超寬帶(UWB)助力打造未來(lái)的智能工廠(chǎng)

微定位對于通過(guò)工業(yè)4.0、智能工廠(chǎng)和LEAN 計劃實(shí)現工業(yè)運營(yíng)數字化至關(guān)重要。流程優(yōu)化和保障安全是大多數行業(yè)的兩個(gè)主要考慮因素。通過(guò)微定位將人、事、時(shí)間、地點(diǎn)與人員、工具、用品、貨物、機器和事件實(shí)時(shí)聯(lián)系起來(lái)，使整個(gè)工作環(huán)境信息透明。

目前的定位技術(shù)，比如GPS、Wi-Fi 和Bluetooth^?Low Energy（低能耗藍牙），無(wú)法實(shí)現精密行業(yè)所需的微定位。精度達到10 m 以?xún)鹊腉PS 使得零售業(yè)的電子商務(wù)取得爆炸性增長(cháng)，并讓我們能扔掉那些大塊頭的地圖書(shū)。Wi-Fi幫助提高了定位的準確性。低能耗藍牙在理想條件下可以定位到幾英尺之內。但工業(yè)和商業(yè)應用需要更高的精度和更高的可靠性。

1 工業(yè)環(huán)境中的微定位

超寬帶技術(shù)的厘米級精度使定位和通信精度都達到新的水平，令以前的這些技術(shù)望塵莫及。它是微定位服務(wù)背后的驅動(dòng)技術(shù)，無(wú)線(xiàn)電錨點(diǎn)能將標簽定位在幾厘米以?xún)?。微定位可?shí)時(shí)提供信息，并支持分析系統即時(shí)測量、分析和報警。來(lái)看看這些采用了UWB 技術(shù)的場(chǎng)景。

●   工藝流程： 在生產(chǎn)流程中， 材料之間的距離很小，戰略性放置UWB標簽和錨點(diǎn)可在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中跟蹤材料、貨物、工藝和任務(wù)，同時(shí)更新生產(chǎn)系統， 實(shí)時(shí)測量和計算效率，識別甚至是預測障礙物。

●   資產(chǎn)利用和檢索：可快速定位工廠(chǎng)中貼有標簽的工具或其他資產(chǎn)，并通過(guò)手持設備上的高精度工廠(chǎng)地圖引導員工找到使用。

●   材料控制：貼有標簽的設備、醫療設備和敏感物品，如醫院里的管控物品，可以在建筑內的任何地方定位，并清楚地監測其使用情況。

●   保障安全：機械臂和叉車(chē)等機械設備上的標簽，以及員工的胸牌，讓自動(dòng)化安全系統能夠以亞米級的精度和實(shí)時(shí)準確跟蹤靠近情況，以便在發(fā)生違反安全區規定的情況時(shí)，使機械設備停止運行并提醒相關(guān)人員。

●   緊急事件：?jiǎn)T工胸牌上的UWB 標簽可以識別每位員工及其位置，從而確定他們是否脫離危險或指示前往救援的地點(diǎn)。將位置信息傳遞給趕往現場(chǎng)的救援人員，這樣他們到達現場(chǎng)時(shí)就能采取更有效的急救措施，節省寶貴的時(shí)間來(lái)挽救生命。

還有許多其他潛在的用例，可以提高效率和效益、生產(chǎn)、安全和安保水平（圖1）。

圖1 工業(yè)環(huán)境中的UWB可以提高效率和效益、生產(chǎn)力、安全和安保水平

2 USB是如何做到如此精確的

工業(yè)和商業(yè)場(chǎng)所到處都是大型物體（通常是金屬，可能還會(huì )移動(dòng)），比如墻壁、車(chē)輛和機械，以及電信號噪音。GPS 信號通常無(wú)法有效穿透工業(yè)結構。而窄帶Wi-Fi 和低能耗藍牙的無(wú)線(xiàn)電能量一般會(huì )隨著(zhù)與物體距離的增加而衰減、反射為多路徑信號，或在這種環(huán)境中丟失。

