Системы определения местоположения в реальном времени ( RTLS ), также известные как системы отслеживания в реальном времени , используются для автоматического определения и отслеживания местоположения объектов или людей в реальном времени , обычно в пределах здания или другой ограниченной области. Беспроводные метки RTLS прикрепляются к объектам или носят люди, и в большинстве RTLS фиксированные опорные точки получают беспроводные сигналы от меток для определения их местоположения. [1] Примерами систем определения местоположения в реальном времени являются отслеживание автомобилей на сборочной линии , поиск поддонов с товарами на складе или поиск медицинского оборудования в больнице.
Физический уровень технологии RTLS часто представляет собой радиочастотную (РЧ) связь. Некоторые системы используют оптическую (обычно инфракрасную ) или акустическую (обычно ультразвуковую ) технологию с или вместо РЧ, метками RTLS. А фиксированные опорные точки могут быть передатчиками , приемниками или и теми, и другими, что приводит к многочисленным возможным комбинациям технологий.
RTLS — это форма локальной системы позиционирования , которая обычно не относится к GPS или отслеживанию с помощью мобильного телефона . Информация о местоположении обычно не включает скорость, направление или пространственную ориентацию.
Термин RTLS был создан (около 1998 года) на выставке ID EXPO Тимом Харрингтоном (WhereNet), Джеем Вербом (PinPoint) и Бертом Муром (Automatic Identification Manufacturers, Inc., AIM). Он был создан для описания и дифференциации новой технологии , которая не только обеспечивала возможности автоматической идентификации активных RFID- меток, но и добавляла возможность просмотра местоположения на экране компьютера. Именно на этой выставке PinPoint и WhereNet продемонстрировали первые примеры коммерческой радиосистемы RTLS. Хотя эта возможность ранее использовалась военными и правительственными агентствами, технология была слишком дорогой для коммерческих целей. В начале 1990-х годов первые коммерческие RTLS были установлены в трех медицинских учреждениях в Соединенных Штатах и были основаны на передаче и декодировании инфракрасных световых сигналов от активно передающих меток. С тех пор появилась новая технология, которая также позволяет применять RTLS к пассивным приложениям меток.
RTLS обычно используются в закрытых помещениях и/или ограниченных пространствах, таких как здания, и не обеспечивают глобального покрытия, как GPS . Метки RTLS прикрепляются к мобильным объектам, таким как оборудование или персонал, для отслеживания или управления. Опорные точки RTLS, которые могут быть как передатчиками, так и приемниками, размещаются по всему зданию (или аналогичной интересующей области) для обеспечения желаемого покрытия метками. В большинстве случаев, чем больше опорных точек RTLS установлено, тем выше точность определения местоположения, пока не будут достигнуты технологические ограничения.
Ряд разрозненных системных конструкций называются «системами определения местоположения в реальном времени». Двумя основными элементами системной конструкции являются определение местоположения в узких местах и определение местоположения в относительных координатах.
Простейшая форма определения местоположения точки засора заключается в том, что сигналы идентификации с короткого расстояния от движущейся метки принимаются одним фиксированным считывателем в сенсорной сети, что указывает на совпадение местоположения считывателя и метки. В качестве альтернативы идентификатор точки засора может быть получен движущейся меткой, а затем передан, как правило, через второй беспроводной канал, на процессор определения местоположения. Точность обычно определяется сферой, охватываемой досягаемостью передатчика или приемника точки засора. Использование направленных антенн или технологий, таких как инфракрасные или ультразвуковые, которые блокируются перегородками комнаты, может поддерживать точки засора различной геометрии. [2]
Сигналы ID от метки принимаются множеством считывателей в сенсорной сети , а местоположение оценивается с использованием одного или нескольких алгоритмов определения местоположения, таких как трилатерация , мультилатерация или триангуляция . Эквивалентно, сигналы ID от нескольких опорных точек RTLS могут быть получены меткой и переданы обратно в процессор определения местоположения. Локализация с несколькими опорными точками требует, чтобы расстояния между опорными точками в сенсорной сети были известны для точного определения местоположения метки, а определение расстояний называется ранжированием .
Другой способ вычисления относительного местоположения — через мобильные теги, взаимодействующие друг с другом. Тег(и) затем передадут эту информацию процессору местоположения.
