超寬帶(UWB)助力打造未來的智能工廠

微定位對于通過工業(yè)4.0、智能工廠和LEAN 計劃實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)營數(shù)字化至關(guān)重要。流程優(yōu)化和保障安全是大多數(shù)行業(yè)的兩個主要考慮因素。通過微定位將人、事、時間、地點(diǎn)與人員、工具、用品、貨物、機(jī)器和事件實(shí)時聯(lián)系起來，使整個工作環(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(lán)牙），無法實(shí)現(xiàn)精密行業(yè)所需的微定位。精度達(dá)到10 m 以內(nèi)的GPS 使得零售業(yè)的電子商務(wù)取得爆炸性增長，并讓我們能扔掉那些大塊頭的地圖書。Wi-Fi幫助提高了定位的準(zhǔn)確性。低能耗藍(lán)牙在理想條件下可以定位到幾英尺之內(nèi)。但工業(yè)和商業(yè)應(yīng)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(dá)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(qū)動技術(shù)，無線電錨點(diǎn)能將標(biāo)簽定位在幾厘米以內(nèi)。微定位可實(shí)時提供信息，并支持分析系統(tǒng)即時測量、分析和報警。來看看這些采用了UWB 技術(shù)的場景。

●   工藝流程： 在生產(chǎn)流程中， 材料之間的距離很小，戰(zhàn)略性放置UWB標(biāo)簽和錨點(diǎn)可在整個生產(chǎn)過程中跟蹤材料、貨物、工藝和任務(wù)，同時更新生產(chǎn)系統(tǒng)， 實(shí)時測量和計算效率，識別甚至是預(yù)測障礙物。

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

●   材料控制：貼有標(biāo)簽的設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和敏感物品，如醫(yī)院里的管控物品，可以在建筑內(nèi)的任何地方定位，并清楚地監(jiān)測其使用情況。

●   保障安全：機(jī)械臂和叉車等機(jī)械設(shè)備上的標(biāo)簽，以及員工的胸牌，讓自動化安全系統(tǒng)能夠以亞米級的精度和實(shí)時準(zhǔn)確跟蹤靠近情況，以便在發(fā)生違反安全區(qū)規(guī)定的情況時，使機(jī)械設(shè)備停止運(yùn)行并提醒相關(guān)人員。

●   緊急事件：員工胸牌上的UWB 標(biāo)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(xiàn)場的救援人員，這樣他們到達(dá)現(xiàn)場時就能采取更有效的急救措施，節(jié)省寶貴的時間來挽救生命。

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)場所到處都是大型物體（通常是金屬，可能還會移動），比如墻壁、車輛和機(jī)械，以及電信號噪音。GPS 信號通常無法有效穿透工業(yè)結(jié)構(gòu)。而窄帶Wi-Fi 和低能耗藍(lán)牙的無線電能量一般會隨著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(lán)牙那樣易受影響。在錨點(diǎn)和標(biāo)簽之間通信時，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(chǔ)設(shè)施所需的組件數(shù)量。

圖2 超寬帶不受噪聲尖峰的影響，這些噪聲尖峰會影響窄帶信號，降低定位能力

UWB 使用飛行時間(ToF) 來測量與標(biāo)簽之間的距離（圖3）。多種ToF 方法可提高測量的準(zhǔn)確性并降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。雙向測距 (TWR) 和到達(dá)時間差(TDoA) 測距方法可以消除墻面和機(jī)器反射（ 多路）對信號響度的影響。其他UWB測距方法包括到達(dá)相位差 (PDoA) 和反向TDoA(RTDoA)，為不同類型的部署提供優(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(jù)微定位服務(wù)的需要，可以部署不同的基礎(chǔ)設(shè)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(dǎo)航的標(biāo)簽本身內(nèi)部，有一種稱為下行TDoA (DL-TDoA) 的方法。

●   在基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，當(dāng)一個集中式平臺需要追蹤標(biāo)簽時。

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(yuǎn)的距離（圖4）。戰(zhàn)略性放置錨點(diǎn)可以向一個標(biāo)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(zhǔn)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(chǔ)設(shè)施

3 支持工業(yè)和其他行業(yè)的 UWB 生態(tài)系統(tǒng)

