基于UWB的船舶車間智能高精度定位系統應用技術

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.上海申博信息系統工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

實現生產管理智能化，優化配置資源，減少生產成本，提升員工效率，是生產型企業不斷追求的目標。目前市場競爭異常激烈，人力資源成本持續上升，產品利潤不斷下降，提高工廠的生產效率對生產型企業的發展有著顯著的影響。工廠生產效率低的原因有很多，包括人員因素、設備因素、工藝流程、規劃布局等。雖然制造企業引進了許多智能化、信息化優化策略及多項人員管理措施，但沒有起到整個生產元素的信息化串聯及效率提升作用。對于規模巨大、人員眾多、產品種類繁雜的工廠企業，如何實現對一線車間的人員、設備、物料、產品、工藝流程等的有效管理和不斷優化，是行業面臨的共同問題[1]。

實現對一線車間各生產元素的精準定位是解決車間管理的關鍵環節之一。在人員管理中，應用定位系統精準獲取人員的實時位置，記錄歷史軌跡，可以實現人員考勤、工時統計、到崗/離崗等工作狀態的管理，也可通過大數據分析獲知工人在車間內的移動情況，判斷工藝流程安排是否合理、產線布局是否合理、是否產生過多非增值移動等，為車間合理規劃提供數據支撐；在設備管理中，應用定位系統精準獲取定位設備的實時位置，記錄設備移動和使用情況，可隨時對設備進行精確查找，節省時間，同時避免因查找錯誤導致的誤工和返工，也可通過大數據分析優化設備部署和調度等。基于超寬帶(Ultra Wide Band, UWB)技術的高精度定位系統完成在典型船舶車間的試驗驗證，車間內關鍵要素定位精度達到分米級，為實時生產調度、優化產線布局、安全生產管理提供參考，有助于提高車間生產效率[2]。

1 系統概述

船舶制造智能車間要求車間內生產人員作業狀態、設備物資存放區域、車輛運行路徑能夠實時跟蹤與管理[1]。船舶車間通常是大型單層鋼結構建筑，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實現較精準的實時定位，且達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、系統部署、標簽續航等多方面因素，UWB室內定位技術有較大優勢，較適合船舶車間定位需求。UWB技術是一種無載波通信技術，具有高頻、高帶寬、低功耗的特點[3]，信號傳輸速度快，根據信號飛行時間，可以精確地在發送端和接收端獲取時間戳，進而計算出距離。

系統應用在臨港廠區船舶車間，車間平面布置如圖1所示，共有5跨，設有加工區域、裝配區域、組立區域和集控中心，車間內無過多遮擋。通過在車間部署定位基站，生產人員攜帶胸卡型定位標簽，重點設備綁定資源型定位標簽，車輛綁定車載型定位標簽，通過車間內部專用網絡對實時位置信息進行轉發、存儲至集控中心服務器解算，在集控中心、辦公室等部位均可登錄查看監控畫面。監控大屏、服務器、核心交換機、管理終端等安裝在集控中心。

圖1 臨港廠區車間平面圖

2 系統架構

基于UWB技術的定位系統由硬件層、網絡層、解算層和應用層組成。硬件層是實現車間定位功能的主體部分，包括定位基站和各形式定位標簽[4]；網絡層主要用于將定位基站采集的數據信息實時傳輸到集控中心服務器；解算層實現標簽位置數據實時解算及存儲；應用層針對船舶車間生產實際需求完成業務功能，并展現給管理人員。如圖2所示。

3 部署方案

3.1 定位模式

系統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、設備、車輛進行精確定位，選擇2D定位模式較合適。在2D定位模式下，將車間劃分成網格，每隔35 m部署1個基站。在非空曠條件下，應增加基站以減小建筑或生產設備的遮擋。

圖2 系統架構

表1 定位模式

3.2 定位基站

基站安裝的準確位置及安裝高度根據現場情況確定。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)支架的材質為鋼質或鋁合金；(3)基站安裝面應保持水平，生產車間的基站安裝面在同一水平面，展示區基站也應安裝在同一水平面；(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 信號傳輸

為確保定位信號的可靠性傳輸，定位基站采用有線網絡連接方式，有普通網線和光纖兩種方式。

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

(2) 光纖網絡穩定性更高，采用單模光纖、單模收發光纖收發器，通過串聯方式，間隔100 m預留1個光纖收發器，實現1個光纖頭、3個基站節點的網絡通信模式。

船舶車間高精度定位系統基站網絡采用第二種方式。通過專門敷設光纖網絡系統進行定位信號的傳輸，傳輸部分主要由光纖、網線、多股平行線、交換機等設備來構建。車間定位基站需接入匯聚交換機，通過光纜將定位信號傳輸到集控中心。

3.4 定位系統軟件

定位系統軟件安裝在集控中心服務器內，可提供標簽位置實時定位、歷史軌跡回放、區域統計及電子點名、監控視頻聯動等功能。

(1) 實時定位：在車間二維電子地圖上實時顯示人員、設備車輛位置和相關信息，實現人員位置的信息化管理。

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

(3) 區域統計及電子點名：可通過設置統計區域和統計目標的方式，統計多區域的目標區域停留狀況和標簽運動狀態。設置點名區域和統計人員的關聯，查看點名結果。

(4) 監控視頻聯動：可將視頻監控系統攝像頭的位置關聯標記到電子地圖上，可調取該區域攝像頭的實時錄像，查看現場的實時狀態。

4 驗證實施

船舶車間高精度定位系統完成了在臨港廠區船舶車間的部署，共計安裝20臺定位基站，發放25張胸卡定位標簽，10臺重要設備綁定資產定位標簽，5臺車輛綁定車載定位標簽，實現分米級的定位精度，有助于及時發現員工的不規范操作，降低管理人員的工作強度，提高生產效率，實現船舶車間智能制造試驗驗證，即實現人員、物品、車載等的高精度、實時定位，實現車間人員、物流、環境等數據的獲取和跟蹤，提高車間安全防護保障，減少原材料及成品丟失，保障員工生命財產安全，實現外來人員實時監控。集控中心、現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及應用

5 結 論

基于UWB技術的高精度定位系統完成了在典型船舶車間的試驗驗證，通過在車間部署定位設備，實現了船舶車間內人員、設備、車輛分米級的定位精度，滿足船舶制造智能車間管控需求，有助于提高車間生產效率。下一階段將進一步挖掘高精度定位系統的潛在需求，并打通與車間制造執行系統、5S等系統的數據接口，為船舶智能車間管控提供精準、實時、可靠的位置信息。