リアルタイム位置特定システム

リアルタイム位置特定システム（RTLS ）は、リアルタイム追跡システムとも呼ばれ、通常は建物内またはその他の密閉されたエリア内で、物体または人の位置をリアルタイムで自動的に識別し追跡するために使用されます。ワイヤレスRTLSタグは物体に取り付けられるか、人が身に着けており、ほとんどのRTLSでは、固定された参照ポイントがタグから無線信号を受信して位置を特定します。 ^[1]リアルタイム位置特定システムの例としては、組立ラインを通る自動車の追跡、倉庫内の商品パレットの位置特定、病院での医療機器の検索などがあります。

RTLS テクノロジの物理層は、多くの場合、無線周波数(RF) 通信です。一部のシステムでは、RF または RTLS タグとともに、または RF の代わりに、光学 (通常は赤外線) または音響 (通常は超音波) テクノロジを使用します。また、固定参照ポイントは送信機、受信機、またはその両方である可能性があり、さまざまなテクノロジの組み合わせが可能です。

RTLS はローカルポジショニングシステムの一種であり、通常はGPSや携帯電話の追跡を指すものではありません。位置情報には通常、速度、方向、空間方向は含まれません。

起源

RTLS という用語は、ID EXPO トレードショーで Tim Harrington (WhereNet)、Jay Werb (PinPoint)、Bert Moore (Automatic Identification Manufacturers, Inc.、AIM) によって作成されました (1998 年頃)。これは、アクティブRFIDタグの自動識別機能を提供するだけでなく、コンピュータ画面で位置を表示する機能も追加した新しいテクノロジを説明し、差別化するために作成されました。このショーで、PinPoint と WhereNet によって、商用無線ベースの RTLS システムの最初の例が示されました。この機能は以前から軍や政府機関によって使用されていましたが、このテクノロジは商用には高価すぎました。1990 年代初頭、最初の商用 RTLS が米国の 3 つの医療施設に設置されました。これは、アクティブに送信するタグからの赤外線信号の送信とデコードに基づいていました。それ以来、RTLS をパッシブタグアプリケーションにも適用できる新しいテクノロジが登場しています。

概念の特定

RTLS は一般に、屋内や建物などの限られた場所で使用され、GPSのようなグローバルなカバレッジは提供しません。RTLS タグは、機器や人員などの移動可能なアイテムに取り付けられ、追跡または管理されます。RTLS 参照ポイントは送信機または受信機のいずれかであり、建物全体 (または同様の対象エリア) に配置され、必要なタグカバレッジを提供します。ほとんどの場合、設置される RTLS 参照ポイントの数が多いほど、技術的な限界に達するまで、位置の精度が向上します。

さまざまなシステム設計はすべて「リアルタイム位置特定システム」と呼ばれます。システム設計の 2 つの主な要素は、チョークポイントでの位置特定と相対座標での位置特定です。

チョークポイントの位置特定

チョークポイントの位置特定で最も単純な形式は、移動するタグからの短距離 ID 信号をセンサーネットワーク内の単一の固定リーダーが受信し、リーダーとタグの位置が一致することを示すというものです。または、チョークポイント識別子を移動するタグで受信し、通常は 2 番目のワイヤレスチャネルを介して位置プロセッサに中継することもできます。精度は通常、チョークポイントの送信機または受信機の到達範囲で広がる球体によって定義されます。指向性アンテナ、または部屋の仕切りによってブロックされる赤外線や超音波などの技術を使用すると、さまざまな形状のチョークポイントをサポートできます。^[2]

相対座標での位置指定

タグからの ID 信号は、センサーネットワーク内の多数のリーダーによって受信され、三辺測量、マルチラテレーション、三角測量などの 1 つ以上の位置特定アルゴリズムを使用して位置が推定されます。同様に、複数の RTLS 参照ポイントからの ID 信号をタグが受信し、位置プロセッサに中継することもできます。複数の参照ポイントによる位置特定では、タグの位置を正確に特定するために、センサーネットワーク内の参照ポイント間の距離がわかっている必要があり、距離の決定は測距と呼ばれます。

