物流仓储LBS精准定位解决方案需求及应用

来源：搜狐资讯 | 2022-06-08 14:01

　　1.仓储物流LBS定位管理需求背景

　　仓储物流行业总体区分为制造业仓储、第三方物流、电商自建物流。不同物流仓储体系的LBS (Location Based Services) 应用对象、场景环境、约束目标均存在一定差异，因此在功能细节、系统架构和运维支持等方面需要进行相应的差异化设计与安排。

　　制造业仓储存在大量的原材料、零部件、半成品和成品的仓储转运，针对不同行业的物资类型，需要根据材料特性、环境耐受、监测时效等方面的要求在信标端、基站端和服务端进行传感器参量、传输策略、分析存储和控制展现的特异性设计；第三方物流一般是指应对各种跨行业、广对象、强通用的物流仓储体系服务提供商，第三方物流虽然在服务产品的提供上存在常温、冷链、超低温，航空、公路、铁路、海运等方面的区别，但物资的仓储和运送空间在不同时刻存在不同货物类型和不同货品客户方，通常面向货品大类的通用性而不针对特定产品的定制化需求；电商自建物流的特性通常由电商方自身的行业定位决定，3C、服装类电商的仓储物流类似于制造业仓储的成品仓储与转运，生鲜、医药类电商则类似第三方物流中冷链专门仓储物流提供商，通用类电商的自建物流则类似于全品类的第三方物流。

　　针对上述的不同物流仓储场景，LBS服务的目标在于通过对货品、工具、人员的位置或周边环境参量(准)实时获取与分析，实现货品入库→仓储→出库的全程闭环精细化管理，提升仓储环境的适应性、人员作业的规范化、流程标准的高效性以及工具装置的智能化，最终使得仓储物流的整体过程降耗增效。

　　2. 仓储物流LBS定位系统需求

　　仓储环境的适应性

　　根据仓储物资类型区别，仓储环境需要作出相应的适应性变更。例如，生鲜和药品对仓储环境的温湿度条件有较为严苛的要求，部分药品需要低温（或超低温）干燥仓储，蔬果绿叶类生鲜在低温仓储同时要求环境保持一定的湿度。因此，针对不同区位的仓储环境获取较为全面准确的环境参量数据将是提升仓储质量的关键环节。通常环境监测物理参量分为空气质量相关、温湿度相关、噪声相关、电磁环境相关、运动相关和其它相关参量。物流仓储的关注环境中，需要对其中的空气质量相关(O2浓度、N2浓度、CO2浓度、CO浓度、SO2浓度、NOx浓度等)、温湿度相关(环境温度、环境湿度)、运动相关(加速度、位置) 和其它相关 (光照强度)。

　　信标作为终端接触的实体，需通过内嵌传感部件和相应的处理电路实现对相应物理参量的感知获取。针对不同仓储环境的差异，信标板路在设计阶段尽可能预留全部参量种类的传感部件和关联电路的板位，然后根据具体项目建设需求在不同的批量实现不同的部件与电路贴片。

　　对于仓储空间中物资、人员和工具的位置运动与周边环境状态变化，信标端实现感知获取相应状态参量，服务端或平台端实现对状态参量原始值处理后的分析判断、全局展示、警示呈现、信息下发和报表回溯。远程平台端可实现对不同位点仓储空间环境的全方位、全时域、全层级的综合管理，可完成跨地查询和信息接收。

　　人员作业的规范化

　　仓储物流区域的人员作业通常会横跨不同的仓库的不同的功能分区，单一的区域内也会触及不同的具体位置。工作人员在一定的时间域范围内被期望出现在相应的操作空间区域，人员的操作位置区域与被期望执行的作业操作也存在较强的关联关系。

　　构建基于定位系统LBS的人员位置管理与作业关联功能，提升仓储作业人员的操作执行规范性。根据工作人员在相应时间序列下空间区位与预期操作执行的关联关系，完成对工作人员显著位置偏离或操作失常识别、警报或预先提示。LBS系统可获取并生成人员操作相关的警示记录，并定期生成相应的报表。

　　此外，系统在必要时刻通过向人员佩戴（或携带）的终端信标下发特殊指令以实现紧急通知、区域限制、危险告警等与时空区位关联紧密的管控指令传递。

　　流程标准的高效性

　　物流仓储过程中，仓储物资标的从抵达、堆放、分仓、入库、寻址、出库和装车的全流程涉及一系列标准化操作，且在不同流程阶段涉及不同的区位、人员、动作、工具使用和环境要求。