Радиочастотная трилатерация использует предполагаемые диапазоны от нескольких приемников для оценки местоположения метки. Радиочастотная триангуляция использует углы, под которыми радиочастотные сигналы поступают на несколько приемников, для оценки местоположения метки. Многие препятствия, такие как стены или мебель, могут искажать предполагаемые диапазоны и показания углов, что приводит к различным качествам оценки местоположения. Локализация на основе оценки часто измеряется с точностью для заданного расстояния, например, с точностью 90% для диапазона 10 метров.
Некоторые системы используют технологии определения местоположения, которые не могут проходить сквозь стены, например, инфракрасные или ультразвуковые. Для надлежащей связи им требуется прямая видимость (или близкая к прямой видимости). В результате они, как правило, более точны в помещениях.
RTLS может использоваться в многочисленных логистических и операционных областях для:
RTLS может рассматриваться как угроза конфиденциальности при использовании для определения местонахождения людей. Недавно провозглашенное право человека на информационное самоопределение дает право не допускать раскрытия своей личности и персональных данных другим лицам, а также охватывает раскрытие местонахождения, хотя это обычно не применяется к рабочему месту .
Несколько видных профсоюзов выступили против использования систем RTLS для отслеживания работников, назвав их «началом Большого брата » и « вторжением в частную жизнь ». [5]
Современные технологии отслеживания местоположения могут использоваться для точного определения местоположения пользователей мобильных устройств несколькими способами. Во-первых, поставщики услуг имеют доступ к сетевым и телефонным технологиям, которые могут определять местоположение телефона в экстренных случаях. Во-вторых, историческое местоположение часто можно определить из записей поставщика услуг. В-третьих, другие устройства, такие как точки доступа Wi-Fi или IMSI-ловушки, могут использоваться для отслеживания находящихся поблизости мобильных устройств в режиме реального времени. Наконец, гибридные системы позиционирования объединяют различные методы в попытке преодолеть недостатки каждого отдельного метода. [6]
Существует множество концепций и конструкций систем, обеспечивающих определение местоположения в реальном времени. [7]
Общая модель для выбора наилучшего решения для задачи определения местоположения была разработана в Университете Радбуда в Неймегене . [22] Многие из этих ссылок не соответствуют определениям, данным в международной стандартизации ISO/IEC 19762-5 [23] и ISO/IEC 24730-1. [24] Однако некоторые аспекты производительности в реальном времени обслуживаются, а аспекты определения местоположения рассматриваются в контексте абсолютных координат.
В зависимости от используемой физической технологии для определения местоположения применяется как минимум один, а часто и комбинация методов измерения дальности и/или угла:
На локацию в реальном времени влияет множество ошибок. Многие из основных причин связаны с физикой локационной системы и не могут быть уменьшены путем улучшения технического оборудования.
Многие системы RTLS требуют прямой и четкой видимости линии прямой видимости. Для тех систем, где нет видимости от мобильных меток до фиксированных узлов, не будет никакого результата или будет недействительный результат от поисковой системы . Это относится к поиску спутников, а также к другим системам RTLS, таким как угол прибытия и время прибытия. Дактилоскопирование — это способ преодоления проблемы видимости: если местоположения в области отслеживания содержат отдельные отпечатки измерений, линия прямой видимости не обязательно нужна. Например, если каждое местоположение содержит уникальную комбинацию показаний мощности сигнала от передатчиков, система определения местоположения будет работать должным образом. Это верно, например, для некоторых решений RTLS на основе Wi-Fi. Однако наличие отдельных отпечатков мощности сигнала в каждом местоположении обычно требует довольно высокой насыщенности передатчиков.
Измеренное местоположение может оказаться полностью ошибочным. Это обычно является результатом простых операционных моделей для компенсации множественности источников ошибок. Оказывается невозможным обслуживать правильное местоположение после игнорирования ошибок.
Реальное время не является зарегистрированным брендом и не имеет собственного качества. Под этим термином скрывается множество предложений. Поскольку движение вызывает изменение местоположения, неизбежно время задержки для вычисления нового местоположения может быть доминирующим в отношении движения. Либо система RTLS, требующая ожидания новых результатов, не стоит своих денег, либо операционная концепция, требующая более быстрых обновлений местоположения, не соответствует подходу выбранной системы.
