Metody lokalizacji wewnątrzbudynkowej

Wojciech Pawlak
Ekspert współpracujący z FPPP

Przemysł 4.0 to procesy produkcyjne oparte o informacje i integrację międzysystemową. Stąd potrzeba ciągłego zbierania i gromadzenia danych, których niezwykle ważną kategorią są dane lokalizacyjne.

Precyzyjna informacja o położeniu to przede wszystkim odpowiedź na rosnącą potrzebę elastyczności produkcji i logistyki. Jest to również warunek konieczny do wdrażania digitalizacji i automatyzacji procesów. Zbieranie danych lokalizacyjnych to także zwykła konieczność wymuszana przez zasady BHP i administrację środkami trwałymi, gdyż wciąż rośnie liczba robotów, pojazdów (w tym autonomicznych) i elementów ruchomego wyposażenia.

Najprostsze i najpowszechniej dostępne rozwiązanie, czyli GPS, niestety nie sprawdzi się wewnątrz hali produkcyjnej z jednego, prostego powodu – w pomieszczeniach zamkniętych brakuje zasięgu. Istniejące technologie lokalizacji wewnątrzbudynkowej wciąż korzystają z fal radiowych. Trzeba pamiętać, że każda z nich ma swoje zalety i wady, oraz wspiera tylko część z szerokiego wachlarza przypadków użycia (use-cases). Wybór konkretnego rozwiązania powinien być podyktowany potrzebami danego przedsiębiorstwa. Decyzja o wykorzystaniu określonej technologii lokalizacji wewnątrzbudynkowej nie oznacza, że w tej samej technologii będzie zrealizowana sieć łączności bezprzewodowej w danym obiekcie. Warto o tym pamiętać, ponieważ część z nich (Bluetooth, Wi-Fi, 4G/5G) może być wykorzystana w obu przypadkach.

Architektura większości wewnątrzbudynkowych systemów lokalizacyjnych jest zazwyczaj bardzo podobna. Jej najważniejszym elementem jest stała infrastruktura punktów referencyjnych, tzw. kotwic (anchors), czyli nadajników/odbiorników umieszczonych w precyzyjnie określonych, niezmiennych miejscach wewnątrz pomieszczenia. Ilość i sposób ich rozmieszczenia zależą od użytej technologii, ale pewne zasady będą takie same dla większości implementacji.

Rys. 1.

Pomiędzy lokalizowanym obiektem a punktami referencyjnymi musi być zachowana linia widoczności (Line of Sight, LOS), albo przynajmniej zostać ograniczona liczba odbić fali radiowej. Dokładność lokalizacji rośnie wraz z zagęszczeniem punktów referencyjnych, ale minimalnym wymogiem jest dostępność sygnałów przynajmniej od trzech lub czterech z nich w każdym miejscu monitorowanego obszaru. Gęstość rozmieszczenia takich punktów oraz zaawansowanie ich konstrukcji to główne czynniki decydujące o inicjalnych kosztach wdrożenia.

Na każdym lokalizowanym obiekcie powinien znajdować się tzw. tag, czyli urządzenie zdolne odbierać lub nadawać sygnały radiowe, których parametry służą do wyliczania dokładnej pozycji obiektu. Tag może być urządzeniem bardzo prostym i tanim, nawet pozbawionym własnego źródła zasilania (np. tagi RFID w formie naklejek), a przez to dogodnym do masowego, a nawet jednorazowego użycia. Ale może to być także jednostkowo drogi moduł komunikacyjny (4G/5G, Wi-Fi), dodatkowo zintegrowany z pojazdem, który oprócz danych lokalizacyjnych będzie wysyłał też dane diagnostyczne lub parametry środowiska pracy. Gdzieś pomiędzy tymi skrajnościami będą się sytuować tagi BLE (Bluetooth Low Energy) lub UWB (Ultra Wideband), często przypominające wyglądem dość grubą kartę kredytową, z wewnętrzną baterią zapewniającą przynajmniej kilka miesięcy działania. Koszt zakupu i serwisowania tagów oraz zorganizowanie procesu ich aktywacji, rejestracji oraz wymiany to główny koszt operacyjny funkcjonowania całego systemu, skalujący się zwykle liniowo wraz ze zwiększaniem ilości tagów.