　　基于信标终端位置数据的原始获取与环境地图处理结合，实现人员、工具和物资实时定位；部分信标还可获取环境参量信息，参量种类涉及空气质量相关、温湿度相关、噪声相关、运动相关和其它相关参量；基于这些参量数值历史规律与理论分析构建环境参量与操作控制的关联模型，建立时间、人员、物资、区位与环境参量的量化关联关系、效率及安全约束条件，提升操作流程的效率与安全管理。

　　工具装置的智能化

　　仓储物流场景中，作业流程可能涉及大量的操作工具：仓储货架、叉车、内部推车、吊装工具、传送履带。不同的工具关联相应的仓储物资、流程操作和空间区位，工具装置基于自身的时空区位或操作对象的时空区位可自动采取一系列的操作动作，实现仓储流程的效率提升。

　　在各类仓储环境中，最常用的智能化工具即是AGV，通过针对AGV的定位与运动控制实现相应的物资运送节点控制；通过对叉车、推车和吊装工具端点的位置控制，针对不规范的操作和工具故障进行操作预警，并将相应功能嵌入工具智能化管理流程中。

　　3. 仓储物流LBS环境分析与地图支持

　　环境分析

　　区别于前述物资仓储的自然环境，这里提及的环境是与定位系统信号传输相关的干扰性环境：仓储环境的金属结构、大面积玻璃结构、液体仓储、其它蓝牙信号等。明确上述环境因素对定位信号传输可能造成的影响，形成专门的影响因素分析、特性算法版本、排除帮助功能模块，实现针对特殊环境的适应性调整。

　　针对BLE信号，仓储空间的金属建筑结构或金属储物框架都会对BLE定位信号传播过程的能量耗散，影响定位结果的精度并造成一定时延；液体仓储时其自身会对BLE信号形成吸收，造成定位信号的漂移；其它蓝牙信号如果信道正好分布在2401MHz至2481MHz的范围内或靠近的信道且信号强度较大，则较大可能对BLE定位传输信号。对于上述提及的信道靠近或大能量信号的干扰因素，通常可以利用更多的信道选择跨度，可以实现干扰因素的规避。而对于建筑材料结构和仓储物液体对BLE信号的干扰，需要研发相应的补偿算法应对此种特殊环境。

　　地图支持

　　面向物流仓储空间的LBS实现需要提供一定精确程度的区域地图，且地图像素与现实场景尺寸可提供一定的对应关系。如果是多层空间，可区分为不同的地图层，通过目标位点在不同地图间的转换，实现空间平面的切换。

　　针对非标准格式的场景地图，明确其内置的坐标参考系与WGS-84参考系或墨卡托投影坐标的对应关系。特别是伪三维场景地图，需要确认图像在三个坐标尺度上与实际场景生成的对应方式。

　　此外，地图中环境要素能较高程度还原现实场景的限制要素和要素之间相对位置关系。地图需要较丰富的图层结构，涉及了底图图层、模型图层、文本标签图层、公共设施图层等；并且支持多种标注物，目标可支持的标注物：定位标注物、图片标注物、线标注物。地图的接口具备较高的开放程度，提供丰富的地图API，方便快速开发相应的功能与服务。

　　4. 硬件模块与系统架构

　　硬件模块

　　LBS系统的硬件组成模块包括定位与综合感知终端、定位基站、网络连接与交换设备、配额与引擎服务器以及平台支撑集群五个模块，不同模块硬件设备分别承担数据获取与指令传达、数据透传与预处理、数据传输与转发、数据计算与呈现以及资源优化与远程支持等方面的任务。

　　定位与综合感知终端

　　定位与综合感知终端涉及多种形态的终端设备，物流仓储空间中预计涵盖：定位信标（具备简单定位功能）、定位工牌（定位、识别管理与信息传递）、资产标签（定位与环境监测）、穿戴设备（定位、区域控制、健康管理与环境监测）、手机移动终端和专用移动终端等。

　　定位信标只具备简单的定位功能，信标通过向固定位置基站传送AoA初始定位参数的BLE定位信号，定位数据经过基站透传至服务端，服务端对相应数据进行解算实现对信标位置结果输出和呈现。此外，基础的定位信标可加入状态机的模式转换，基站可在多种模式下转换（不同的工作模式以工作频率和功耗作为区分），特别是加入休眠模式以提升信标的续航；信标的具备接收服务端下发的告警信息并作为震动、蜂鸣等反馈动作的功能。

