5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中精準(zhǔn)定位技術(shù)的應(yīng)用研究

山西信息規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 張逢飛

我國已進(jìn)入了5G時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)精確定位技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)普及，這對(duì)人員或設(shè)備定位具有非常重要的作用。本文以5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)精確定位技術(shù)概述為切入點(diǎn)，首先介紹了5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本情況，詳細(xì)梳理了定位技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)并對(duì)比分析各類定位技術(shù)的原理和特點(diǎn)，然后闡述定位技術(shù)在智能交通、物流、醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后基于市場(chǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用發(fā)展前景，并從技術(shù)演進(jìn)角度分析定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

1 5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的精確定位

近年來，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)5G逐漸成為各界人士研究的熱門。5G發(fā)展主要從兩個(gè)方面展現(xiàn)：第一，以長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)為主的第四代移動(dòng)通訊系統(tǒng)4G已全面商業(yè)化應(yīng)用，對(duì)下一代技術(shù)的探討提出日程；第二，移動(dòng)數(shù)據(jù)需求量大幅度增長(zhǎng)，現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)很難滿足未來需求，急需全面普及新一代5G系統(tǒng)。5G發(fā)展來源于社會(huì)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)日益增長(zhǎng)的需求，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，越來越多的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，出現(xiàn)種類越來越多的新服務(wù)和應(yīng)用。經(jīng)過有關(guān)人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，最早在2018年全球移動(dòng)用戶就已經(jīng)突破32億，如果按照目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)，其內(nèi)在容量將會(huì)無法滿足流量增長(zhǎng)，也無法接受高昂的成本。因此，5G基站應(yīng)運(yùn)而生，它主要是為了給5G網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。按照邏輯功能可將基站分為基帶單元和射頻單元，兩個(gè)不同單元之間是通過CPRI以及eCPRI來進(jìn)行連接。2021年10月19日，電信部新聞發(fā)言人、運(yùn)行監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)局局長(zhǎng)羅俊杰表示，目前我國5G基站已超過一百萬個(gè)，終端連接已接近4.5億戶。而物聯(lián)網(wǎng)精確定位能給井下工作人員提供精確定位，便于在發(fā)生事故后，有助于工作人員實(shí)施應(yīng)急救援，同時(shí)在管理人員作業(yè)、建設(shè)礦井方面具有非常重要的作用，能給其提供重要的位置信息。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

從技術(shù)結(jié)構(gòu)層面來看，物聯(lián)網(wǎng)主要是由網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、感知層三個(gè)層面組成。其中，感知層與人類神經(jīng)末梢功能相似，對(duì)物體形狀進(jìn)行感知，同時(shí)收集所需要的信息，這其中涉及的范圍較廣，如音頻、化學(xué)量、物理量等，并將所收集的信息傳輸給其他設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層與大腦中樞神經(jīng)功能一致，主要進(jìn)行專業(yè)的數(shù)據(jù)收集與傳遞，是促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)交流的重要方式。而應(yīng)用層是連接物聯(lián)網(wǎng)與用戶之間重要渠道，可根據(jù)不同行業(yè)發(fā)展需求，設(shè)計(jì)多樣化功能，如服務(wù)平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)等。在信息化時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸普及到每個(gè)行業(yè)，如醫(yī)療、學(xué)校、物流等，給這些行業(yè)帶來極大的便利。

圖1是精確定位系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用。井下環(huán)境十分特殊，能見度極低，重巖下落幾率較大，甚至可能出現(xiàn)易燃易爆有毒氣體，這些因素增加了救援難度。因此，我國充分借鑒國際物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效解決井下設(shè)備和工作人員定位問題。隨著我國針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究不斷深入，為礦井井下定位提供了可靠的保障。