在測距和定位方面，UWB 不像窄帶Wi-Fi 和低功耗藍牙那樣易受影響。在錨點(diǎn)和標簽之間通信時(shí)，UWB 通信組件使用極低的信號發(fā)送功率，輻射更大的范圍帶寬，提供比窄帶信號更快的脈沖上升和下降時(shí)間（圖2）。這種方法有助于確保信號的完整性， 減少反射和噪聲尖峰的影響，并減少基礎設施所需的組件數量。

圖2 超寬帶不受噪聲尖峰的影響，這些噪聲尖峰會(huì )影響窄帶信號，降低定位能力

UWB 使用飛行時(shí)間(ToF) 來(lái)測量與標簽之間的距離（圖3）。多種ToF 方法可提高測量的準確性并降低基礎設施成本。雙向測距 (TWR) 和到達時(shí)間差(TDoA) 測距方法可以消除墻面和機器反射（ 多路）對信號響度的影響。其他UWB測距方法包括到達相位差 (PDoA) 和反向TDoA(RTDoA)，為不同類(lèi)型的部署提供優(yōu)勢。這些不同的測距技術(shù)可用于識別與物體的距離和方向（矢量）。

圖3 用ToF計算距離

根據微定位服務(wù)的需要，可以部署不同的基礎設施，實(shí)施不同的測距技術(shù)，并可以確定（計算）位置。

●   在用于導航的標簽本身內部，有一種稱(chēng)為下行TDoA (DL-TDoA) 的方法。

●   在基礎設施內，當一個(gè)集中式平臺需要追蹤標簽時(shí)。

憑借信號完整性和測距能力，UWB 可以比其他定位和測距技術(shù)覆蓋更遠的距離（圖4）。戰略性放置錨點(diǎn)可以向一個(gè)標簽對象報告不同的范圍和向量，在二維和三維空間中非常準確地定位它們。

圖4 UWB提供更大的覆蓋范圍和更高精度，使微定位能夠使用更少的組件，從而減少基礎設施

3 支持工業(yè)和其他行業(yè)的 UWB 生態(tài)系統

FiRa（ 精細測距） 聯(lián)盟 (www.fi raconsortium.org)定義了UWB 設備規范并提供認證。該聯(lián)盟支持使用UWB生態(tài)系統，以及UWB與其他技術(shù)之間的互操作性，以便為工業(yè)和消費者提供微定位服務(wù)。

即將出臺的新 FiRa 標準 (FiRa 2.0) 為使用UWB 實(shí)現微定位開(kāi)啟了更廣闊的適用空間。它包含一些針對工業(yè)應用的特定功能。它將有助于實(shí)現消費者和工業(yè)設備之間更好的互操作性（UWB 已經(jīng)部署在現代智能手機中）。這是將UWB 納入大規模實(shí)時(shí)定位系統 (RTLS)的第一步，使室內和亞米級精度的地圖服務(wù)成為可能，比如谷歌地圖。

雖然FiRa 2.0 將會(huì )有助于實(shí)現新的用例，但該生態(tài)系統預計DL-TDoA 解決方案將取得突破。這些解決方案將使室內的微定位導航具有隱私性，因為只有移動(dòng)設備才知道自己的位置。這樣的服務(wù)很快就會(huì )出現在支持UWB的智能手機上。相關(guān)UWB DL-TDoA的部署將由基礎設施設備的OEM 廠(chǎng)商決定，例如部署將UWB 錨點(diǎn)與Wi-Fi接入點(diǎn)相結合的接入點(diǎn)。但同時(shí)，可以安裝在公共或私人設施中的照明和其他固定電源設備也可以觸發(fā)DL-TDoA，并在附近有UWB支持的設備時(shí)啟動(dòng)。