Powyższe elementy systemu to infrastruktura widoczna. Tymczasem jest jeszcze całe zaplecze informatyczne – przede wszystkim silnik (location engine), czyli serwer, do którego spływają surowe dane z punktów referencyjnych i gdzie, według określonego algorytmu, wyliczana jest pozycja wszystkich tagów. Oprogramowanie silnika lokalizacyjnego może działać zarówno na lokalnym serwerze, jak też w środowisku chmurowym – wszystko zależy od narzuconych przez użytkownika ograniczeń, np. konieczność przetwarzania wrażliwych danych lokalizacyjnych wyłącznie w granicach określonej geograficznie lokalizacji.

Informacje o pozycji wyliczone przez silnik są danymi wyjściowymi, które można udostępnić użytkownikowi końcowemu w postaci panelu raportowego (dashboard), tzw. map ciepła (heat map), lub które można wymieniać ze współpracującymi systemami MES (Manufacturing Execution System) oraz WMS (Warehouse Management System) poprzez interfejsy API.

O dokładności lokalizacji i szybkości ustalenia pozycji obiektu w dużym stopniu decyduje przyjęta metoda obliczeniowa. Rozróżnia się tutaj trzy główne kategorie: oparte na czasie przesyłania sygnałów radiowych (Time-based positioning), na ustalaniu azymutów punktów referencyjnych (Angle-based positioning) oraz na pomiarach mocy odbieranej (Signal strength-based positioning).

Rys. 2. Główne kategorie metod obliczeniowych

Time-based positioning

TDoA (Time Difference of Arrival) jest to rozwiązanie, w którym wszystkie tagi wysyłają (ze stałą częstotliwością) krótki sygnał identyfikacyjny, odbierany następnie przez wszystkie punkty referencyjne w zasięgu nadajnika. Punkty referencyjne przekazują do silnika obliczeniowego wyłącznie informację o dokładnym czasie odbioru sygnału, a tam na podstawie zaobserwowanych różnic wylicza się pozycję. Do obliczenia dokładnych współrzędnych przestrzennych (x, y, z) konieczne są co najmniej trzy wartości względnego opóźnienia, zatem potrzeba namiarów z co najmniej czterech punktów referencyjnych. Ten algorytm jest bardzo zbliżony do tego znanego z systemu GPS, z tą różnicą, że to tag (czyli ruchomy odbiornik GPS) mierzy względne opóźnienia sygnałów od co najmniej czterech punktów referencyjnych (czyli satelitów na orbitach geostacjonarnych, synchronizowanych zegarem atomowym). Podobnie jak w systemach satelitarnych, także tutaj konieczna jest bardzo dokładna synchronizacja zegarów wszystkich punktów referencyjnych. Zaletą jest niskie zużycie energii przez tag (wysyła wyłącznie regularny, krótki sygnał identyfikujący) i szybkość pracy, wadą zaś – wrażliwość na odbicia sygnału.

TWR (Two Way Ranging) to rozwiązanie, w którym w celu poprawnego wyliczenia pozycji jedna ze stron (tag lub kotwica) wysyła prostą wiadomość z żądaniem odpowiedzi, a odbiorca wysyła swoją odpowiedź, potwierdzaną następnie przez inicjatora konwersacji. To zabieg znany z wielu protokołów sieci komputerowych i telekomunikacyjnych jako tzw. handshake.

W efekcie każda ze stron dysponuje informacją o RTT (Round-Trip Time), czyli czasie wymiany informacji tam i z powrotem. Pomnożenie tej wartości przez prędkość światła i podzielenie przez dwa daje rezultat w postaci odległości. Do wyznaczenia koordynatów potrzebne są namiary z co najmniej trzech punktów referencyjnych. Do poprawnego działania algorytm nie wymaga źródła synchronizacji, jest też bardziej skuteczny w środowisku pełnym przeszkód. Problemem są za to ograniczenia wydajności, dłuższe opóźnienie w lokalizowaniu oraz wyższe zużycie energii w tagu.

Uproszczoną wersją powyższego mechanizmu jest użycie wyłącznie RTT, czyli ograniczenie sekwencji wymiany wiadomości do dwóch kroków. Informacje o lokalizacji będzie miał tylko inicjator np. smartfon.

ToF (Time of Flight) to rozwiązanie, w którym nadajnik wysyła krótkie wiadomości zawierające precyzyjne informacje o chwili wysyłki (time stamp). Odbiorca, także z dostępem do precyzyjnego zegara, na podstawie obliczonej różnicy czasu nadania i odbioru, jest w stanie obliczyć długość „lotu” pakietu, czyli czas propagacji fali radiowej (stąd nazwa metody). Inicjatorem procesu (nadawcą) może być zarówno tag, jak i punkt referencyjny, jednak w obu przypadkach będzie to oznaczać skomplikowaną budowę oraz duże zużycie energii w tagu, chociażby z powodu konieczności dostępu do informacji o czasie bezwzględnym.