相対的な位置を計算するもう 1 つの方法は、モバイルタグが相互に通信することです。タグはこの情報を位置プロセッサに中継します。

位置精度

RF 三辺測量では、複数の受信機からの推定範囲を使用してタグの位置を推定します。RF 三角測量では、RF 信号が複数の受信機に到達する角度を使用してタグの位置を推定します。壁や家具などの多くの障害物により、推定範囲と角度の読み取りが歪む可能性があり、位置推定の品質が変化する可能性があります。推定ベースの位置特定は、多くの場合、特定の距離の精度で測定されます (10 メートルの範囲で 90% の精度など)。

一部のシステムでは、赤外線や超音波など、壁を通過できない位置特定技術を使用しています。これらの技術では、適切に通信するためには見通し線（または見通し線に近い距離）が必要です。そのため、屋内環境では精度が高くなる傾向があります。

アプリケーション

RTLS は、さまざまな物流または運用分野で次のような目的で使用できます。

施設内の資産の位置を特定して管理する（倉庫内の置き忘れた工具カートや病院内の医療機器の位置を特定するなど）
ツールカートが施設から出た場合のアラートなど、オブジェクトが移動したときに通知を作成する
パレット上など、単一の場所に置かれた複数のアイテムのIDを組み合わせる
レストランなどで、食べ物やサービスの配達のために顧客の位置を特定する
刑務所内の警備員が適切な場所にいることを確認するなど、運用エリアの適切な人員レベルを維持する
緊急避難後または避難中に全職員の所在を迅速かつ自動的に把握する
トロント総合病院は、感染症の発生後の隔離時間を短縮するためにRTLSを検討しています。 [ ^3]最近のSARSの発生後、全スタッフの1％が隔離されました。RTLSを使用すると、誰がウイルスにさらされたかについてより正確なデータが得られ、隔離の必要性が軽減される可能性があります。^[3]
患者の緊急治療室での待ち時間、手術室で過ごした時間、退院までの合計時間など、プロセスを通じて人や資産の進行状況を自動的に追跡し、タイムスタンプを付与することで、プロセス改善の取り組みを支援します。
スタッフと患者のモニタリングや、特定の状況での使用に適した機器の提供を通じて医療提供を支援します。この技術により、長時間にわたる手動レポートの保管、電話、スタッフと機器の所在確認が不要になります。^[4]
臨床ケアの配置を通じて急性期ケアのキャパシティ管理を支援する
病院やスタジアムなどの施設内のゲストに道案内を提供する
乳児が病院の出産センターの境界から出た場合に警報やアラームを鳴らして子供の誘拐を防ぐ

プライバシーに関する懸念

RTLS は、人々の居場所を特定するために使用される場合、プライバシーに対する脅威と見なされる可能性があります。新たに宣言された情報自己決定権は、個人の身元や個人データが他人に開示されるのを防ぐ権利を与え、また、居場所の開示も対象としていますが、これは一般に職場には適用されません。

いくつかの著名な労働組合は、労働者を追跡するためのRTLSシステムの使用に反対し、それを「ビッグブラザーの始まり」であり「プライバシーの侵害」と呼んでいる。^[5]

現在の位置追跡技術は、いくつかの方法でモバイルデバイスのユーザーを特定するために使用できます。まず、サービスプロバイダーは、緊急時に電話の位置を特定できるネットワークベースおよびハンドセットベースの技術にアクセスできます。次に、サービスプロバイダーの記録から過去の位置を判別できることがよくあります。3 番目に、Wi-Fi ホットスポットや IMSI キャッチャーなどの他のデバイスを使用して、近くのモバイルデバイスをリアルタイムで追跡できます。最後に、ハイブリッド測位システムは、さまざまな方法を組み合わせて、各方法の欠点を克服しようとします。^[6]

使用される技術の種類

リアルタイムの位置特定を提供するためのシステムコンセプトや設計は多種多様である。^[7]

アクティブ無線周波数識別（アクティブ RFID）
アクティブ無線周波数識別 - 赤外線ハイブリッド (アクティブ RFID-IR)
赤外線(IR)
光学的位置特定^[8]^[9]
低頻度標識の識別
セミアクティブ無線周波数識別（セミアクティブ RFID）
ステアリング可能なフェーズドアレイアンテナによるパッシブRFID RTLS位置検出^[10]
無線ビーコン^[11]
超音波識別（US-ID）^[12]
超音波測距（US-RTLS）^[13]
超広帯域（UWB）^[14]
ワイドバンドオーバーナローバンド^[15]
無線ローカルエリアネットワーク（WLAN、Wi-Fi）^[16]
ブルートゥース^[17]^[18]
騒がしい環境でのクラスタリング^[19]^[20]
二価システム^[21]

