超寬帶(UWB)助力打造未來(lái)的智能工廠

微定位對(duì)于通過(guò)工業(yè)4.0、智能工廠和LEAN 計(jì)劃實(shí)現(xiàn)工業(yè)運(yùn)營(yíng)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(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(jī)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(lán)牙），無(wú)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(zhǎng)，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(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(jí)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(dòng)技術(shù)，無(wú)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(shí)提供信息，并支持分析系統(tǒng)即時(shí)測(cè)量、分析和報(bào)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(zhàn)略性放置UWB標(biāo)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(tǒng)， 實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算效率，識(shí)別甚至是預(yù)測(cè)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(guò)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(cè)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(dòng)化安全系統(tǒng)能夠以亞米級(jí)的精度和實(shí)時(shí)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(shí)，使機(jī)械設(shè)備停止運(yùn)行并提醒相關(guān)人員。

●   緊急事件：?jiǎn)T工胸牌上的UWB 標(biāo)簽可以識(shí)別每位員工及其位置，從而確定他們是否脫離危險(xiǎn)或指示前往救援的地點(diǎn)。將位置信息傳遞給趕往現(xiàn)場(chǎng)的救援人員，這樣他們到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)就能采取更有效的急救措施，節(jié)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、車輛和機(jī)械，以及電信號(hào)噪音。GPS 信號(hào)通常無(wú)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(wú)線電能量一般會(huì)隨著與物體距離的增加而衰減、反射為多路徑信號(hào)，或在這種環(huán)境中丟失。

在測(cè)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(shí)，UWB 通信組件使用極低的信號(hào)發(fā)送功率，輻射更大的范圍帶寬，提供比窄帶信號(hào)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(hào)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(huì)影響窄帶信號(hào)，降低定位能力

UWB 使用飛行時(shí)間(ToF) 來(lái)測(cè)量與標(biāo)簽之間的距離（圖3）。多種ToF 方法可提高測(cè)量的準(zhǔn)確性并降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。雙向測(cè)距 (TWR) 和到達(dá)時(shí)間差(TDoA) 測(cè)距方法可以消除墻面和機(jī)器反射（ 多路）對(duì)信號(hào)響度的影響。其他UWB測(cè)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(shì)。這些不同的測(cè)距技術(shù)可用于識(shí)別與物體的距離和方向（矢量）。

圖3 用ToF計(jì)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(cè)距技術(shù)，并可以確定（計(jì)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(gè)集中式平臺(tái)需要追蹤標(biāo)簽時(shí)。

憑借信號(hào)完整性和測(cè)距能力，UWB 可以比其他定位和測(cè)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(gè)標(biāo)簽對(duì)象報(bào)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(cè)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(tái)的新 FiRa 標(biāo)準(zhǔn) (FiRa 2.0) 為使用UWB 實(shí)現(xiàn)微定位開(kāi)啟了更廣闊的適用空間。它包含一些針對(duì)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(shí)定位系統(tǒng) (RTLS)的第一步，使室內(nèi)和亞米級(jí)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(xiàn)新的用例，但該生態(tài)系統(tǒng)預(yù)計(jì)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?dòng)設(shè)備才知道自己的位置。這樣的服務(wù)很快就會(huì)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(shí)，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(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(zhǎng)，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(chǎng)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(kāi)發(fā)了一款UWB 測(cè)距解決方案，它同時(shí)使用了TWR 和TDoA測(cè)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(duì)移動(dòng)速度高達(dá)60 km/h（超過(guò)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(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(zhǔn)的3D 定位。

如果在田徑運(yùn)動(dòng)中使用運(yùn)動(dòng)分析軟件，微定位可以讓團(tuán)隊(duì)優(yōu)化成績(jī)。但對(duì)于歐洲足球聯(lián)賽來(lái)說(shuō)，這一解決方案對(duì)于在疫情期間幫助歐洲球隊(duì)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(duì)人員近距離練習(xí)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(duì)個(gè)人進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，新冠疫情的爆發(fā)可能會(huì)導(dǎo)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(duì)點(diǎn)跟蹤，通過(guò)錨點(diǎn)上傳成員標(biāo)簽位置。跟蹤軟件隨后會(huì)記錄上場(chǎng)人員（標(biāo)簽）在任何時(shí)間的位置。當(dāng)團(tuán)隊(duì)之中出現(xiàn)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(duì)。

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(cè)、跟蹤、追蹤和分析整個(gè)生產(chǎn)流程。數(shù)據(jù)的重要來(lái)源是RTLS對(duì)人員和機(jī)器的跟蹤，包括叉車和自動(dòng)工作臺(tái)(AGV)，這些設(shè)備將在制品 (WIP) 移到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(gè)UWB錨點(diǎn)和59 個(gè)UWB標(biāo)簽來(lái)追蹤物體。對(duì)于制造過(guò)程中的每道工序，AGV都會(huì)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(shí)別最近的工人并調(diào)整到適當(dāng)?shù)母叨?，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(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)會(huì)提醒最近的熟練工人來(lái)完成任務(wù)。對(duì)材料和人員流動(dòng)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(shí)信息。這些數(shù)據(jù)還會(huì)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(guò)更好的車間管理，使生產(chǎn)力提升10%；

●   將維護(hù)活動(dòng)的績(jī)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(dòng)器。該公司的生產(chǎn)車間和倉(cāng)庫(kù)位于兩棟大樓內(nèi)，用卡車將原材料從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)送至生產(chǎn)車間需要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(cuò)，工時(shí)成本高，ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入也會(huì)延遲，從而限制了庫(kù)存和處理的可見(jiàn)性。

SEG Automotive 希望用一個(gè)完全數(shù)字化的實(shí)時(shí)資產(chǎn)登記和跟蹤系統(tǒng)來(lái)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(gè)月的時(shí)間，需要在2 000 m² 的范圍內(nèi)安裝40 個(gè)錨點(diǎn)，以及600 個(gè)標(biāo)簽，來(lái)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(cuò)誤；

●   交貨時(shí)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(gè)倉(cāng)庫(kù)中持續(xù)跟蹤和追溯物料的移動(dòng)；

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

7 Budweiser Budvar Brewery

雖然百威啤酒銷往全球76 個(gè)國(guó)家/ 地區(qū)，但在全球范圍內(nèi)Budweiser Budvar 只在1 個(gè)城市釀造啤酒，那就是捷克共和國(guó)的?eské Budějovice (Budweis)。生產(chǎn)10種不同的啤酒，標(biāo)簽上有幾十種語(yǔ)言，可組成360 種產(chǎn)品組合進(jìn)行分銷。倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存了2 萬(wàn)多個(gè)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(wú)源RFID 系統(tǒng)管理庫(kù)存，叉車上有RFID錨點(diǎn)，每個(gè)跟蹤位置最多有10 個(gè)標(biāo)簽，僅位于倉(cāng)庫(kù)內(nèi)。傳統(tǒng)的解決方案存在可靠性問(wèn)題，維護(hù)和升級(jí)成本高，造成運(yùn)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(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的跟蹤，他們就無(wú)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(gè)月的時(shí)間，與其他ERP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成用了6 個(gè)月時(shí)間。為了覆蓋15 000 m² 的內(nèi)部和外部倉(cāng)庫(kù)設(shè)施，他們部署了70 個(gè)錨點(diǎn)，并為15 臺(tái)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(shí)間提高了19%；

● 倉(cāng)庫(kù)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(gè)行業(yè)部署，為業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。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(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）