Rys. 3. Schemat rozwiązania ToF

Angle-based positioning

AoA (Angle of Arrival) jest to bardzo precyzyjna metoda lokalizacji na krótkich dystansach. Równocześnie jest ona bardzo wrażliwa na odbicia fal radiowych. Opiera się na pomiarze kąta, pod jakim jedna ze stron odebrała sygnał, który z kolei można obliczyć na podstawie przesunięcia fazy w poszczególnych częściach systemu antenowego. W przypadku tej metody występuje konieczność dużego zagęszczenia punktów referencyjnych oraz komplikacja układu antenowego, co z kolei oznacza, że pomiary wykonywane są po stronie sieci, a nie taga (network-centric positioning).


Signal strength-based positioning

RSSI (Received Signal Strength Indication) opiera się na pomiarze mocy sygnałów pochodzących z poszczególnych punktów referencyjnych, które są odbierane przez tag. Przyjmując odpowiednie modele matematyczne propagacji sygnałów w danych pomieszczeniu, można obliczyć dystans, a przez to położenie taga. Niestety ten mechanizm, z powodu swojej prostoty, nie będzie się sprawdzał w skomplikowanych przestrzeniach fabrycznych. Dlatego zwykle w komercyjnych zastosowaniach spotyka się rozszerzenie tej metody, RSSI-FP (fingerprint). Zamiast modelować rozchodzenie się fal w pomieszczeniu, tworzy się mapę określonego obszaru na podstawie zmierzonych wartości RSSI z kilku punktów dostępowych. Na ich podstawie generuje się rozkład prawdopodobieństwa wartości RSSI w każdym z punktów pomieszczenia (jest to właśnie „odcisk palca”). Potem, podczas pracy całego systemu, wartości RSSI odbierane przez tag są porównywane z wartościami referencyjnymi, aby znaleźć najbardziej prawdopodobną lokalizację obiektu.

W przeciwieństwie do wcześniejszych rozwiązań, tutaj konieczny jest duży początkowy nakład pracy w celu prawidłowego zmapowania pomieszczenia. Po każdej zmianie aranżacji konieczna jest aktualizacja mapy. Jest to niezwykle ważne działanie, bo im bardziej precyzyjna mapa propagacji sygnałów, tym dokładniejsze rezultaty lokalizacji tagów. Niewątpliwą korzyścią jest za to nieskomplikowana infrastruktura, brak konieczności synchronizacji całości i zadowalająca dokładność, nawet w pomieszczeniach o skomplikowanym układzie.

Opisane powyżej metody lokalizacji zwykle nie są stosowane pojedynczo. Poszczególne technologie radiowe korzystają zwykle z dwóch lub trzech z nich, aby zapewnić dokładność i niezawodność. Dla przestrzeni wewnątrzbudynkowych można wybrać rozwiązania oparte o UWB (Ultra Wideband), BLE (Bluetooth Low Energy), RFID lub Wi-Fi – działające na częstotliwościach nielicencjonowanych, na falach długości kilku centymetrów. Dzięki toczącym się pracom standaryzacyjnym sieci mobilne 4G/5G już niedługo mogą stać się ciekawą alternatywą dla tych rozwiązań.


UWB

Początkowo technologia UWB miała być bezprzewodowym odpowiednikiem kabla USB, służącym do łączenia drobnej elektroniki, smartfonów i multimediów na dystansach nie większych niż kilka metrów. Prędkości transmisji sięgały 1-2 GB/s, a dzięki impulsowej transmisji w bardzo szerokim kanale radiowym (rzędu 500 MHz) osiągnięto odporność na zakłócenia i brak interferencji z transmisjami wąskopasmowymi. UWB nie stało się jednak popularne w elektronice użytkowej, ale zaczęło się świetnie sprawdzać jako technologia lokalizacyjna. Zaletą tego rozwiązania jest to, że osiągana wysoka dokładność lokalizacji idzie w parze z niskim zużyciem energii.

