物流倉儲LBS精準定位解決方案需求及應用

1.倉儲物流LBS定位管理需求背景 倉儲物流行業總體區分為制造業倉儲、第三方物流、電商自建物流。不同物流倉儲體系的LBS (Location Based Services) 應用對象、場景環境、約束目標均存在一定差異，因此在功能細節、系統架構和運維支持等方面需要進行相應的差異化設計與安排。 制造業倉儲存在大量的原材料、零部件、半成品和成品的倉儲轉運，針對不同行業的物資類型，需要根據材料特性、環境耐受、監測時效等方面的要求在信標端、基站端和服務端進行傳感器參量、傳輸策略、分析存儲和控制展現的特異性設計；第三方物流一般是指應對各種跨行業、廣對象、強通用的物流倉儲體系服務提供商，第三方物流雖然在服務產品的提供上存在常溫、冷鏈、超低溫，航空、公路、鐵路、海運等方面的區別，但物資的倉儲和運送空間在不同時刻存在不同貨物類型和不同貨品客戶方，通常面向貨品大類的通用性而不針對特定產品的定制化需求；電商自建物流的特性通常由電商方自身的行業定位決定，3C、服裝類電商的倉儲物流類似於制造業倉儲的成品倉儲與轉運，生鮮、醫藥類電商則類似第三方物流中冷鏈專門倉儲物流提供商，通用類電商的自建物流則類似於全品類的第三方物流。 針對上述的不同物流倉儲場景，LBS服務的目標在於通過對貨品、工具、人員的位置或周邊環境參量(準)實時獲取與分析，實現貨品入庫→倉儲→出庫的全程閉環精細化管理，提升倉儲環境的適應性、人員作業的規范化、流程標準的高效性以及工具裝置的智能化，最終使得倉儲物流的整體過程降耗增效。 2. 倉儲物流LBS定位系統需求

• 倉儲環境的適應性

根據倉儲物資類型區別，倉儲環境需要作出相應的適應性變更。例如，生鮮和藥品對倉儲環境的溫濕度條件有較為嚴苛的要求，部分藥品需要低溫（或超低溫）幹燥倉儲，蔬果綠葉類生鮮在低溫倉儲同時要求環境保持一定的濕度。因此，針對不同區位的倉儲環境獲取較為全面準確的環境參量數據將是提升倉儲質量的關鍵環節。通常環境監測物理參量分為空氣質量相關、溫濕度相關、噪聲相關、電磁環境相關、運動相關和其它相關參量。物流倉儲的關註環境中，需要對其中的空氣質量相關(O2濃度、N2濃度、CO2濃度、CO濃度、SO2濃度、NOx濃度 等)、溫濕度相關(環境溫度、環境濕度)、運動相關(加速度、位置) 和其它相關 (光照強度)。信標作為終端接觸的實體，需通過內嵌傳感部件和相應的處理電路實現對相應物理參量的感知獲取。針對不同倉儲環境的差異，信標板路在設計階段盡可能預留全部參量種類的傳感部件和關聯電路的板位，然後根據具體項目建設需求在不同的批量實現不同的部件與電路貼片。對於倉儲空間中物資、人員和工具的位置運動與周邊環境狀態變化，信標端實現感知獲取相應狀態參量，服務端或平臺端實現對狀態參量原始值處理後的分析判斷、全局展示、警示呈現、信息下發和報表回溯。遠程平臺端可實現對不同位點倉儲空間環境的全方位、全時域、全層級的綜合管理，可完成跨地查詢和信息接收。

• 人員作業的規范化

倉儲物流區域的人員作業通常會橫跨不同的倉庫的不同的功能分區，單一的區域內也會觸及不同的具體位置。工作人員在一定的時間域范圍內被期望出現在相應的操作空間區域，人員的操作位置區域與被期望執行的作業操作也存在較強的關聯關系。構建基於定位系統LBS的人員位置管理與作業關聯功能，提升倉儲作業人員的操作執行規范性。根據工作人員在相應時間序列下空間區位與預期操作執行的關聯關系，完成對工作人員顯著位置偏離或操作失常識別、警報或預先提示。LBS系統可獲取並生成人員操作相關的警示記錄，並定期生成相應的報表。此外，系統在必要時刻通過向人員佩戴（或攜帶）的終端信標下發特殊指令以實現緊急通知、區域限制、危險告警等與時空區位關聯緊密的管控指令傳遞。