　　定位工牌是针对工作场景下员工的定位标签，除了最基本的定位、模式转换和告警接收功能，定位工牌写入并可读取员工相关信息，对仓储空间的业务操作人员位置管理和调度提供基础数据支撑。部分带有显示屏幕的定位工牌，可实现对服务端下发的较复杂文字和图片信息进行呈现。

　　资产标签除了定位标签的三个基本功能，主要涉及物资仓储环境监测方面的功能。货物仓储涵盖不同产品类别：蔬果生鲜、包装医药食品、工业性原材料与制成品、电子消费产品、服装鞋帽、家装家私等，因此针对不同仓储物资，监测物理参量分为空气质量相关、温湿度相关、噪声相关、运动相关和其它相关参量。

　　空气质量相关参量：O2浓度、N2浓度、CO2浓度、CO浓度、SO2浓度、NOx浓度、粉尘颗粒浓度

　　温湿度相关参量：环境温度、环境湿度

　　运动相关参量：加速度、位置（经纬度、WGS-84坐标）

　　其它相关参量：光照强度、压强

　　穿戴设备在物流仓储环境中包括不同的形态，头盔、靴子、手套和手环等，其中都内置了基础定位模块的基本功能。头盔可以根据目标环境条件（参考资产信标的环境监测）以涵盖必要相关参量的监测；靴子和手套作为穿戴定位设备则主要是简单的定位功能；手环则可以根据覆盖头盔的全部功能以外，对人员健康状况的相关参量（心率、血压和血氧饱和度等）进行测量获取，防止工作中出现极端健康状况。

　　手机移动终端则是将仓储物流场景中的工作人员手机作为定位终端，除非是专门的定制机型，一般情况只具备基础信标的定位功能。定制开发的移动App则可能附加区位控制、线路规划和信息展示等附加功能。

　　专用移动终端是针对仓储物流空间LBS的定制开发的终端设备，除了基本的定位三项功能，还可以增加复杂信息的下发显示与现场信息的录入上传。同时，作为智能移动终端，也应具备ERP工作流程控制处理的关键功能。

　　定位基站/网关

　　定位基站是作为整个定位系统中信号处理与数据透传的核心中转节点，其固定在物流仓储空间中的确定已知位置。定位基站位置测量精确性将很大程度上影响最终定位结果的准确性。

　　网络连接与交换设备

　　在整个LBS网络系统中，定位与综合感知终端和定位基站/网关利用电磁波通信协议进行通信和数据交换；基站端与服务端或平台支撑集群是通信连接通过有线网络或无线通信，通过有线连接时需要经由交换机对数据进行转发；服务端与平台支撑集群也是通过有线连接通信，通过链路中交换机与路由进行数据包的转发和转换。

　　网络交换机，作为一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的中转设备或终端设备。PoE交换机在提供网络连接任务的同时，还提供相应的供电功能。PoE交换机端口支持输出功率达15.4W或30W，符合IEEE802.3af/802.3at标准，通过网线供电的方式为标准的PoE终端设备供电，免去额外的电源布线。符合IEEE802.3at PoE交换机，端口输出功率可以达到30W，受电设备可获得的功率为25.4W。

　　业务平台支撑集群

　　业务平台支撑集群并非必须的组成部分，主要针对大容量支撑与复杂功能处理的二次集成应用，部分项目还能需要远端灾备功能。平台支撑集群的组成包括计算资源、存储资源与内外网络资源。各项资源的数量需求针对应用场景终端支持体量、延迟时间要求、应用复杂程度等方面综的要求和考虑经济型、冗余度与安全性等指标，进行硬件配置与软件设计。

　　5. LBS系统架构

　　LBS系统的基本架构包括感知层、网络层、引擎层（支撑层）与应用层。感知层涵盖基本的感知物联终端包括由控制器连接的传感器和执行器；定位基站（也可充当网关作用）连接的定位信标固定端——货物、叉车、人员与AGV；射频识别终端连接RFID标签或货物二维码。网络层主要有网络中间设备（路由器、交换机）和网络线缆。服务端资源包括了上端集成计算服务器、基础定位引擎服务器、存储服务器以及服务器间的连接线缆资源。部分物流仓储项目需具备远端控制与灾备资源。

