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基于UWB技术的数字化工厂系统设计

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：李琪宋龙坤管芳笛袁威王淑娇

[导读] 摘要：我国工业生产总值位居全球第一，工业为我国经济发展作出了巨大贡献。

        山东协和学院山东济南
        摘要：我国工业生产总值位居全球第一，工业为我国经济发展作出了巨大贡献。但因人员和物资定位及监管手段匮乏，智能化管理落后，导致资源浪费，生产效率较低及安全事故频发等一系列问题，仍没有效解决。本文根据这些问题对常用定位系统整理分析，提出基于UWB技术的数字化工厂系统。
        关键字：UWB定位；数字化工厂；智能化管理
        一、引言
        工厂安全事故频发，大多数都是因人或物导致的。因此对人员和物资两方面的精准定位尤为重要。现代化工厂不仅仅有生产与加工场地，它还包括办公区、产品研发、特种作业、仓贮、后勤等多种复杂区域。再加上工厂人员较多且流动频繁、区域较大，很难精准掌握人员的实际位置，到岗时间等数据。
        另一方面，工厂物资设备较多，且当前管理模式落后，诸多物资设备粗放式的管理容易造成废旧物资引起事故。而且随着劳动力成本上升，资本支出上升，市场竞争越发激烈，工厂还存在交付压力大、插单多、需求多样化，仓储物料采买不合理，效率改进不显著的生产效率问题。
        为了解决生产安全保障难问题，本文以实现人员和物资的精准定位为基本出发点，利用UWB定位技术，设计出一整套集人员物资精准定位、轨迹跟踪、多信息融合的数字化工厂系统。
        二、系统介绍
        2.1定位技术对比
        通过对主流常用的各定位技术的整体参数指标对比，如表1所示。可确定UWB定位技术是最优选择。
                             表1常用定位技术性能对比表

        2.2UWB数字化优势
        将工厂UWB数字化有以下优势:
        (1)采用UWB定位技术可使数字化工厂透明化。
        (2)常规分析法不适用车间内非周期性生产，抽样调查需消耗大量人力，效果有限。数字化工厂可提高效率，节约成本。
        (3)IIOT推动的以人为本的制造业新时代。
        (4)UWB技术是一种高可靠，高精度的无线定位技术，其成本下降足以支持企业采用UWB实现数字化，透明化，及持续改善;其可靠性足以支撑工厂数字化的需求。
        2.3功能设计
        UWB数字化工厂系统由硬件定设备（定位标签、定位基站）、定位引擎和应用软件三部分组成，可实现以下功能:
        (1)安全管控。高危区域出入管理，高温，高压区域管理。有毒有害气体区域进入允许，放射性区域进出许可，高危区域工作的时长管理。
        人车安全距离，避免事故的发生。
        (2)在岗管理。工人的位置管理，在岗分析管理，不同区域的工作时长统计分析，不同班次的产出对比分析。
        流动人员的管理，质检员的管理（指定的时间到指定区域巡检）。
        (3)安灯系统。根据故障位置，选择最合适的人员通知，UWB定位系统将安灯的通知发到手表或工牌上，员工收到之后，通过按键进行确认，请前往维护。
        (4)节拍效率优化。①根据定位系统获得员工的动线图，②系统将动线图和工位/工序进行匹配，③分析其中存在的多余的动作，④结合工厂实际优化方案落实，⑤回顾优化结果，持续优化。
        (5)厂内物流。在产线的生产过程，基于RFID和条码，能保证有效地跟踪，但离开产线后，物料位置不可跟踪。物料框侧面增加墨水屏标签，手推车增加标签UWB&BLE双模标签，在物料上采样BLE标签，自动绑定，待返修的产品上增加标签时刻跟踪位置。
        (6)全程物流。供应商—中途运输—进厂过程，出入库扫描，需要在特定的区域扫描，移库需要扫描。通过定位，缩短了出入库的时间，提升效率。通过E-INK标签，不需要根据作业流程打印条码，真正实现无纸化生产。
        (7)产线工序效率分析。①在被加工的产品上增加定位标签，进行全过程跟踪，②获得在同一工序上的进入和离开时间，③进入下一个阶段的等待时间，④全过程数据分析，找出瓶颈，⑤根据瓶颈提出解决方案，持续优化。
        (8)叉车/AGV引导。指定目标位置，提供最优路径，速度安全管控，根据位置派单。
        (9)设备资产利用率分析。如通过划分的动线，分析各个叉车之间是否存在工作分配不平衡问题。
        利用率分析，在运动，装卸，等待，在不同区域的工作时间等时间段，根据效率分析，持续优化，为再买入和或卖出做建议。
        (10)工具使用管理。如扳手必须在指定工位使用，若离开工位，管理系统让扳手作用失效。
        2.4定位流程
        人员定位标签主要有卡片式，安全帽式，手环式。仓储定位标签主要有小车定位（UWB&BLE双模标签），物料框定位(BLE标签)。主要定位流程有以下四步：
        一，进入区域内的员工和物资佩戴唯一身份的定位标签，并通过定位标签发送定位信号。
        二，定位基站在时间同步的前提下，收到标签发射的信号后加盖时间戳，将信号传输给定位服务器。
        三，定位服务器在收到信号后按照TDOA测量技术，来确定标签的位置，并将数据传输至应用平台。
        四，平台收到定位信息后在后台屏幕上显示人员和物资的准确位置及其移动轨迹，以达到精准定位的管理要求。
        三、设备组件及部署过程
        3.1设备组件
        UWB设备及组件，主要分为定位标签，定位基站，定位引擎。
        定位标签，标签发出的UWB脉冲信号，通过定位基站接收和传输。
        定位基站，通过标签所发送脉冲信号到达时间差来计算出位置距离，系统可以实现厘米级的定位精度。
        定位引擎，其部署在服务器，通过提供API与应用软件调用。利用时间差定位，测量信号到基站时间，算出信号源距离。再通过信号源到各个监测站距离，得到信号位置。
        3.2部署过程
        UWB数字化工厂系统具体分为如下几个过程。
        (1)地图测绘，根据工厂实际现场地图，按照需求比例绘制。
        (2)设置坐标，根据工厂环境灵活选取合适原点坐标与坐标系。
        (3)维度部署，根据工厂环境确零维、一维、二维、三维需求的基站安装。
        (4)基站坐标，基站安装部署后，测量基站坐标，其信息录入软件平台，方便管理。
        (5)总体调试，硬件设备物理连接后，先检测网络连通，后分组测试基站。
        四、结语
        在现代工业生产中，安全生产和效率生产是两个尤为重要的点，而实现这两点前提是将人员和物资精准定位，实现工业智能化管理。基于这些，本文提出基于UWB定位技术的数字化工厂系统。本系统是一个现代化、高效率、高精度的数字化系统，通过投入区域基站部署，人和物资佩戴标签，利用引擎和应用软件可实现智能人员管理，提升管理效率，安全风险管控以及业务转型升级。
        参考文献
        [1]董云峰,刘强.基于UWB的化工厂人员定位系统设计[J].智能物联技术,2019(03):42-48.
        [2]张中兆,沙学军,张钦宇,吴宣利.超宽带通信系统[M].北京:电子工业出版社,2010.
        [3]胡自飞,文国军,梁荆璞.基于TDOA技术的工厂人员安防定位系统设计[J].电子技术应用,2018,44(5)：144-146,150.
        作者简介
        李琪（1999-），女，山东烟台人，计算机应用技术专业，专科学生；