FiRa（ 精細(xì)測距） 聯(lián)盟 (www.fi raconsortium.org)定義了UWB 設(shè)備規(guī)范并提供認(rèn)證。該聯(lián)盟支持使用UWB生態(tài)系統(tǒng)，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(fèi)者提供微定位服務(wù)。

即將出臺的新 FiRa 標(biāo)準(zhǔn) (FiRa 2.0) 為使用UWB 實(shí)現(xiàn)微定位開啟了更廣闊的適用空間。它包含一些針對工業(yè)應(yīng)用的特定功能。它將有助于實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者和工業(yè)設(shè)備之間更好的互操作性（UWB 已經(jīng)部署在現(xiàn)代智能手機(jī)中）。這是將UWB 納入大規(guī)模實(shí)時定位系統(tǒng) (RTLS)的第一步，使室內(nèi)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 將會有助于實(shí)現(xiàn)新的用例，但該生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計DL-TDoA 解決方案將取得突破。這些解決方案將使室內(nèi)的微定位導(dǎo)航具有隱私性，因?yàn)橹挥幸苿釉O(shè)備才知道自己的位置。這樣的服務(wù)很快就會出現(xiàn)在支持UWB的智能手機(jī)上。相關(guān)UWB DL-TDoA的部署將由基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的OEM 廠商決定，例如部署將UWB 錨點(diǎn)與Wi-Fi接入點(diǎn)相結(jié)合的接入點(diǎn)。但同時，可以安裝在公共或私人設(shè)施中的照明和其他固定電源設(shè)備也可以觸發(fā)DL-TDoA，并在附近有UWB支持的設(shè)備時啟動。

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）足球場一般為105 m 長，68 m 寬（115×74.4 平方碼）。也就是7 140 m²冗余。體育館一般不設(shè)頂棚。因此，在球場周圍以外的地方放置 UWB 錨點(diǎn)是不現(xiàn)實(shí)的。微定位解決方案供應(yīng)商N(yùn)occela 開發(fā)了一款UWB 測距解決方案，它同時使用了TWR 和TDoA測距方法。在他們的解決方案中，每個錨點(diǎn)可以覆蓋500 m²（近600 平方碼），對移動速度高達(dá)60 km/h（超過37 英里/h）的物體，精確度可以達(dá)到兩厘米（0.8 英寸）。使用UWB 之后，他們可以使用16 個錨點(diǎn)覆蓋整個球場，這些錨點(diǎn)部署在球場周邊，仍然能夠提供高度精準(zhǔn)的3D 定位。

如果在田徑運(yùn)動中使用運(yùn)動分析軟件，微定位可以讓團(tuán)隊優(yōu)化成績。但對于歐洲足球聯(lián)賽來說，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(yīng)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(tuán)隊人員近距離練習(xí)的同時，跟蹤成員之間的社交距離和接觸情況。如果不能對個人進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，新冠疫情的爆發(fā)可能會導(dǎo)致整個賽季停擺。

基于UWB 的微定位解決方案可提供點(diǎn)對點(diǎn)跟蹤，通過錨點(diǎn)上傳成員標(biāo)簽位置。跟蹤軟件隨后會記錄上場人員（標(biāo)簽）在任何時間的位置。當(dāng)團(tuán)隊之中出現(xiàn)傳染病感染時，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(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化操作和數(shù)字化制造流程，他們利用Sewio 的RTLS解決方案實(shí)現(xiàn)了工廠車間的數(shù)字孿生。數(shù)字孿生可監(jiān)測、跟蹤、追蹤和分析整個生產(chǎn)流程。數(shù)據(jù)的重要來源是RTLS對人員和機(jī)器的跟蹤，包括叉車和自動工作臺(AGV)，這些設(shè)備將在制品 (WIP) 移到作業(yè)現(xiàn)場，并根據(jù)每位工人的身高進(jìn)行調(diào)整。