位置特定問題に対する最善の解決策を選択するための一般的なモデルが、ナイメーヘン・ラドバウド大学で構築されている。^{[22]これらの参考文献の多くは、ISO/IEC 19762-5}^[23]およびISO/IEC 24730-1 ^[24] による国際標準化の定義に準拠していない。ただし、リアルタイムパフォーマンスのいくつかの側面は提供されており、位置特定の側面は絶対座標のコンテキストで対処されている。

測距と測角

使用される物理技術に応じて、位置を特定するために、少なくとも 1 つの測距および/または角度測定方法、多くの場合はそれらの組み合わせが使用されます。

到着角度（AoA）
出発角度（AoD）（例えば、Bluetooth方向探知^[25]はモバイル中心のRTLSアーキテクチャ^[26]を特徴としている- US 7376428 B1を参照）
視線(LoS)
到着時間（ToA）
マルチラテレーション（到着時間差）（TDoA）
飛行時間(ToF)
ナノトロンの特許による双方向測距（TWR）
対称型両面双方向測距（SDS-TWR）
近距離電磁測距(NFER)

誤差と正確さ

リアルタイムの位置特定はさまざまなエラーの影響を受けます。主な原因の多くは位置特定システムの物理的特性に関係しており、技術設備を改善しても軽減できない可能性があります。

直接的な反応がない

多くの RTLS システムでは、直接的で明確な見通しの可視性が必要です。モバイルタグから固定ノードへの可視性がないシステムでは、位置特定エンジンからの結果がないか、有効でない結果が返されます。これは、衛星位置特定だけでなく、到着角度や到着時間などの他の RTLS システムにも当てはまります。フィンガープリンティングは、可視性の問題を克服する方法です。追跡エリア内の場所に明確な測定フィンガープリントが含まれている場合、見通しは必ずしも必要ではありません。たとえば、各場所に送信機からの信号強度の読み取り値の一意の組み合わせが含まれている場合、位置特定システムは適切に機能します。これは、たとえば一部の Wi-Fi ベースの RTLS ソリューションに当てはまります。ただし、各場所に明確な信号強度フィンガープリントを含めるには、通常、送信機の飽和度がかなり高くなければなりません。

誤った場所

測定された位置は、完全に間違っているように見える場合があります。これは通常、複数のエラーソースを補正するための単純な操作モデルの結果です。エラーを無視すると、正しい位置を提供することは不可能であることがわかります。

バックログの特定

リアルタイムは登録されたブランドではなく、固有の品質もありません。この用語の下でさまざまなオファーが航行しています。動きによって位置が変化するため、必然的に、新しい位置を計算するための待ち時間が動きに関して支配的になる可能性があります。新しい結果を待つ必要がある RTLS システムは費用に見合わないか、より高速な位置更新を求める運用コンセプトが選択したシステムのアプローチに準拠していません。

一時的な場所エラー

リアルタイムという用語と精度という用語は測定理論の側面では直接矛盾し、精度という用語とコストという用語は経済の側面では矛盾するため、位置が正確に報告されることはありません。精度が排除されるわけではありませんが、高速化に伴う制限は避けられません。

安定した位置エラー

報告された位置が物理的な存在から徐々に離れて認識されることは、通常、十分な過剰決定がないこと、および常駐アンカーからモバイルトランスポンダーまでの少なくとも 1 つのリンクに沿った可視性が失われていることを示しています。このような影響は、キャリブレーションのニーズを補うためのコンセプトが不十分であることによっても発生します。

位置ジッター

さまざまなソースからのノイズは、結果の安定性に不規則な影響を及ぼします。安定した外観を提供することを目的とすると、リアルタイム要件に反して遅延が増加します。

場所ジャンプ

質量を持つオブジェクトはジャンプに制限があるため、このような効果はほとんどの場合、物理的現実を超えています。オブジェクト自体では表示されない報告された位置のジャンプは、通常、位置エンジンによる不適切なモデリングを示しています。このような効果は、さまざまな二次応答の優位性が変化することによって発生します。

ロケーションクリープ

時間の経過とともに重みが増す二次経路反射によって測定結果が偏向すると、存在する物体の位置が移動していると報告されます。このような影響は単純な平均化によって発生し、最初のエコーの識別が不十分であることを示しています。

