基于UWB的船舶車間智能高精度定位系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

祝蘇薇， 朱 琦， 胡曉軒， 王 浩， 孔 寧

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理智能化，優(yōu)化配置資源，減少生產(chǎn)成本，提升員工效率，是生產(chǎn)型企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。目前市場競爭異常激烈，人力資源成本持續(xù)上升，產(chǎn)品利潤不斷下降，提高工廠的生產(chǎn)效率對生產(chǎn)型企業(yè)的發(fā)展有著顯著的影響。工廠生產(chǎn)效率低的原因有很多，包括人員因素、設(shè)備因素、工藝流程、規(guī)劃布局等。雖然制造企業(yè)引進(jìn)了許多智能化、信息化優(yōu)化策略及多項(xiàng)人員管理措施，但沒有起到整個(gè)生產(chǎn)元素的信息化串聯(lián)及效率提升作用。對于規(guī)模巨大、人員眾多、產(chǎn)品種類繁雜的工廠企業(yè)，如何實(shí)現(xiàn)對一線車間的人員、設(shè)備、物料、產(chǎn)品、工藝流程等的有效管理和不斷優(yōu)化，是行業(yè)面臨的共同問題[1]。

實(shí)現(xiàn)對一線車間各生產(chǎn)元素的精準(zhǔn)定位是解決車間管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在人員管理中，應(yīng)用定位系統(tǒng)精準(zhǔn)獲取人員的實(shí)時(shí)位置，記錄歷史軌跡，可以實(shí)現(xiàn)人員考勤、工時(shí)統(tǒng)計(jì)、到崗/離崗等工作狀態(tài)的管理，也可通過大數(shù)據(jù)分析獲知工人在車間內(nèi)的移動(dòng)情況，判斷工藝流程安排是否合理、產(chǎn)線布局是否合理、是否產(chǎn)生過多非增值移動(dòng)等，為車間合理規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐；在設(shè)備管理中，應(yīng)用定位系統(tǒng)精準(zhǔn)獲取定位設(shè)備的實(shí)時(shí)位置，記錄設(shè)備移動(dòng)和使用情況，可隨時(shí)對設(shè)備進(jìn)行精確查找，節(jié)省時(shí)間，同時(shí)避免因查找錯(cuò)誤導(dǎo)致的誤工和返工，也可通過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化設(shè)備部署和調(diào)度等?；诔瑢拵?Ultra Wide Band, UWB)技術(shù)的高精度定位系統(tǒng)完成在典型船舶車間的試驗(yàn)驗(yàn)證，車間內(nèi)關(guān)鍵要素定位精度達(dá)到分米級(jí)，為實(shí)時(shí)生產(chǎn)調(diào)度、優(yōu)化產(chǎn)線布局、安全生產(chǎn)管理提供參考，有助于提高車間生產(chǎn)效率[2]。

1 系統(tǒng)概述

船舶制造智能車間要求車間內(nèi)生產(chǎn)人員作業(yè)狀態(tài)、設(shè)備物資存放區(qū)域、車輛運(yùn)行路徑能夠?qū)崟r(shí)跟蹤與管理[1]。船舶車間通常是大型單層鋼結(jié)構(gòu)建筑，層高超過20 m，跨距超過30 m，長度超過100 m。在這樣空曠的建筑物內(nèi)實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)定位，且達(dá)到部署成本與定位精度的較好平衡需要綜合考慮。對比定位精度、定位延時(shí)、系統(tǒng)部署、標(biāo)簽續(xù)航等多方面因素，UWB室內(nèi)定位技術(shù)有較大優(yōu)勢，較適合船舶車間定位需求。UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，具有高頻、高帶寬、低功耗的特點(diǎn)[3]，信號(hào)傳輸速度快，根據(jù)信號(hào)飛行時(shí)間，可以精確地在發(fā)送端和接收端獲取時(shí)間戳，進(jìn)而計(jì)算出距離。

系統(tǒng)應(yīng)用在臨港廠區(qū)船舶車間，車間平面布置如圖1所示，共有5跨，設(shè)有加工區(qū)域、裝配區(qū)域、組立區(qū)域和集控中心，車間內(nèi)無過多遮擋。通過在車間部署定位基站，生產(chǎn)人員攜帶胸卡型定位標(biāo)簽，重點(diǎn)設(shè)備綁定資源型定位標(biāo)簽，車輛綁定車載型定位標(biāo)簽，通過車間內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)至集控中心服務(wù)器解算，在集控中心、辦公室等部位均可登錄查看監(jiān)控畫面。監(jiān)控大屏、服務(wù)器、核心交換機(jī)、管理終端等安裝在集控中心。

圖1 臨港廠區(qū)車間平面圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)由硬件層、網(wǎng)絡(luò)層、解算層和應(yīng)用層組成。硬件層是實(shí)現(xiàn)車間定位功能的主體部分，包括定位基站和各形式定位標(biāo)簽[4]；網(wǎng)絡(luò)層主要用于將定位基站采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊刂行姆?wù)器；解算層實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算及存儲(chǔ)；應(yīng)用層針對船舶車間生產(chǎn)實(shí)際需求完成業(yè)務(wù)功能，并展現(xiàn)給管理人員。如圖2所示。

