發布日期：2022-05-20 點擊率：39
以無線網路為基礎之定位技術，可大致分為室外定位與室內定位，而室內定位因為室內空間的障礙物會造成多路徑干擾，導致訊號變化較大，所以三角定位法不適用于室內環境。「勞工即時定位偵測」環境屬于室內空間，因此將在此次測試過程，測試主動式RFID使用于室內空間時定位技術與環境干擾的結果。
本概念驗證測試分三階段如下：
表1 ： 「勞工即時定位偵測」概念驗證各階段測試內容 
第一階段、基本性能驗測(A)
以下就驗測標的物進行一系列的基本性能驗測，其驗測內容如下：
1. 最大讀取距離之量測
此測試項目為測試RF code Mantis II Active RFID Reader & Antenna、Wavetrend RFID Reader & Antenna與SYRIS Xtive RFID Reader & Antenna，在最大發射功率下所能達到之最遠讀取距離，其驗測目的為測試該讀取器與天線于工廠等空曠廠區之應用時，其讀取距離是否可以滿足所需，本次POC現場導入場地：正隆板橋廠廠區，讀取器之讀取距離須涵蓋15公尺以上。
表2、靜止狀態下最大讀取距離量測結果 
以上之測試地點選擇室外空曠處(北市木柵動物園停車場)，以便進行各項速度與方向性的測試，標簽以吊帶方式系掛且以遠離身體50cm以上之位置懸掛并進行讀取測試，所用之天線皆為全向性天線，人員到達定點之后，人員保持靜止不動，由讀取器進行讀取測試。本次讀取距離之驗測結果，三套主動式RFID的最大讀取距離皆大于15公尺以上，符合未來現場導入測試讀取距離之最低要求。
2. 貼附位置與讀取距離之量測
使用三種讀取器在最大發射功率下，于四種不同標簽佩帶位置：胸前、背后、臀部、褲子口袋，測試所能達到之最遠讀取距離，其驗測目的為測試不同標簽貼附位置對于整體讀取效能之影響，并藉此找到最佳佩帶位置。
圖1、佩帶位置－胸前、背后、臀部
由上列之實驗數據可發現，當標簽佩帶于胸前時，其有效讀取距離最遠；當標簽佩帶于臀部時，其有效讀取距離最短。造成此現象之原因，乃是因為身體中含有70%以上的水分，故身體中的體液亦會對RF訊號產生影響。本次驗測的設備中共有433MHz與2.45GHz兩種的操作頻率，由上表之數據可發現，操作頻率為2.45GHz的RFID設備，其讀取效能受到身體水分的影響層面較大，故在使用此一頻率的RFID設備時，需多加考慮其配戴位置，以免其讀取效能受到影響。
3. 高速移動下之讀取效能測試 
圖2：量測移動速度儀器－測速槍
假設勞工作業環境須高速移動，例如騎乘機車，因此以人員騎乘機車在高速移動下，使用三種RFID 主動式讀取器以最大發射功率操作，并搭配不同佩帶位置，測試不同讀取器之讀取距離。測試方法為，于讀取器之有效讀取范圍內，測試其最高允許移動速度；標簽配帶位置為胸前、背后、褲子口袋與臀部，將標簽佩帶于測試人員身上，量測讀取距離并量測移動速度。由上列實驗數據可以得知，當RFID標簽于有效讀取范圍內進行讀取測試時，其標簽移動速度并不會對整體的讀取效能造成太大的影響，其最大允許速度最少都為70km/hr以上，在第三階段現場導入測試時，將采用堆高機承載人員，堆高機速度不高，一般廠區內駕駛都在20Km/hr 以下，因此以上的測試，對于速度移動下3種主動式RFID之讀取效能都屬可接受范圍。
4. 讀取器高溫環境測試
使用3種主動式RFID在高溫環境下測試讀取效能。勞工常遇有高溫環境下作業，使用主動式RFID可進行停留時間的監測與預警。第三階段現場導入測試將使用正隆板橋廠廠區內部生產線，該廠區內有鍋爐等產生高溫之設備，所以現場環境之溫度大約為40° C左右，因此測試3種讀取器在40℃高溫下是否功能正常，藉此確定系統的穩定性。 
圖3 讀取器高溫穩定度測試安裝位置