• 流程標準的高效性

物流倉儲過程中，倉儲物資標的從抵達、堆放、分倉、入庫、尋址、出庫和裝車的全流程涉及一系列標準化操作，且在不同流程階段涉及不同的區位、人員、動作、工具使用和環境要求。 基於信標終端位置數據的原始獲取與環境地圖處理結合，實現人員、工具和物資實時定位；部分信標還可獲取環境參量信息，參量種類涉及空氣質量相關、溫濕度相關、噪聲相關、運動相關和其它相關參量；基於這些參量數值歷史規律與理論分析構建環境參量與操作控制的關聯模型，建立時間、人員、物資、區位與環境參量的量化關聯關系、效率及安全約束條件，提升操作流程的效率與安全管理。

• 工具裝置的智能化

倉儲物流場景中，作業流程可能涉及大量的操作工具：倉儲貨架、叉車、內部推車、吊裝工具、傳送履帶。不同的工具關聯相應的倉儲物資、流程操作和空間區位，工具裝置基於自身的時空區位或操作對象的時空區位可自動采取一系列的操作動作，實現倉儲流程的效率提升。在各類倉儲環境中，最常用的智能化工具即是AGV，通過針對AGV的定位與運動控制實現相應的物資運送節點控制；通過對叉車、推車和吊裝工具端點的位置控制，針對不規范的操作和工具故障進行操作預警，並將相應功能嵌入工具智能化管理流程中。 3. 倉儲物流LBS環境分析與地圖支持

• 環境分析

區別於前述物資倉儲的自然環境，這裡提及的環境是與定位系統信號傳輸相關的幹擾性環境：倉儲環境的金屬結構、大面積玻璃結構、液體倉儲、其它藍牙信號等。明確上述環境因素對定位信號傳輸可能造成的影響，形成專門的影響因素分析、特性算法版本、排除幫助功能模塊，實現針對特殊環境的適應性調整。針對BLE信號，倉儲空間的金屬建築結構或金屬儲物框架都會對BLE定位信號傳播過程的能量耗散，影響定位結果的精度並造成一定時延；液體倉儲時其自身會對BLE信號形成吸收，造成定位信號的漂移；其它藍牙信號如果信道正好分佈在2401MHz至2481MHz的范圍內或靠近的信道且信號強度較大，則較大可能對BLE定位傳輸信號。對於上述提及的信道靠近或大能量信號的幹擾因素，通常可以利用更多的信道選擇跨度，可以實現幹擾因素的規避。而對於建築材料結構和倉儲物液體對BLE信號的幹擾，需要研發相應的補償算法應對此種特殊環境。

• 地圖支持

面向物流倉儲空間的LBS實現需要提供一定精確程度的區域地圖，且地圖像素與現實場景尺寸可提供一定的對應關系。如果是多層空間，可區分為不同的地圖層，通過目標位點在不同地圖間的轉換，實現空間平面的切換。針對非標準格式的場景地圖，明確其內置的坐標參考系與WGS-84參考系或墨卡托投影坐標的對應關系。特別是偽三維場景地圖，需要確認圖像在三個坐標尺度上與實際場景生成的對應方式。此外，地圖中環境要素能較高程度還原現實場景的限制要素和要素之間相對位置關系。地圖需要較豐富的圖層結構，涉及瞭底圖圖層、模型圖層、文本標簽圖層、公共設施圖層等；並且支持多種標註物，目標可支持的標註物：定位標註物、圖片標註物、線標註物。地圖的接口具備較高的開放程度，提供豐富的地圖API，方便快速開發相應的功能與服務。 4. 硬件模塊與系統架構