有關(guān)UWB 的更多信息，除了本文檔還可參閱FiRa網(wǎng)站的其他文章。UWB 解決方案已經(jīng)部署在多種用例中。下面介紹其中一些用例。

4 歐足聯(lián)

（美式）足球場(chǎng)一般為105 m 長(cháng)，68 m 寬（115×74.4 平方碼）。也就是7 140 m²冗余。體育館一般不設頂棚。因此，在球場(chǎng)周?chē)酝獾牡胤椒胖?UWB 錨點(diǎn)是不現實(shí)的。微定位解決方案供應商Noccela 開(kāi)發(fā)了一款UWB 測距解決方案，它同時(shí)使用了TWR 和TDoA測距方法。在他們的解決方案中，每個(gè)錨點(diǎn)可以覆蓋500 m²（近600 平方碼），對移動(dòng)速度高達60 km/h（超過(guò)37 英里/h）的物體，精確度可以達到兩厘米（0.8 英寸）。使用UWB 之后，他們可以使用16 個(gè)錨點(diǎn)覆蓋整個(gè)球場(chǎng)，這些錨點(diǎn)部署在球場(chǎng)周邊，仍然能夠提供高度精準的3D 定位。

如果在田徑運動(dòng)中使用運動(dòng)分析軟件，微定位可以讓團隊優(yōu)化成績(jì)。但對于歐洲足球聯(lián)賽來(lái)說(shuō)，這一解決方案對于在疫情期間幫助歐洲球隊保持比賽起到了重要作用。新冠病毒肆虐，在疫苗廣泛供應之前，歐足聯(lián)的球員和教練仍有工作要做。但他們需要一種方法，在與其他球員和團隊人員近距離練習的同時(shí)，跟蹤成員之間的社交距離和接觸情況。如果不能對個(gè)人進(jìn)行準確跟蹤，新冠疫情的爆發(fā)可能會(huì )導致整個(gè)賽季停擺。

基于UWB 的微定位解決方案可提供點(diǎn)對點(diǎn)跟蹤，通過(guò)錨點(diǎn)上傳成員標簽位置。跟蹤軟件隨后會(huì )記錄上場(chǎng)人員（標簽）在任何時(shí)間的位置。當團隊之中出現傳染病感染時(shí)，經(jīng)理可以立刻確定所有潛在感染者并將他們隔離，避免感染整個(gè)球隊。

5 VELUX Modular Skylights

VELUX Modular Skylights產(chǎn)品在丹麥Ostbrirk生產(chǎn)。該公司希望在其生產(chǎn)基地的2 304 m²范圍內實(shí)現現代化操作和數字化制造流程，他們利用Sewio 的RTLS解決方案實(shí)現了工廠(chǎng)車(chē)間的數字孿生。數字孿生可監測、跟蹤、追蹤和分析整個(gè)生產(chǎn)流程。數據的重要來(lái)源是RTLS對人員和機器的跟蹤，包括叉車(chē)和自動(dòng)工作臺(AGV)，這些設備將在制品 (WIP) 移到作業(yè)現場(chǎng)，并根據每位工人的身高進(jìn)行調整。

該解決方案采用了12 個(gè)UWB錨點(diǎn)和59 個(gè)UWB標簽來(lái)追蹤物體。對于制造過(guò)程中的每道工序，AGV都會(huì )將WIP 運送到工位，由熟練工人完成相應的任務(wù)。RTLS 可以識別最近的工人并調整到適當的高度，打造一個(gè)符合人體工程學(xué)的安全工作環(huán)境。如果工人不在現場(chǎng)，系統會(huì )提醒最近的熟練工人來(lái)完成任務(wù)。對材料和人員流動(dòng)的數據進(jìn)行處理，為管理人員提供了解工廠(chǎng)生產(chǎn)力所需的實(shí)時(shí)信息。這些數據還會(huì )用于管理機器維護工作。利用基于UWB的RTLS，VELUX Modular Skylights就能夠：