圖1 井下精確定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 智能交通

正常情況下，智能交通是以交通服務(wù)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施為核心環(huán)節(jié)，再將物聯(lián)網(wǎng)處理、信息采集、傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行多次融合，最終完成汽車與汽車、交通設(shè)施之間的通訊工作，為其他人員提供多樣化智能服務(wù)。從智能交通方面而言，現(xiàn)階段大部分交通服務(wù)都十分依賴車輛位置信息。因此，研究人員可利用A-GPS、GPS等技術(shù)來提高車輛實(shí)時(shí)定位能力，給駕駛?cè)藛T提供距離最短的行駛路線。而車載導(dǎo)航系統(tǒng)在經(jīng)歷了第一、第二代自助式導(dǎo)航和多媒體導(dǎo)航后，正在朝第三代無線通信導(dǎo)航發(fā)展。第三代導(dǎo)航系統(tǒng)能合理利用無線通信技術(shù)，給駕駛員提供豐富的道路路況信息，為司機(jī)提供最短的出行路線，實(shí)現(xiàn)梳堵式導(dǎo)航，盡可能指揮車輛偏離擁堵路段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、防盜、救助等作用。

3.2 智能物流

在實(shí)際運(yùn)用過程當(dāng)中，智能物流是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，將其智能技術(shù)徹底融入到物流行業(yè)中，通過最先進(jìn)的傳感技術(shù)來獲取運(yùn)輸環(huán)節(jié)、貨物存儲(chǔ)環(huán)節(jié)等方面的信息，再利用通信功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，對(duì)各種信息進(jìn)行最專業(yè)的分析和處理，為物流管理提供最便捷規(guī)劃、最合理的決策，有效提升物流運(yùn)輸效率，控制物流成本，實(shí)現(xiàn)真正物流信息化發(fā)展。智能物流化能有效鎖定貨物位置信息，而定位技術(shù)作為智能物流當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)，在整個(gè)過程當(dāng)中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，隨著定位技術(shù)不斷普及，定位技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)環(huán)節(jié)，如物流車輛監(jiān)管、倉儲(chǔ)管理、貨物跟蹤等方面。物流公司大多會(huì)在貨物內(nèi)安裝傳感裝置，來獲得貨物的準(zhǔn)確位置信息，同時(shí)在貨物出入倉裝卸和經(jīng)過運(yùn)輸線檢查點(diǎn)時(shí)，也會(huì)收集相關(guān)信息，便于監(jiān)控貨物的位置，避免出現(xiàn)物品遺失、誤送等問題。除此之外，不僅物流公司能夠及時(shí)獲取貨物位置信息，客戶同樣能利用互聯(lián)網(wǎng)來獲取貨物位置。現(xiàn)階段貨物定位信息主要是通過條形碼和RFID兩種方面來實(shí)施，但由于RFID標(biāo)簽成本過于高昂，目前在市場(chǎng)上的占有率較低，再加上其存在條形碼識(shí)別距離較短、識(shí)別成功率較低，必須要人工進(jìn)行逐一檢查，這在一定程度上給物流速度帶來極大影響。

3.3 智能礦井定位

（1）礦井精確定位結(jié)構(gòu)

井下安全是礦井工作的重中之重，一旦出現(xiàn)任何問題會(huì)給礦井作業(yè)人員生命帶來嚴(yán)重威脅，因此，必須要提高礦井井下的安全性，使其有利于井下工作人員工作安全，在發(fā)生事故后，便于救援人員對(duì)井下作業(yè)人員實(shí)施應(yīng)急救援。礦井井下布置有三種節(jié)點(diǎn)特征，如作業(yè)人員動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)、大型設(shè)備節(jié)點(diǎn)、信息傳輸和感知匯聚節(jié)點(diǎn)，都是以多種感知為基礎(chǔ)，可為礦井井下安全提供豐富的信息數(shù)據(jù)，還有效完成了信息傳輸匯聚，將需要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)通過特殊的方式傳遞給井下大型設(shè)備和工作人員。傳感技術(shù)主要是以傳感器作為基礎(chǔ)，來收集各方面的信息，如物理信息、生物信息、化學(xué)信息等。經(jīng)過有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)，將傳感器技術(shù)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：第一，傳感器能以數(shù)字技術(shù)為載體，將信息轉(zhuǎn)換成為數(shù)字從而傳遞出去，讓傳遞信息量大幅度減少，從而提高傳遞效率，同時(shí)還能提高信息的準(zhǔn)確性與完整性。第二，多功能化。在信息化時(shí)代背景下，傳感器種類多樣化，并且可以根據(jù)用戶要求創(chuàng)新傳感器類型，確保各種功能作用能完全發(fā)揮。第三，網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)化是通過傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效收集相關(guān)信息數(shù)據(jù)。感知層由匯聚節(jié)點(diǎn)、各種傳感器、感知節(jié)點(diǎn)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。傳感器一般負(fù)責(zé)井下數(shù)據(jù)采集工作，而感知節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳輸和分析所感知的數(shù)據(jù)；井下傳感器則是由一氧化碳傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器等部分組成，在以上傳感器當(dāng)中，只有視頻傳感器、人體傳感器、井下工作人員WIFI指紋與定位有一定關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)層則是通過井下匯聚節(jié)點(diǎn)與路由器進(jìn)行連接，有利于其對(duì)礦區(qū)各部分進(jìn)行管理（如圖2所示）。