图1 LBS定位系统架构

　　应用端涵盖多种不同的显示硬件形态，包括具备显示效果的采集终端、投屏看板、中控大屏、桌面端计算机、手机等。其中的服务应用包括了多种形态，可针对更为丰富复杂的服务应用进行二次集成开发，可支撑对潜在上层用户对围栏报警、轨迹查询和热点分布等应用功能的位置数据支持。

　　6. LBS系统功能实现

　　基本业务流程

图2 仓储物流业务流程框架

　　业务系统可基于专线网络、内部网络或外部互联网环境，推荐采用B/S模式进行开发。如上图所示，平台整体上设计并实现的业务系统包括BLE通信管理、物品入库、出库管理，物品在库管理（包括在库物品监控、查询和盘点）、货位优化管理、合同管理、报表管理、费用管理、系统管理等模块。从而使整个基于物联网技术的仓储管理系统无缝连接，完整实现信息采集、仓储物品识别、仓储物品监控、后台服务器维护及本地数据库维护等功能。

　　特定场景管理

　　1）针对厂内物流

　　覆盖区域部署定位基站，物料框绑定墨水屏定位标签，人员佩戴相应的工牌标签；通过精准定位，工人把物料框直接推到库位上，自动完成入库、出库、移库，不再需要扫码流程；通过墨水屏标签，明显的显示物料号，类别，工艺，数量，生产单号等信息。

　　2）针对转运物流

　　在转运厂内部署定位基站，在PDA上粘贴安装定位标签。货物在垛口卸车时，在PDA扫描货物条形码同时进行定位（WMS系统从定位系统里面获取PDA位置，即为该货物的位置）。货物运送到指定库位时，再次用PDA扫描货物条形码，完成货物上架入库，并记录该货物最终位置。找货/出货时，只需要输入货物条形码，即可知道该货物真实存放位置。

　　3）针对电商物流

　　针对电商行业物流仓储特点，库存周转快、进出库效率要求高、品类丰富（SKU量大）、商品规格差异大、出库订单SKU数少的特点，在货物标签端货物品类信息建立多层次的字段结构。场内物流与转运物流的功能基础上，LBS服务可建立针对电商物流仓储品类进出库组合规律的数据分析子系统，针对进出库的货品频次、体量与组合规律，不断调整和变化货物仓储的位置、字段层次规律与在库体量。

　　4）针对吊运工具

　　在行吊天车位置纳入坐标管理，将采集的(x, y, z)轴的位置数据的上传至平台，基于吊装端与货物的匹配，实现对货物的通过三维可视化实现入库、出库、移库的管理，减少人力投入，提高智能化管理水平。

　　5）针对人车安全

　　车辆安装车载定位标签及声光报警器，人员佩戴相应标签。人车距离小于设定的预警区域安全值，报警器发出闪烁提示；人车距离小于设定的报警区域安全值，报警器发出声光提示；系统具备免报功能。

　　系统的扩展性

　　LBS系统可针对物流仓储场景下的新需求、新算法与新应用提供基础的数据API接口、当前状态分析、Debug分析界面，为系统未来的新应用落地实行提供数据与工具基础。

　　基站端可对不同的信标端感知数据进行透传，针对不同的仓储场景需求，信标端可获取对应区分的环境或监测数据等。

　　业务系统平台可调用该LBS的基础数据接口验证自身算法模型的有效性，并添加相应新增功能。系统的可扩展开放性能通过在物流仓储管理场景下寻找各种细分领域或场景下的更优模型与算法，不断更新和提升平台内部数据架构和算法模型引擎。

　　7. 基于蓝牙AoA定位的仓储物流LBS精准定位解决方案

　　上面我们针对仓储物流行业的LBS定位解决方案需求进行分析，核芯物联基于蓝牙AoA高精度定位技术的定位产品，在仓储物流行业的场景中得到了很好的应用。

　　蓝牙AoA定位基础原理

　　BLE AoA定位基站根据AoA到达角（Angle of Arrival）算法原理，基站是一个多个天线阵列数组的设备，定位信标作为发射器，假设无线电波作为平面波面而非球形。如果测量空间中发送正弦波的发射器，位于与数组线垂直的法线，则数组中的每个天线将接收相同相位的输入讯号。如果发射器不在法线，则接收天线将测量信道之间的相位差，利用相位差信息估算到达角度。