• 硬件模塊

LBS系統的硬件組成模塊包括定位與綜合感知終端、定位基站、網絡連接與交換設備、配額與引擎服務器以及平臺支撐集群五個模塊，不同模塊硬件設備分別承擔數據獲取與指令傳達、數據透傳與預處理、數據傳輸與轉發、數據計算與呈現以及資源優化與遠程支持等方面的任務。

• 定位與綜合感知終端

定位與綜合感知終端涉及多種形態的終端設備，物流倉儲空間中預計涵蓋：定位信標（具備簡單定位功能）、定位工牌（定位、識別管理與信息傳遞）、資產標簽（定位與環境監測）、穿戴設備（定位、區域控制、健康管理與環境監測）、手機移動終端和專用移動終端等。 定位信標隻具備簡單的定位功能，信標通過向固定位置基站傳送AoA初始定位參數的BLE定位信號，定位數據經過基站透傳至服務端，服務端對相應數據進行解算實現對信標位置結果輸出和呈現。此外，基礎的定位信標可加入狀態機的模式轉換，基站可在多種模式下轉換（不同的工作模式以工作頻率和功耗作為區分），特別是加入休眠模式以提升信標的續航；信標的具備接收服務端下發的告警信息並作為震動、蜂鳴等反饋動作的功能。 定位工牌是針對工作場景下員工的定位標簽，除瞭最基本的定位、模式轉換和告警接收功能，定位工牌寫入並可讀取員工相關信息，對倉儲空間的業務操作人員位置管理和調度提供基礎數據支撐。部分帶有顯示屏幕的定位工牌，可實現對服務端下發的較復雜文字和圖片信息進行呈現。 資產標簽除瞭定位標簽的三個基本功能，主要涉及物資倉儲環境監測方面的功能。貨物倉儲涵蓋不同產品類別：蔬果生鮮、包裝醫藥食品、工業性原材料與制成品、電子消費產品、服裝鞋帽、傢裝傢私等，因此針對不同倉儲物資，監測物理參量分為空氣質量相關、溫濕度相關、噪聲相關、運動相關和其它相關參量。空氣質量相關參量：O2濃度、N2濃度、CO2濃度、CO濃度、SO2濃度、NOx濃度、粉塵顆粒濃度溫濕度相關參量：環境溫度、環境濕度運動相關參量：加速度、位置（經緯度、WGS-84坐標）其它相關參量：光照強度、壓強 穿戴設備在物流倉儲環境中包括不同的形態，頭盔、靴子、手套和手環等，其中都內置瞭基礎定位模塊的基本功能。頭盔可以根據目標環境條件（參考資產信標的環境監測）以涵蓋必要相關參量的監測；靴子和手套作為穿戴定位設備則主要是簡單的定位功能；手環則可以根據覆蓋頭盔的全部功能以外，對人員健康狀況的相關參量（心率、血壓和血氧飽和度等）進行測量獲取，防止工作中出現極端健康狀況。 手機移動終端則是將倉儲物流場景中的工作人員手機作為定位終端，除非是專門的定制機型，一般情況隻具備基礎信標的定位功能。定制開發的移動App則可能附加區位控制、線路規劃和信息展示等附加功能。 專用移動終端是針對倉儲物流空間LBS的定制開發的終端設備，除瞭基本的定位三項功能，還可以增加復雜信息的下發顯示與現場信息的錄入上傳。同時，作為智能移動終端，也應具備ERP工作流程控制處理的關鍵功能。

• 定位基站/網關

定位基站是作為整個定位系統中信號處理與數據透傳的核心中轉節點，其固定在物流倉儲空間中的確定已知位置。定位基站位置測量精確性將很大程度上影響最終定位結果的準確性。

• 網絡連接與交換設備

在整個LBS網絡系統中，定位與綜合感知終端和定位基站/網關利用電磁波通信協議進行通信和數據交換；基站端與服務端或平臺支撐集群是通信連接通過有線網絡或無線通信，通過有線連接時需要經由交換機對數據進行轉發；服務端與平臺支撐集群也是通過有線連接通信，通過鏈路中交換機與路由進行數據包的轉發和轉換。網絡交換機，作為一個擴大網絡的器材，能為子網絡中提供更多的連接端口，以便連接更多的中轉設備或終端設備。PoE交換機在提供網絡連接任務的同時，還提供相應的供電功能。PoE交換機端口支持輸出功率達15.4W或30W，符合IEEE802.3af/802.3at標準，通過網線供電的方式為標準的PoE終端設備供電，免去額外的電源佈線。符合IEEE802.3at PoE交換機，端口輸出功率可以達到30W，受電設備可獲得的功率為25.4W。