本測試方法為，將RF code Mantis II Active RFID Reader & Antenna、Wavetrend RFID Reader & Antenna與SYRIS Xtive RFID Reader & Antenna等讀取器設備實際架設于正隆紙廠板橋廠，架設位置為該廠區之日光燈架上，并連續開啟機器一個星期以上，再以 RFID標簽進行讀取測試，以測試溫度對讀取器之影響。 
表3、讀取器高溫穩定度測試
由上述之實驗數據得知，當環境溫度在40° C左右系統運作正常，唯本次溫度測試受限于環境因素并無法對更高的溫度進行測試，未來若要應用至更高溫的環境下，硬體設計須加強散熱效果：例如讀取器外殼加上散熱裝置，以確保整體讀取效能之穩定性。
5. 效能評估
本次驗證所選用的3種主動式RFID 于最大讀取距離、最大允許移動速度與最高工作環境溫度測試項目結果良好。唯當標簽佩帶于背后讀取距離較短，影響讀取效能。故于實際系統建置時，建議將標簽佩帶于胸前或其他較不易受身體影響之處，以確保其工作效能。
第二階段、情境模擬測試及驗證系統測試
為配合勞工作業情境以及第三階段現場導入測試需求，驗證系統大致分為
1. 工廠作業廠區
2. 系統監控中心
3. 遠端EPC IS (廠外)監控作業中心 
圖 4、 驗證系統架構圖
為提供第二階段模擬情境測試以及第三階段現場導入測試所需，驗證系統應進行測試并分析是否符合需求，「推動辦公室」測試團隊與業者共同合作，共同進行：
1. 人員進入區域權限介面與資料庫設計
2. 管制區域屬性介面及資料庫設計
3. 人員定位邏輯運算功能開發
4. 警報訊息及暴露時間計算應用開發 
圖5、「勞工即時定位偵測」驗證系統畫面
測試人員進入監控區域，系統是否能正常判別其停留區域、測試人員進入監控區域、系統是否能統計其停留時間，且當超過設定之允許停留時間時，系統是否會自動產生警示訊息，并測試系統是否能紀錄人員行進路徑并顯示于驗證系統螢幕。模擬情境測試場地位于臺北市敦化南路二段333號四樓，該場地范圍長、寬、高分別為28.5公尺、12.5公尺、2.5公尺。于此場地中，將布置4個RFID讀取器，其分別對應A、B、C、D四個監控區域。測試中，標簽的佩帶方式，將以掛在胸前的方式進行測試。受限于場地的因素，此一階段將不考慮移動速度對系統效能的影響。
1.人員進入監控區域，系統是否能正常判別其停留區域
此一測試目的，為當測試人員進入監控區域時，系統是否可偵測出人員的所在位置，并藉由此一測試，找出適當讀取器發射強度設定值。 
表 4、勞工定位系統之測試結果
在測試過程發現，系統應用于較小且周遭環境較為空曠之場地時，其讀取器功率宜調整至較小之發射功率。否則相鄰較近之兩發射器，其發射電波，十分容易產生溢波（Overlapping）之現象，此現象極易造成系統的誤判。
所選用的三種RFID讀取器，于最小發射功率之條件下，其有效讀取半徑約為8至10公尺。于該模擬環境下似乎還是略嫌過大，導致系統誤判情況的產生。但實際用于現場導入時，判斷屆時現場之有效讀取半徑應足夠所需。
2.人員進入監控區域，系統是否能統計其停留時間
本階段之測試，乃是為了驗證系統是否可自動紀錄人員于某一區域的停留時間，且當超過設定之允許停留時間時，系統是否會自動產生警示訊息。 測試區域為區域A，測試結果：
3種主動式RFID皆能正確紀錄停留時間且當發生停留時間逾時之情形，系統亦會自動產生警訊通知管理者。
3.系統是否能記錄人員行進路徑并顯示于顯示螢幕
測試系統是否能記錄人員行進路徑，測試的行徑路徑為A→B→D，系統會顯示出人員曾出現過的位置，并于進入位置D時，產生警示訊號。測試結果：
系統能顯示出所有在后端資料庫里的資料，并以動態的方式顯示。
第一階段、基本性能驗測(B)
系統建置場地之訊號強度量測
本次POC之現場布建場地為正隆紙廠板橋廠，該場地為一實際有進行作業之工作場所，故于場地內有許多運行中之機械與堆放的工作所需原物料。這些干擾源對于RF訊號會產生大小不一的干擾。此一測試之目的，正是希望找出其干擾程度，并藉此找出最合適的RFID設備，以利真正建置時之所需。其檢驗項目為，于不同之發射強度下，讀取器所能讀取到的最遠距離，標簽的佩帶位置則吊掛于人員胸前，且于靜止狀態下進行測試。