Tab. 1. Charakterystyka technologii UWB

Dokładność lokalizacjiTypowo 15-30 cm, przy bardzo dobrych parametrach LOS nawet do 3 cm.
ZasięgOd 10 do 50 m, przy zachowaniu LOS do 130 m.
Algorytmy pozycjonowaniaTDoA, ToF, TWR
Odporność na propagację wielodrogową sygnału i interferencjeWysoka. Sygnał szerokopasmowy (ok. 500 MHz) z niską gęstością widmową sygnału (-41,3 dBm/MHz).
Opóźnienie wyznaczenia lokalizacjiDo 10 ms
Złożoność systemuKonieczne zapewnienie synchronizacji wszystkich punktów referencyjnych.
Pasmo częstotliwościOd 3,1 do 10,6 GHz (w UE zwykle od 6 do 8,5 GHz).
SkalowalnośćDla metody TWR: do 1200 tagów na punkt referencyjny. Dla metody TDoA-Uplink: do 5500 tagów.
BezpieczeństwoZabezpieczenie przed atakami w warstwie fizycznej zgodnie z IEEE 802.15.4z
Potencjalna trudność dla dostawcówWspółdzielenie zakresu częstotliwości z 5G i Wi-Fi 6E.

BLE

W odróżnieniu od UWB standard Bluetooth zagościł w elektronicznych gadżetach już na dobre. Wraz z rozwojem Internetu Rzeczy konieczne stało się wypracowanie wersji o bardzo obniżonym zużyciu energii, przydatnej właśnie w sensorach IoT. Prace rozwojowe od samego początku zakładały, że Bluetooth Low Energy będzie nadawał się zarówno do transmisji danych, jak i do pozycjonowania. Tzw. beacon BLE dostępny jest na rynku już od kilku lat.

Tab. 2. Charakterystyka kategorii BLE

Dokładność lokalizacji1 m (BLE v5.1, AoA), 2-5 m (RSS-FP).
ZasięgDo 10 m (w warunkach non-LOS), 30-50 m (LOS).
Algorytmy pozycjonowaniaRSS-FP, AoA
Odporność na propagację wielodrogową sygnału i interferencjeZe względu na niewielką szerokość kanału stosowany jest mechanizm skakania po częstotliwościach (frequency hopping).
Opóźnienie wyznaczenia lokalizacjiAoA – do 100 ms, RSS-FP, client-based – do 2 s.
Złożoność systemuNiska dla RSS-FP. Złożoność (i koszt) rośnie przy zastosowaniu metody AoA.
Pasmo częstotliwości2,4 GHz, praca w kanałach o szerokości 2 MHz, całkowite dostępne pasmo: 78 MHz.
SkalowalnośćPraktycznie nieograniczona liczba urządzeń (jeżeli nie korzystają z transmisji danych), 30-255/AP (jeżeli są zalogowane do sieci)
BezpieczeństwoNiskie. Możliwość manipulowania odczytem pozycji.
Zużycie energiiNiskie lub bardzo niskie. Typowy czas funkcjonowania taga zasilanego bateryjnie: od kilku miesięcy do 2 lat, w skrajnych przypadkach nawet do 5 lat.

Wi-Fi

Ten szeroko stosowany standard sieci bezprzewodowych został zaadaptowany także do potrzeb lokalizacji wewnątrzbudynkowej. Lokalizacja może odbywać się trybie aktywnym (namierzane są aktywnie działające tagi emitujące sygnał Wi-Fi) lub pasywnym (namierzane jest dowolne urządzenie z włączonym Wi-Fi). Żeby przeprowadzić lokalizację nie trzeba przesyłać przez sieć żadnych dodatkowych danych – obiekty są rozpoznawane na podstawie adresu MAC warstwy fizycznej, a dane pomiarowe dotyczące odbieranych sygnałów radiowych są pobierane bezpośrednio z Access Points (AP) i przesyłane do serwera. W ramach grupy roboczej IEEE 802.11 trwają obecnie prace w celu ujednolicenia protokołów i zapewnienia większej dokładności pomiarów, ale specyfikacja rozwiązania o roboczej nazwie NGP (Next Generation Positioning) oznaczana jako 802.11az, wciąż czeka na publikację.