3 部署方案

3.1 定位模式

系統(tǒng)可采用多種定位模式：存在定位、1D定位和2D定位。如表1所示，船舶車間需對人員、設(shè)備、車輛進(jìn)行精確定位，選擇2D定位模式較合適。在2D定位模式下，將車間劃分成網(wǎng)格，每隔35 m部署1個(gè)基站。在非空曠條件下，應(yīng)增加基站以減小建筑或生產(chǎn)設(shè)備的遮擋。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

表1 定位模式

3.2 定位基站

基站安裝的準(zhǔn)確位置及安裝高度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。定位基站安裝要求：(1)定位基站需用專門制作的支架固定；(2)支架的材質(zhì)為鋼質(zhì)或鋁合金；(3)基站安裝面應(yīng)保持水平，生產(chǎn)車間的基站安裝面在同一水平面，展示區(qū)基站也應(yīng)安裝在同一水平面；(4)基站距離墻壁或支柱的距離不小于50 cm。如圖3所示。

圖3 定位基站安裝要求示例

3.3 信號(hào)傳輸

為確保定位信號(hào)的可靠性傳輸，定位基站采用有線網(wǎng)絡(luò)連接方式，有普通網(wǎng)線和光纖兩種方式。

(1) 定位場景比較小和簡單，定位基站距交換機(jī)不超過100 m，通常用RJ45網(wǎng)線和以太網(wǎng)供電(Power Over Ethernet， POE)交換機(jī)連接。

(2) 光纖網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更高，采用單模光纖、單模收發(fā)光纖收發(fā)器，通過串聯(lián)方式，間隔100 m預(yù)留1個(gè)光纖收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)1個(gè)光纖頭、3個(gè)基站節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信模式。

船舶車間高精度定位系統(tǒng)基站網(wǎng)絡(luò)采用第二種方式。通過專門敷設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行定位信號(hào)的傳輸，傳輸部分主要由光纖、網(wǎng)線、多股平行線、交換機(jī)等設(shè)備來構(gòu)建。車間定位基站需接入?yún)R聚交換機(jī)，通過光纜將定位信號(hào)傳輸?shù)郊刂行摹?/p>

3.4 定位系統(tǒng)軟件

定位系統(tǒng)軟件安裝在集控中心服務(wù)器內(nèi)，可提供標(biāo)簽位置實(shí)時(shí)定位、歷史軌跡回放、區(qū)域統(tǒng)計(jì)及電子點(diǎn)名、監(jiān)控視頻聯(lián)動(dòng)等功能。

(1) 實(shí)時(shí)定位：在車間二維電子地圖上實(shí)時(shí)顯示人員、設(shè)備車輛位置和相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)人員位置的信息化管理。

(2) 歷史軌跡回放：可搜索人員、設(shè)備、車輛在某一時(shí)間段的歷史軌跡，查詢和分析人員活動(dòng)范圍歷史記錄，方便回顧和糾察。

(3) 區(qū)域統(tǒng)計(jì)及電子點(diǎn)名：可通過設(shè)置統(tǒng)計(jì)區(qū)域和統(tǒng)計(jì)目標(biāo)的方式，統(tǒng)計(jì)多區(qū)域的目標(biāo)區(qū)域停留狀況和標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)置點(diǎn)名區(qū)域和統(tǒng)計(jì)人員的關(guān)聯(lián)，查看點(diǎn)名結(jié)果。

(4) 監(jiān)控視頻聯(lián)動(dòng)：可將視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭的位置關(guān)聯(lián)標(biāo)記到電子地圖上，可調(diào)取該區(qū)域攝像頭的實(shí)時(shí)錄像，查看現(xiàn)場的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 驗(yàn)證實(shí)施

船舶車間高精度定位系統(tǒng)完成了在臨港廠區(qū)船舶車間的部署，共計(jì)安裝20臺(tái)定位基站，發(fā)放25張胸卡定位標(biāo)簽，10臺(tái)重要設(shè)備綁定資產(chǎn)定位標(biāo)簽，5臺(tái)車輛綁定車載定位標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位精度，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)員工的不規(guī)范操作，降低管理人員的工作強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)船舶車間智能制造試驗(yàn)驗(yàn)證，即實(shí)現(xiàn)人員、物品、車載等的高精度、實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)車間人員、物流、環(huán)境等數(shù)據(jù)的獲取和跟蹤，提高車間安全防護(hù)保障，減少原材料及成品丟失，保障員工生命財(cái)產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)外來人員實(shí)時(shí)監(jiān)控。集控中心、現(xiàn)場示例及軟件界面如圖4所示。

圖4 船舶車間高精度定位系統(tǒng)及應(yīng)用

5 結(jié) 論

基于UWB技術(shù)的高精度定位系統(tǒng)完成了在典型船舶車間的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過在車間部署定位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了船舶車間內(nèi)人員、設(shè)備、車輛分米級(jí)的定位精度，滿足船舶制造智能車間管控需求，有助于提高車間生產(chǎn)效率。下一階段將進(jìn)一步挖掘高精度定位系統(tǒng)的潛在需求，并打通與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)、5S等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，為船舶智能車間管控提供精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、可靠的位置信息。