標準

ISO/IEC

RTLS の基本的な問題は、国際標準化機構および国際電気標準会議によってISO/IEC 24730 シリーズで標準化されています。この一連の標準では、基本標準 ISO/IEC 24730-1 が、一連のベンダーが使用する RTLS の形式を説明する用語を特定していますが、RTLS テクノロジの全範囲を網羅しているわけではありません。

現在、いくつかの標準が公開されています。

ISO/IEC 19762-5:2008 情報技術 - 自動識別およびデータキャプチャ (AIDC) 技術 - 統一用語 - 第 5 部: 位置特定システム
ISO/IEC 24730-1:2014 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 1: アプリケーションプログラミングインターフェイス (API)
ISO/IEC 24730-2:2012 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 2: 直接拡散スペクトル (DSSS) 2.4 GHz エアインターフェースプロトコル
ISO/IEC 24730-5:2010 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 5: 2.4 GHz エアインターフェースでのチャープ拡散スペクトル (CSS)
ISO/IEC 24730-21:2012 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 21: 直接拡散スペクトル (DSSS) 2.4 GHz エアインターフェースプロトコル: 単一の拡散コードで動作し、DBPSK データエンコーディングと BPSK 拡散方式を採用する送信機
ISO/IEC 24730-22:2012 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 22: 直接拡散スペクトル (DSSS) 2.4 GHz エアインターフェイスプロトコル: 複数の拡散コードで動作し、QPSK データエンコーディングと Walsh オフセット QPSK (WOQPSK) 拡散方式を採用した送信機
ISO/IEC 24730-61:2013 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 61: 低速パルス繰り返し周波数超広帯域 (UWB) エアインターフェース
ISO/IEC 24730-62:2013 情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 62: 高速パルス繰り返し周波数超広帯域 (UWB) エアインターフェース

これらの標準では、位置を計算する特別な方法や、位置を測定する方法は規定されていません。これは、陸地領域の平面または球面モデルに対する三辺測量、三角測量、または三角法計算のハイブリッドアプローチの仕様で定義できます。

誘因

INCITS 371.1:2003、情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 1: 2.4 GHz エアインターフェイスプロトコル
INCITS 371.2:2003、情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 2: 433 MHz エアインターフェイスプロトコル
INCITS 371.3:2003、情報技術 - リアルタイム位置特定システム (RTLS) - パート 3: アプリケーションプログラミングインターフェイス

制限事項とさらなる議論

医療業界における RTLS の適用では、現在採用されている RTLS の限界について議論するさまざまな研究が発表されました。現在使用されている技術である RFID、Wi-Fi、UWB はすべて RFID ベースであり、高感度機器に干渉するという点で危険です。アムステルダム大学アカデミックメディカルセンターの Erik Jan van Lieshout 博士がJAMA ( Journal of the American Medical Equipment ) ^[27]に発表した研究では、「RFID と UWB は患者が頼りにしている機器を停止させる可能性がある」と述べ、「彼らが実施した 123 のテストのうち 34 で RFID が干渉を引き起こした」としています。医療業界初の Bluetooth RTLS プロバイダーは、記事でこれを裏付けています。「RFID を高感度機器の近くで使用できないという事実自体が、医療業界にとって危険信号であるはずだ」^[28] RFIDジャーナルはこの研究に対して、それを否定するのではなく、実際のケースの解決策を説明して回答しました。「パーデュー大学の研究では、超高周波（UHF）システムを医療機器から適切な距離に保つと効果がないことがわかりました。したがって、資産を追跡するためにユーティリティルーム、エレベーターの近く、病院の棟や部門間のドアの上にリーダーを設置することは問題ありません。」^[29]しかし、「適切な距離を保つ」ケースは、医療施設でRTLSテクノロジーを採用および提供する人にとっては未解決の問題である可能性があります。

多くのアプリケーションでは、RTLS に含まれるさまざまな通信技術 (RFID、WiFi など) の中から適切な選択を行うことは非常に困難であり、同時に重要です。初期段階で誤った設計決定を行うと、システムに壊滅的な結果をもたらし、修正と再設計に多大な費用がかかります。この問題を解決するために、RTLS 設計空間探索のための特別な方法論が開発されました。これは、モデリング、要件仕様、検証などの手順を 1 つの効率的なプロセスにまとめたものです。^[30]

参照

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さらに読む

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