Tab. 3. Charakterystyka kategorii Wi-Fi

Dokładność lokalizacjiPoniżej 5 m (RSS-FP), do 3 m (AoA, istotnie gorsza przy braku LOS), 1 m (oczekiwane dla NGP 802.11az).
Zasięg10-80 m przy zachowaniu LOS, degradacja jakości pomiarów powyżej 30 m.
Algorytmy pozycjonowaniaRSS-FP, RTT, AoA
Odporność na propagację wielodrogową sygnału i interferencjeWysokie prawdopodobieństwo zakłóceń, zwykle mniejsze w metodzie RSS-FP. W przemysłowych instalacjach WLAN często dodatkowe funkcjonalności zwiększające niezawodność.
Opóźnienie wyznaczenia lokalizacjiRSS-FP, client-based – do 2 s, oczekiwane dla NGP 802.11az – 10-500 ms.
Złożoność systemuMożliwość użycia istniejącej infrastruktury sieci Wi-Fi, dodatkowe AP tylko dla zapewnienia właściwej gęstości punktów referencyjnych. Dla AoA wymagane są specjalne AP wspierające tę funkcjonalność.
Pasmo częstotliwości2,4 GHz, 5 GHz, dla NGP 802.11az oczekiwane 60 GHz.
SkalowalnośćPraktycznie nieograniczona liczba urządzeń (jeżeli nie korzystają z transmisji danych), 30-255/AP (jeżeli zalogowane do sieci), do 200/AP (oczekiwane dla NGP 802.11az).
BezpieczeństwoW przemysłowych instalacjach WLAN implementowane dodatkowe funkcjonalności zwiększające bezpieczeństwo.
Zużycie energiiWysokie – do 10 razy większe w porównaniu do BLE. Implementowane specjalne rozwiązania poprawiające efektywność energetyczną (Ekahau/AiRISTAFlow).

RFID

RFID (radio-frequency identification) są to standardy identyfikacji radiowej od wielu lat z powodzeniem wykorzystywane w płatnościach (karty płatnicze), handlu, obsłudze magazynów i procesach intralogistycznych. Cenione są ze względu na prostotę konstrukcji i znikomy koszt taga/transpondera. Tag jest urządzeniem pasywnym, pozbawionym własnego źródła zasilania, który energię potrzebną do działania pobiera, gdy znajdzie się w emitowanym przez czytnik polu elektromagnetycznym o częstotliwości rezonansowej. Do zastosowań specjalistycznych często wykorzystuje się tagi aktywne, wyposażone we własne źródło zasilania. Technologia w swoich podstawowych wariantach działa na niewielkich dystansach (poniżej 1 m), ale niektóre implementacje pracują na większych dystansach (do kilkunastu metrów).

Tab. 4. Charakterystyka kategorii RFID

Dokładność lokalizacjiDla wybranych rozwiązań do 1 m, zwykle gorsza.
Zasięg10-12 m (UHF, technologia pasywna), do 100 m (UHF/SHF, technologia pasywna i aktywna).
Algorytmy pozycjonowaniaRSSI, TDoA, AoA
Odporność na propagację wielodrogową sygnału i interferencjeNiezawodność maleje wraz ze wzrostem częstotliwości pracy (fale krótszej długości bardziej podatne na odbicia i interferencje).
Opóźnienie wyznaczenia lokalizacjiDo 1200 tagów na sekundę.
Złożoność systemuSilnie zależna od przypadków użycia. Niska dla systemów śledzenia (tracking), wysoka dla systemów pozycjonowania (positioning).
Pasmo częstotliwości125 kHz (LF), 13,56 MHz (HF), 433, 865–868 MHz (Europa) (UHF), 2,4 GHz, 5,8 GHz (SHF).
SkalowalnośćPraktycznie nieograniczona liczba urządzeń.
Bezpieczeństwo  W niektórych rozwiązaniach zapewniona ochrona kryptograficzna danych.
Zużycie energiiDla tagów pasywnych – nie dotyczy. Dla tagów aktywnych – czas pracy do kilku lat, zależny od częstotliwości odczytu.

Podsumowanie

Niniejszy artykuł pomija szeroki wachlarz rozwiązań dodatkowych – zwykle kosztownych, stąd ograniczonych do konkretnych, zaawansowanych przypadków użycia. Należy w tym miejscu wspomnieć o nawigacji inercyjnej, ultradźwiękowych pomiarach odległości i technologiach LIDAR, a także Computer Vision wspomagane algorytmem SLAM (Simultaneous Location and Mapping). Ich wspólną cechą jest brak stałej infrastruktury – urządzenie końcowe przeprowadza całość procesu pozycjonowania, czasami posiłkując się serwerem aplikacyjnym i łącznością bezprzewodową. Stąd głównym obszarem ich stosowania są m.in. autonomiczne wózki AGV (np. precyzyjne dokowanie do załadunku, „odkrywanie” nowego rejonu pracy).

Podobne artykuły

Cyfryzacja drogą do elastyczności

Konrad Cop :: Nowoczesne procesy produkcyjne muszą stawić czoła wielu wyzwaniom o złożonym charakterze. Istnieje koncepcja umożliwiająca wyjście naprzeciw wszystkim oczekiwaniom. Tą koncepcją jest pełna elastyczność linii produkcyjnych, a narzędziem do jej realizacji jest cyfryzacja.

Skip to content