，另一方面，也要做好应急工作，降低人身和财产损失。人员定位在生产与应急环节当中都有代表性的落地实践：
在生产层面，精确的人员定位可以对在岗人员是否在岗，有无违规操作进行统一监控，确保安全操作，提升生产效率；
在应急层面，通过人员定位系统，对保障人员安全和降低搜救难度都有极为重要的意义。
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从化工领域人员定位到室内定位产业发展
当前，石油化工依然是国家经济社会发展的重要领域。尽管2023年遭遇了行业存量资金波动与跨行业资金流动，多家化工行业上市公司公告新投资项目及在建项目进展，并对2024表示看好。
业内人士表示：“2024年化工行业供给压力相对较大，尽管受到供需格局、盈利预期、现金流压力等因素影响存在推迟投产的可能，但供大于求的格局很难因此而有所改变。”但考虑到经济增长将带动消费端复苏，这种供需矛盾预计将出现一定程度的缓和。
以化工第一大省山东（连续几十年化工经济全国首位）为例，为加强山东省危险化学品数字化管控系统建设，截至2024年初，系统各模块开发已基本完成，全省1742家正常生产企业中，双重预防体系已接入1742家，特殊作业系统已接入1678家，人员定位系统已接入1667家（接入率超95%），视频智能分析系统已接入1701家；加油站智能分析系统已建设10127家，共接入9933家，12月份2617家加油站接入系统。
当前，室内定位产业链上游为技术与设备供应商，提供定位芯片、定位算法以及地图相关数据；中游为一体化解决方案提供解决方案和导航、定位模组等等；下游为终端应用方，提供移动终端、IOT设备、集成方案等等。
作为定位方案服务商，利尔达应市场需求推出了多种各具优势的定位方案。鉴于蓝牙的普遍应用，几乎所有移动端都搭载了蓝牙模组。利尔达采用蓝牙+LoRa的技术，为行业提供了可行的精度和可接受的成本方案。蓝牙信标在需要定位的区域进行部署，定位卡片和手机端在区域内行走，接收信标的信号强度值，再把数据传到网关，网关上传到后台。定位精度可以达到3~5米，同时也可以查看历史轨迹，设置禁行区域等多种定制功能。考虑到蓝牙方案的精度不足，利尔达还发布了UWB信标+LoRaWAN的定位方案。采用UWB方式进行定位，用UWB信标替换掉蓝牙信标，基本框架不变，但是精度可以达到厘米级别。同时UWB信标的安装和蓝牙信标几乎一致。同时解决了精度和施工的成本问题，得到很多终端客户的认可。
人员定位迎来市场需求和政策推动的双重选择，根据市场调研公司Markets and Markets的预测报告，2023年全球室内定位市场规模约为109亿美元，预计到2028年底将达到298亿美元，期间复合年增长率为22.3%。智能手机和其他配备GPS和其他基于位置的技术来跟踪用户室内位置的连接设备的日益普及，预计将推动室内定位市场的增长。
室内定位下游应用场景可划分为企业服务、政府公共领域与消费领域，其中在服务领域中智能制造与仓储物流的室内应用技术最高，而政府公共服务领域中公检司法、交通医疗下游应用场景最高，随着下游应用领域的增加，需求量也随之上涨，带动中国室内定位行业市场规模上涨。
3
室内定位技术的挑战与未来
目前，室内定位技术还存在以下共性问题：
精度问题。大部分商用定位技术精度还不高，对于室内环境来说存在不足，需要提升抗干扰能力，通过技术改进和融合、增加基站网络等进行优化；
部署成本和能耗问题。为了满足对精度的要求，需要增加大量的辅助节点，导致成本和人力物力的消耗，一些系统还需要定期进行人员校准，都制约了当前室内定位技术的发展；
响应时间与稳定性。及时、稳定的响应和低延时也是指南当中的重要需求，目前，UWB可以做到毫秒级相应，但蓝牙和RFID则都在一秒以上，亟待通过技术改进降低这一差距。
好在，我国在北斗、5G等通信技术领域正逐步引领技术发展方向，相关技术积累也为室内定位提供相应支持，室外定位技术、车联网定位导航相关技术等，都可以为室内人员定位技术提供参考和借鉴，形成多领域相互支撑、共同发展的状态。我们曾介绍过5G与北斗技术结合，为雄安“地下城”带来高精度导航的案例，实现了“地下城”的定位与导航畅通。
这些也呼应了我们对于智能物联2.0趋势的判断——随着行业和场景的涌现出更多更复杂的需求，势必迎来多技术融合、多层次叠加的“通感智值一体化”时代。随着5G、北斗、星闪等领域内的创新技术不断涌现和融合的广泛落地，定位技术还将在融合式发展的状态下为更多领域赋能。
本文来源：物联网智库
本文作者：路多
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