• 業務平臺支撐集群

業務平臺支撐集群並非必須的組成部分，主要針對大容量支撐與復雜功能處理的二次集成應用，部分項目還能需要遠端災備功能。平臺支撐集群的組成包括計算資源、存儲資源與內外網絡資源。各項資源的數量需求針對應用場景終端支持體量、延遲時間要求、應用復雜程度等方面綜的要求和考慮經濟型、冗餘度與安全性等指標，進行硬件配置與軟件設計。 5. LBS系統架構 LBS系統的基本架構包括感知層、網絡層、引擎層（支撐層）與應用層。感知層涵蓋基本的感知物聯終端包括由控制器連接的傳感器和執行器；定位基站（也可充當網關作用）連接的定位信標固定端——貨物、叉車、人員與AGV；射頻識別終端連接RFID標簽或貨物二維碼。網絡層主要有網絡中間設備（路由器、交換機）和網絡線纜。服務端資源包括瞭上端集成計算服務器、基礎定位引擎服務器、存儲服務器以及服務器間的連接線纜資源。部分物流倉儲項目需具備遠端控制與災備資源。

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圖1 LBS定位系統架構 應用端涵蓋多種不同的顯示硬件形態，包括具備顯示效果的采集終端、投屏看板、中控大屏、桌面端計算機、手機等。其中的服務應用包括瞭多種形態，可針對更為豐富復雜的服務應用進行二次集成開發，可支撐對潛在上層用戶對圍欄報警、軌跡查詢和熱點分佈等應用功能的位置數據支持。 6. LBS系統功能實現

• 基本業務流程

圖2 倉儲物流業務流程框架 業務系統可基於專線網絡、內部網絡或外部互聯網環境，推薦采用B/S模式進行開發。如上圖所示，平臺整體上設計並實現的業務系統包括BLE通信管理、物品入庫、出庫管理，物品在庫管理（包括在庫物品監控、查詢和盤點）、貨位優化管理、合同管理、報表管理、費用管理、系統管理等模塊。從而使整個基於物聯網技術的倉儲管理系統無縫連接，完整實現信息采集、倉儲物品識別、倉儲物品監控、後臺服務器維護及本地數據庫維護等功能。

• 特定場景管理

1）針對廠內物流覆蓋區域部署定位基站，物料框綁定墨水屏定位標簽，人員佩戴相應的工牌標簽；通過精準定位，工人把物料框直接推到庫位上，自動完成入庫、出庫、移庫，不再需要掃碼流程；通過墨水屏標簽，明顯的顯示物料號，類別，工藝，數量，生產單號等信息。2）針對轉運物流在轉運廠內部署定位基站，在PDA上粘貼安裝定位標簽。貨物在垛口卸車時，在PDA掃描貨物條形碼同時進行定位（WMS系統從定位系統裡面獲取PDA位置，即為該貨物的位置）。貨物運送到指定庫位時，再次用PDA掃描貨物條形碼，完成貨物上架入庫，並記錄該貨物最終位置。找貨/出貨時，隻需要輸入貨物條形碼，即可知道該貨物真實存放位置。3）針對電商物流針對電商行業物流倉儲特點，庫存周轉快、進出庫效率要求高、品類豐富（SKU量大）、商品規格差異大、出庫訂單SKU數少的特點，在貨物標簽端貨物品類信息建立多層次的字段結構。場內物流與轉運物流的功能基礎上，LBS服務可建立針對電商物流倉儲品類進出庫組合規律的數據分析子系統，針對進出庫的貨品頻次、體量與組合規律，不斷調整和變化貨物倉儲的位置、字段層次規律與在庫體量。4）針對吊運工具在行吊天車位置納入坐標管理，將采集的(x, y, z)軸的位置數據的上傳至平臺，基於吊裝端與貨物的匹配，實現對貨物的通過三維可視化實現入庫、出庫、移庫的管理，減少人力投入，提高智能化管理水平。5）針對人車安全車輛安裝車載定位標簽及聲光報警器，人員佩戴相應標簽。人車距離小於設定的預警區域安全值，報警器發出閃爍提示；人車距離小於設定的報警區域安全值，報警器發出聲光提示；系統具備免報功能。