●   通過(guò)更好的車(chē)間管理，使生產(chǎn)力提升10%；

●   將維護活動(dòng)的績(jì)效提高50%；

●   將在制品減少10%。

6 SEG Automotive

SEG Automotive 為世界上幾乎所有的汽車(chē)制造商生產(chǎn)電機和啟動(dòng)器。該公司的生產(chǎn)車(chē)間和倉庫位于兩棟大樓內，用卡車(chē)將原材料從倉庫運送至生產(chǎn)車(chē)間需要10分鐘。訂單分揀是使用即時(shí)程序手動(dòng)完成的。人工操作容易出錯，工時(shí)成本高，ERP 系統數據輸入也會(huì )延遲，從而限制了庫存和處理的可見(jiàn)性。

SEG Automotive 希望用一個(gè)完全數字化的實(shí)時(shí)資產(chǎn)登記和跟蹤系統來(lái)取代人工操作。關(guān)鍵挑戰是卡車(chē)與閘門(mén)的距離。為確保材料運送到正確的閘門(mén)，需要精度達到30 厘米。

部署Sewio 的RTLS 只花了4 個(gè)月的時(shí)間，需要在2 000 m² 的范圍內安裝40 個(gè)錨點(diǎn)，以及600 個(gè)標簽，來(lái)追蹤金屬托盤(pán)。將基于UWB 的RTLS 與現有的數據跟蹤和分析系統整合后，SEG Automotive 取得了以下成果：

●   避免了人工分揀錯誤；

●   交貨時(shí)間縮短了50％；

●   將15% 的員工轉移到重復性較低的工作；

●   在整個(gè)倉庫中持續跟蹤和追溯物料的移動(dòng)；

●   易于升級，可根據需要跟蹤更多的對象，并擴展到生產(chǎn)現場(chǎng)。

7 Budweiser Budvar Brewery

雖然百威啤酒銷(xiāo)往全球76 個(gè)國家/ 地區，但在全球范圍內Budweiser Budvar 只在1 個(gè)城市釀造啤酒，那就是捷克共和國的?eské Budějovice (Budweis)。生產(chǎn)10種不同的啤酒，標簽上有幾十種語(yǔ)言，可組成360 種產(chǎn)品組合進(jìn)行分銷(xiāo)。倉庫儲存了2 萬(wàn)多個(gè)托盤(pán)，其中有兩種不同尺寸的容器，有些在室內，有些在室外。

他們使用無(wú)源RFID 系統管理庫存，叉車(chē)上有RFID錨點(diǎn)，每個(gè)跟蹤位置最多有10 個(gè)標簽，僅位于倉庫內。傳統的解決方案存在可靠性問(wèn)題，維護和升級成本高，造成運營(yíng)效率低下，而且無(wú)法始終正確提供貨物的實(shí)際位置。如果沒(méi)有準確、實(shí)時(shí)的跟蹤，他們就無(wú)法利用最新的數據進(jìn)行意大利面條圖、熱圖和其他分析。

安裝Sewio 基于UWB 的RTLS 系統只需要1 個(gè)月的時(shí)間，與其他ERP 系統實(shí)現集成用了6 個(gè)月時(shí)間。為了覆蓋15 000 m² 的內部和外部倉庫設施，他們部署了70 個(gè)錨點(diǎn)，并為15 臺叉車(chē)配備了位置精度達到30 cm 的標簽。完成安裝和集成后，成效顯著(zhù)：

● 與傳統RFID 系統相比，正常運行時(shí)間提高了19%；

● 倉庫利用率提高19%。

UWB 技術(shù)能夠為工業(yè)領(lǐng)域提供高精度的微定位服務(wù)。該技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)部署，為業(yè)務(wù)運營(yíng)帶來(lái)諸多優(yōu)勢。UWB 技術(shù)和解決方案供應商的生態(tài)系統與FiRa聯(lián)盟合作，正在為未來(lái)的創(chuàng )新微定位服務(wù)鋪平道路。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）