該解決方案采用了12 個UWB錨點(diǎn)和59 個UWB標(biāo)簽來追蹤物體。對于制造過程中的每道工序，AGV都會將WIP 運(yùn)送到工位，由熟練工人完成相應(yīng)的任務(wù)。RTLS 可以識別最近的工人并調(diào)整到適當(dāng)?shù)母叨?，打造一個符合人體工程學(xué)的安全工作環(huán)境。如果工人不在現(xiàn)場，系統(tǒng)會提醒最近的熟練工人來完成任務(wù)。對材料和人員流動的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為管理人員提供了解工廠生產(chǎn)力所需的實(shí)時信息。這些數(shù)據(jù)還會用于管理機(jī)器維護(hù)工作。利用基于UWB的RTLS，VELUX Modular Skylights就能夠：

●   通過更好的車間管理，使生產(chǎn)力提升10%；

●   將維護(hù)活動的績效提高50%；

●   將在制品減少10%。

6 SEG Automotive

SEG Automotive 為世界上幾乎所有的汽車制造商生產(chǎn)電機(jī)和啟動器。該公司的生產(chǎn)車間和倉庫位于兩棟大樓內(nèi)，用卡車將原材料從倉庫運(yùn)送至生產(chǎn)車間需要10分鐘。訂單分揀是使用即時程序手動完成的。人工操作容易出錯，工時成本高，ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入也會延遲，從而限制了庫存和處理的可見性。

SEG Automotive 希望用一個完全數(shù)字化的實(shí)時資產(chǎn)登記和跟蹤系統(tǒng)來取代人工操作。關(guān)鍵挑戰(zhàn)是卡車與閘門的距離。為確保材料運(yùn)送到正確的閘門，需要精度達(dá)到30 厘米。

部署Sewio 的RTLS 只花了4 個月的時間，需要在2 000 m² 的范圍內(nèi)安裝40 個錨點(diǎn)，以及600 個標(biāo)簽，來追蹤金屬托盤。將基于UWB 的RTLS 與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)跟蹤和分析系統(tǒng)整合后，SEG Automotive 取得了以下成果：

●   避免了人工分揀錯誤；

●   交貨時間縮短了50％；

●   將15% 的員工轉(zhuǎn)移到重復(fù)性較低的工作；

●   在整個倉庫中持續(xù)跟蹤和追溯物料的移動；

●   易于升級，可根據(jù)需要跟蹤更多的對象，并擴(kuò)展到生產(chǎn)現(xiàn)場。

7 Budweiser Budvar Brewery

雖然百威啤酒銷往全球76 個國家/ 地區(qū)，但在全球范圍內(nèi)Budweiser Budvar 只在1 個城市釀造啤酒，那就是捷克共和國的?eské Budějovice (Budweis)。生產(chǎn)10種不同的啤酒，標(biāo)簽上有幾十種語言，可組成360 種產(chǎn)品組合進(jìn)行分銷。倉庫儲存了2 萬多個托盤，其中有兩種不同尺寸的容器，有些在室內(nèi)，有些在室外。

他們使用無源RFID 系統(tǒng)管理庫存，叉車上有RFID錨點(diǎn)，每個跟蹤位置最多有10 個標(biāo)簽，僅位于倉庫內(nèi)。傳統(tǒng)的解決方案存在可靠性問題，維護(hù)和升級成本高，造成運(yùn)營效率低下，而且無法始終正確提供貨物的實(shí)際位置。如果沒有準(zhǔn)確、實(shí)時的跟蹤，他們就無法利用最新的數(shù)據(jù)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(tǒng)只需要1 個月的時間，與其他ERP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成用了6 個月時間。為了覆蓋15 000 m² 的內(nèi)部和外部倉庫設(shè)施，他們部署了70 個錨點(diǎn)，并為15 臺叉車配備了位置精度達(dá)到30 cm 的標(biāo)簽。完成安裝和集成后，成效顯著：

● 與傳統(tǒng)RFID 系統(tǒng)相比，正常運(yùn)行時間提高了19%；

● 倉庫利用率提高19%。

UWB 技術(shù)能夠?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域提供高精度的微定位服務(wù)。該技術(shù)已經(jīng)在多個行業(yè)部署，為業(yè)務(wù)運(yùn)營帶來諸多優(yōu)勢。UWB 技術(shù)和解決方案供應(yīng)商的生態(tài)系統(tǒng)與FiRa聯(lián)盟合作，正在為未來的創(chuàng)新微定位服務(wù)鋪平道路。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）