圖2 井下精確定位系統(tǒng)硬件分布圖

（2）定位算法

為了確保定位精確度，要利用多樣本特征提取技術(shù)來完成井下作業(yè)工作人員和設(shè)備的精確定位。人員的特征來源于視頻傳感器、人體傳感器、WIFI指紋的信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息與井下位置三維地圖數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，能得到實(shí)時(shí)位置變換矩陣，從而確定實(shí)時(shí)位置信息，再利用協(xié)同定位算法，能精確算出設(shè)備設(shè)施、井下作業(yè)人員三維坐標(biāo)，整個(gè)過程如圖3所示。

圖3 多源多視角特征提取井下協(xié)同定位處理框圖

從傳統(tǒng)多源感知數(shù)據(jù)能及時(shí)取得大量具有位置特征的實(shí)時(shí)信息，可輔助設(shè)備來獲取工作人員實(shí)時(shí)位置，再結(jié)合多源特征數(shù)據(jù)庫，利用多源多視角精確協(xié)同定位算法，可以得到井下設(shè)備精確定位，從而達(dá)到實(shí)時(shí)精確定位的作用。

4 定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)展前景

目前，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新等時(shí)期，已成長(zhǎng)為超過萬億的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)。而定位技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的重要技術(shù)，帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)計(jì)在2022年整體個(gè)人市場(chǎng)規(guī)模超過100億。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不斷發(fā)展，定位技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)重要組成部分，在各個(gè)行業(yè)都發(fā)揮著極其重要的作用，并且出現(xiàn)不同發(fā)展趨勢(shì)。隨著定位技術(shù)不斷普及在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)，新興應(yīng)用對(duì)定位的需求已超出傳統(tǒng)的室外應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)室內(nèi)定位和不同環(huán)境的混合定位方面提出了更多更高的要求，如車輛行駛時(shí)的室外導(dǎo)航、室內(nèi)停車場(chǎng)的車位引導(dǎo)等。在以上這些應(yīng)用當(dāng)中，涉及到GPS、5G定位、WiFi、RFID等定位方式。要想要完全實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用場(chǎng)景，就要在確保成本的前提下，按照用戶身份、出發(fā)地和目的地等數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建健全的定位機(jī)制，才能做到滿足各種用戶要求。

傳統(tǒng)定位技術(shù)在正常情況下能實(shí)現(xiàn)10～100m定位精度，隨著各種新型應(yīng)用的出現(xiàn)，經(jīng)過創(chuàng)新后，其定位技術(shù)能完成5m～10m以內(nèi)的精確定位。隨著定位精度不斷提高，將衍生出各種新型應(yīng)用，甚至?xí)o互聯(lián)網(wǎng)帶來較大變革。目前我國也在積極加強(qiáng)精確定位前沿技術(shù)研究，如天基定位技術(shù)、北斗地基增強(qiáng)設(shè)施等，通過地面衛(wèi)星輔助定位設(shè)施可以將定位精度提升到厘米，甚至是毫米。

結(jié)論：在5G時(shí)代背景下，精準(zhǔn)定位作為5G系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，已逐漸普及到各個(gè)領(lǐng)域，如智能物流、無人駕駛、智慧工程、礦井工程等，給這些行業(yè)帶來質(zhì)的蛻變。為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展趨勢(shì)，未來定位技術(shù)要結(jié)合不同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有效融合各種類型的網(wǎng)絡(luò)和定位技術(shù)，不斷提高定位應(yīng)答速度和進(jìn)度，才能擴(kuò)大定位技術(shù)的應(yīng)用范圍。