• 系統的擴展性

LBS系統可針對物流倉儲場景下的新需求、新算法與新應用提供基礎的數據API接口、當前狀態分析、Debug分析界面，為系統未來的新應用落地實行提供數據與工具基礎。基站端可對不同的信標端感知數據進行透傳，針對不同的倉儲場景需求，信標端可獲取對應區分的環境或監測數據等。業務系統平臺可調用該LBS的基礎數據接口驗證自身算法模型的有效性，並添加相應新增功能。系統的可擴展開放性能通過在物流倉儲管理場景下尋找各種細分領域或場景下的更優模型與算法，不斷更新和提升平臺內部數據架構和算法模型引擎。 7. 基於藍牙AoA定位的倉儲物流LBS精準定位解決方案 上面我們針對倉儲物流行業的LBS定位解決方案需求進行分析，核芯物聯基於藍牙AoA高精度定位技術的定位產品，在倉儲物流行業的場景中得到瞭很好的應用。

• 藍牙AoA定位基礎原理

BLE AoA定位基站根據AoA到達角（Angle of Arrival）算法原理，基站是一個多個天線陣列數組的設備，定位信標作為發射器，假設無線電波作為平面波面而非球形。如果測量空間中發送正弦波的發射器，位於與數組線垂直的法線，則數組中的每個天線將接收相同相位的輸入訊號。如果發射器不在法線，則接收天線將測量信道之間的相位差，利用相位差信息估算到達角度。

圖3 AoA定位的信號處理過程

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圖4 AoA定位的幾何原理

• 核芯物聯藍牙AoA定位系統結構及數據流

圖5 藍牙AoA定位系統架構及數據流

• 藍牙AoA定位系統拓撲

圖6 藍牙AoA定位系統拓撲

• 定位業務系統：通過獲取定位引擎解算後的數據，實時顯示人員、資產等位置信息，及位置大數據統計分析應用。
• 服務器&定位引擎：高精度自適應定位引擎算法解算信標信號，獲取人員實時精準位置信息。
• PoE交換機及網絡設備：安裝於現場，用於定位基站供電與數據通信。
• 定位基站：安裝於現場，基於核芯物聯2.4GHz AoA（到達角）定位技術，接收定位信標信號。
• 定位信標：佩戴於人員或者固定在資產物品上，發射定位信息。

• 基於藍牙AoA定位的LBS系統功能

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圖7 基於藍牙AoA定位的LBS系統功能 8.基於核芯物聯的藍牙AoA定位的智慧倉儲定位管理應用案例 應用案例1：全球首個5G+藍牙AoA定位智能制造倉儲定位商用 應用案例2：智能倉儲定位管理應用 應用案例3：利用藍牙AoA定位快速找貨 應用案例4：叉車定位管理貨物智能出入庫 9.關於核芯物聯 深圳核芯物聯科技，國內第1傢正向自主研發量產2.4G AOA/藍牙AOA/藍牙AOA Plus高精度融合精準定位基站及算法引擎的廠傢，致力於核心自主技術突破與應用的創新型公司。 核芯物聯成立以來，成功推出瞭多款基於AoA/AoD算法的室內高精度定位基站，是國內第一傢正向自主研發量產2.4G藍牙AoA定位基站及應用藍牙AoA Plus融合定位方案的廠商，引領瞭基於低功耗BLE藍牙方案的亞米級定位技術攻關與核心設備國產化趨勢。