圖 6、RFID讀取器架設于紙材存放區后方 
表 5、讀取器于現場架設時之讀取效能
由于現場所堆放的原物料、運作中的機器與金屬物質會對于讀取器所發出的訊號造成干擾，造成整體可讀取距離的縮減，而SYRIS Xtive RFID Reader的操作頻率為2.45GHz，此一操作頻段受干擾的程度更是明顯。其讀取距離，明顯無法滿足實際應用所需。若應用場合需要更遠的讀取距離時，建議使用RF code Mantis II Active RFID Reader或Wavetrend RFID Reader并搭配高增益天線，其讀取距離應可有效的提升。
讀取器效能分析與建議
勞工定位系統實際布置場地之長(Y軸)、寬(X軸)、高(Z軸)尺寸分別為120m、30m、7m。當以最大發射功率之條件下進行RF訊號的發送，于X軸上的訊號會產生溢波之現象。若不加以衰減發射訊號之強度，會造成后端系統之定位誤判。而本次所擬選用的兩套設備中，僅有RF code Mantis II Active RFID Reader具調整發射訊號強度之功能。在防止溢波現象之條件下，可將發射功率調至較小的發射功率，而在需要較長的讀取距離之條件下，可調至較高的發射功率或搭配高增益天線，其較具應用上之彈性。本次實地驗證將架設5套RFID讀取器，若以整體系統之需求與架設方便性為考量，建議以RF code Mantis II Active RFID Reader為發射器選擇考量較佳。
第三階段、現場導入測試
獲正隆(股)公司的協助，「勞工即時定位監測」驗證測試之第三階段現場導入測試，得以采用該公司位于板橋之生產線現場，如前章節所述，「勞工即時定位偵測」概念驗證測試，希望藉由現行RFID系統結合即時定位技術，測試主動式RFID系統于廠區勞工定位、危險場所暴露時間監控之關鍵技術，概念驗證內容如下表：
表6、現場導入測試內容
因測試現場范圍大，依據測量系統應涵蓋讀取距離至少15M，為測試3種主動式RFID系統在現場有效讀取距離，于現場以堆高機行駛速度：20Km/hr. 量測各系統之有效讀取距離，測試結果如下表：
表7、現場有效讀取距離測試結果
如前所述，現場導入測試使用正隆(股)公司生產線廠區內，由現場拍攝照片可看出（如下圖），該廠區正進行工業用紙箱的生產，廠內機器的運作對于主動式RFID是否造成影響？另，廠區內堆放許多雜物，包括庫存紙卷、堆高機充電站以及維修零件等，都希望在現場導入測試時驗證環境對無線射頻傳輸之干擾。
圖7、現場導入測試現場實景(正隆板橋廠)
圖8、測試流程與現場平面圖
表8、現場導入測試之KPI 比較
測試調校
在不同的環境因素干擾之下，Reader的讀取效能也會有所差異。主動式RFID系統功率過大時，因布建后涵蓋范圍易造成overlapping，使得定位系統易產生誤判，因為室內空間的障礙物會造成多路徑干擾，導致訊號變化較大，所以三角定位法不適用于室內環境。「勞工即時定位偵測」之第三階段測試現場擺放許多生產設備，測試時設備為運作中，現場作業環境中的水分、金屬、電波及溫度等，會影響RF的傳遞，因此RFcode 系統之功率與讀取距離經過多次調校后，定位系統的判定才穩定。
測試結果分析
實驗室的功能性量測、模擬情境的測試以及現場實境測試，三種所提供的環境參數不同，因此所獲得的測試結果也不同：
(一) RF code
以RF code前端設備之讀取效能，在第一階段于空曠場地（干擾小）、電子標簽佩帶在胸前，量測出之最大讀取距離達150M，第二階段模擬測試現場架設的訊號強度量測，則約35公尺，在第三階段現場導入測試時，RFcode的有效讀取距離大約15M。
（二）Wavetrend
以Wavetrend 在三個階段的讀取效能也因環境不同，所測試的結果也不同，在第一階段基本性能測試于空曠場地（干擾小）、電子標簽佩帶在胸前，量測出之最大讀取距離達35M，第二階段模擬測試現場架設的訊號強度量測，則約20M，在第三階段現場導入測試時，由于廠商提供設備套數不足（場地布建需要5套），因此現場導入未使用Wavetrend。