Местоположение никогда не будет сообщено точно , так как термин «реальное время» и термин «точность» напрямую противоречат друг другу в аспектах теории измерений, а термин «точность» и термин «стоимость» противоречат друг другу в аспектах экономики. Это не исключение точности, но ограничения с более высокой скоростью неизбежны.
Распознавание сообщаемого местоположения стабильно, помимо физического присутствия, обычно указывает на проблему недостаточного переопределения и отсутствия видимости по крайней мере по одной линии от резидентных якорей до мобильных транспондеров. Такой эффект вызван также недостаточными концепциями для компенсации потребностей калибровки.
Шум от различных источников оказывает хаотичное влияние на стабильность результатов. Стремление обеспечить устойчивый внешний вид увеличивает задержку, противоречащую требованиям реального времени.
Поскольку объекты, содержащие массу, имеют ограничения на прыжки, такие эффекты в основном выходят за рамки физической реальности. Прыжки в сообщаемое местоположение, не видимое самим объектом, как правило, указывают на неправильное моделирование с помощью движка местоположения. Такой эффект вызван изменением доминирования различных вторичных реакций.
Местоположение находящихся объектов сообщается движущимся, как только принятые меры смещаются вторичными отражениями пути с увеличивающимся весом с течением времени. Такой эффект вызван простым усреднением и указывает на недостаточную дискриминацию первых эхо-сигналов.
Основные вопросы RTLS стандартизированы Международной организацией по стандартизации и Международной электротехнической комиссией в серии стандартов ISO/IEC 24730. В этой серии стандартов базовый стандарт ISO/IEC 24730-1 определяет термины, описывающие форму RTLS, используемую рядом поставщиков, но не охватывает весь объем технологии RTLS.
В настоящее время опубликовано несколько стандартов:
Эти стандарты не предусматривают какой-либо специальный метод вычисления местоположений, ни метод измерения местоположений. Это может быть определено в спецификациях для трилатерации, триангуляции или любых гибридных подходов к тригонометрическим вычислениям для плоских или сферических моделей земной поверхности.
В области применения RTLS в здравоохранении были опубликованы различные исследования, в которых обсуждались ограничения в настоящее время принятого RTLS. Используемые в настоящее время технологии RFID, Wi-Fi, UWB, все основанные на RFID, опасны в смысле помех чувствительному оборудованию. Исследование, проведенное доктором Эриком Яном ван Лисхаутом из Академического медицинского центра Амстердамского университета, опубликованное в JAMA ( Журнал американского медицинского оборудования ) [27], утверждало, что «RFID и UWB могут вывести из строя оборудование, на которое полагаются пациенты», поскольку «RFID вызывали помехи в 34 из 123 проведенных ими тестов». Первый поставщик Bluetooth RTLS в медицинской отрасли поддерживает это в своей статье: «Тот факт, что RFID нельзя использовать вблизи чувствительного оборудования, сам по себе должен быть красным флагом для медицинской промышленности». [28] Журнал RFID отреагировал на это исследование, не отрицая его, а объясняя реальное решение: «Исследование Purdue не выявило никакого эффекта, когда системы сверхвысокой частоты (УВЧ) находились на разумном расстоянии от медицинского оборудования. Поэтому размещение считывателей в подсобных помещениях, около лифтов и над дверями между крыльями или отделениями больницы для отслеживания активов не является проблемой». [29] Однако случай «соблюдения разумного расстояния» может все еще оставаться открытым вопросом для тех, кто внедряет технологию RTLS и поставщиков в медицинских учреждениях.
Во многих приложениях очень сложно и в то же время важно сделать правильный выбор среди различных технологий связи (например, RFID, WiFi и т. д.), которые может включать RTLS. Неправильные решения по проектированию, принятые на ранних этапах, могут привести к катастрофическим результатам для системы и значительным потерям денег на исправление и перепроектирование. Для решения этой проблемы была разработана специальная методология исследования пространства проектирования RTLS. Она состоит из таких этапов, как моделирование, спецификация требований и проверка, в единый эффективный процесс. [30]