（三）SYRIX
SYRIX操作頻率為2.45GHz，其讀取效能在第一階段于空曠場地（干擾小）、電子標簽佩帶在胸前，量測出之最大讀取距離達55M，第二階段模擬測試現場架設的訊號強度量測，則僅達7M，因有效讀取距離過短，在第三階段現場導入測試時，并未使用。
未來導入議題
即時定位偵測（Real Time Location）常采用主動式RFID，目前以433MHz、2.45GHz為應用之兩大主流， RF訊號物理特性關系， 433MHz相較于2.45GHz頻段訊號不易被環境所干擾，對于應用情境較為復雜時，須考量該頻段的取舍。另因主動式電子標簽本身藉由內附之電池發射訊號，因此該電力之持久性亦為導入時應考量之議題，目前業界提供之主動式電子標簽電力可持續發射時間為一個月至一年不等，且亦有加入移動感應器，于電子標簽靜置時以增大其訊號發射頻率(次/sec)，以節省該電子標簽之電量，避免在實際應用導入時發生須時常更新電池或是因電力不足造成訊號發射功率下降等問題。關于主動式讀取器相關議題，除了依使用情境需求選擇不同頻段，亦以在功能性上可予以探討，因在實際布置讀取器時，將考慮其目的及場地大小，因此若讀取器在使用者需求上可調整成不同之讀取功率，將讀取器設定成不同讀取距離，則在使用上更加具有彈性。
于現場實際布建階段，因主動式RFID讀取器布建方式多以「面」的涵蓋范圍為主要需求，不論是在大樓或是工廠內部建置，其布建數量皆遠高于被動式讀取器，且因此如何將該讀取資料回傳至主機端進行運算辨別人員位址，皆須先行規劃該網路架構，因導入環環大多為工地或是工廠，環境上較難以和一般大樓環境布線，且時常有所變動，因此如何回傳該讀取器資料成為一大議題。
未來導入建議
(一)主動式RFID讀取器布建環境
主動式讀取器讀取范圍可較遠，最遠可達200公尺，所以在布建時為了讓二個相鄰的讀取器，可以明確的辨識人員配帶的電子標簽在那個讀取器感應的區域中，以避免兩者讀取器相互溢波(Overlap)產生辨識在何區域的困難，甚至發生系統畫面出現欲定位的人員在兩個相鄰區域瞬間跳動的情形。因此，在兩個相鄰的讀取器布建時，須考量決擇(trade off )兩偵測區域中間有訊號間隙(gap)的缺點，以避免溢波問題。
(二)無線電訊訊號偵測與定位運算
無線電訊號中屬于短距離傳輸方式者，除了無線射頻辨識系統（RFID）外，尚包括如：紅外線（Infrared）、IEEE 802.11無線區域網路系列（Wireless Local Area Network），藉由行動端裝置回報測量到之各基地臺之訊號強度值（RSSI）以比對資料庫判斷該行動端所在區域或位置。然而，室內空間的障礙物會造成多路徑干擾，導致訊號變化較大，由這次的測試亦有現場測試訊號重疊無法判讀的情形。未來無線定位相關技術的需繼續演進，才得以克服上述情形。
總結
為保障勞工工作安全，勞委會近年特別公布：工作安全災害歸零方案，希望有效保障勞動能力，增進企業生產效能，促進產業的升級，并結合政府勞工企業與學術界等共同努力全面參與企業推動勞工安全衛生，提高企業預知危險及自護、互護與監護的能力，逐年降低國內職業災害率，并逐步達成零災害目標。
主動式RFID前端設備的技術發展成熟，常應用在貴重儀器追蹤、貨柜追蹤以及人員追蹤等，由『RFID公領域應用推動辦公室』主辦、與業者廠商、主責部會共同攜手合作，完成「勞工即時定位偵測」概念驗證測試，希望藉由現行RFID系統結合即時定位技術，測試主動式RFID系統于廠區勞工定位、危險場所暴露時間監控之關鍵技術，經過實證測試時程規劃、驗證方法建立，并詳實紀錄驗測過程與關鍵技術解決方案，協助業者累積經驗，資料內容未來亦可作為業者產品發展以及公部門先導計畫實施之參考。
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