基于UWB的船舶车间智能高精度定位系统应用技术

祝苏薇， 朱 琦， 胡晓轩， 王 浩， 孔 宁

(1.上海船舶工艺研究所， 上海 200032； 2.上海申博信息系统工程有限公司， 上海 200032)

0 引 言

实现生产管理智能化，优化配置资源，减少生产成本，提升员工效率，是生产型企业不断追求的目标。目前市场竞争异常激烈，人力资源成本持续上升，产品利润不断下降，提高工厂的生产效率对生产型企业的发展有着显著的影响。工厂生产效率低的原因有很多，包括人员因素、设备因素、工艺流程、规划布局等。虽然制造企业引进了许多智能化、信息化优化策略及多项人员管理措施，但没有起到整个生产元素的信息化串联及效率提升作用。对于规模巨大、人员众多、产品种类繁杂的工厂企业，如何实现对一线车间的人员、设备、物料、产品、工艺流程等的有效管理和不断优化，是行业面临的共同问题[1]。

实现对一线车间各生产元素的精准定位是解决车间管理的关键环节之一。在人员管理中，应用定位系统精准获取人员的实时位置，记录历史轨迹，可以实现人员考勤、工时统计、到岗/离岗等工作状态的管理，也可通过大数据分析获知工人在车间内的移动情况，判断工艺流程安排是否合理、产线布局是否合理、是否产生过多非增值移动等，为车间合理规划提供数据支撑；在设备管理中，应用定位系统精准获取定位设备的实时位置，记录设备移动和使用情况，可随时对设备进行精确查找，节省时间，同时避免因查找错误导致的误工和返工，也可通过大数据分析优化设备部署和调度等。基于超宽带(Ultra Wide Band, UWB)技术的高精度定位系统完成在典型船舶车间的试验验证，车间内关键要素定位精度达到分米级，为实时生产调度、优化产线布局、安全生产管理提供参考，有助于提高车间生产效率[2]。

1 系统概述

船舶制造智能车间要求车间内生产人员作业状态、设备物资存放区域、车辆运行路径能够实时跟踪与管理[1]。船舶车间通常是大型单层钢结构建筑，层高超过20 m，跨距超过30 m，长度超过100 m。在这样空旷的建筑物内实现较精准的实时定位，且达到部署成本与定位精度的较好平衡需要综合考虑。对比定位精度、定位延时、系统部署、标签续航等多方面因素，UWB室内定位技术有较大优势，较适合船舶车间定位需求。UWB技术是一种无载波通信技术，具有高频、高带宽、低功耗的特点[3]，信号传输速度快，根据信号飞行时间，可以精确地在发送端和接收端获取时间戳，进而计算出距离。

系统应用在临港厂区船舶车间，车间平面布置如图1所示，共有5跨，设有加工区域、装配区域、组立区域和集控中心，车间内无过多遮挡。通过在车间部署定位基站，生产人员携带胸卡型定位标签，重点设备绑定资源型定位标签，车辆绑定车载型定位标签，通过车间内部专用网络对实时位置信息进行转发、存储至集控中心服务器解算，在集控中心、办公室等部位均可登录查看监控画面。监控大屏、服务器、核心交换机、管理终端等安装在集控中心。

图1 临港厂区车间平面图

2 系统架构

基于UWB技术的定位系统由硬件层、网络层、解算层和应用层组成。硬件层是实现车间定位功能的主体部分，包括定位基站和各形式定位标签[4]；网络层主要用于将定位基站采集的数据信息实时传输到集控中心服务器；解算层实现标签位置数据实时解算及存储；应用层针对船舶车间生产实际需求完成业务功能，并展现给管理人员。如图2所示。

3 部署方案

3.1 定位模式

系统可采用多种定位模式：存在定位、1D定位和2D定位。如表1所示，船舶车间需对人员、设备、车辆进行精确定位，选择2D定位模式较合适。在2D定位模式下，将车间划分成网格，每隔35 m部署1个基站。在非空旷条件下，应增加基站以减小建筑或生产设备的遮挡。

图2 系统架构

表1 定位模式

3.2 定位基站

基站安装的准确位置及安装高度根据现场情况确定。定位基站安装要求：(1)定位基站需用专门制作的支架固定；(2)支架的材质为钢质或铝合金；(3)基站安装面应保持水平，生产车间的基站安装面在同一水平面，展示区基站也应安装在同一水平面；(4)基站距离墙壁或支柱的距离不小于50 cm。如图3所示。

图3 定位基站安装要求示例

3.3 信号传输

为确保定位信号的可靠性传输，定位基站采用有线网络连接方式，有普通网线和光纤两种方式。

(1) 定位场景比较小和简单，定位基站距交换机不超过100 m，通常用RJ45网线和以太网供电(Power Over Ethernet， POE)交换机连接。

(2) 光纤网络稳定性更高，采用单模光纤、单模收发光纤收发器，通过串联方式，间隔100 m预留1个光纤收发器，实现1个光纤头、3个基站节点的网络通信模式。

船舶车间高精度定位系统基站网络采用第二种方式。通过专门敷设光纤网络系统进行定位信号的传输，传输部分主要由光纤、网线、多股平行线、交换机等设备来构建。车间定位基站需接入汇聚交换机，通过光缆将定位信号传输到集控中心。

3.4 定位系统软件

定位系统软件安装在集控中心服务器内，可提供标签位置实时定位、历史轨迹回放、区域统计及电子点名、监控视频联动等功能。

(1) 实时定位：在车间二维电子地图上实时显示人员、设备车辆位置和相关信息，实现人员位置的信息化管理。

(2) 历史轨迹回放：可搜索人员、设备、车辆在某一时间段的历史轨迹，查询和分析人员活动范围历史记录，方便回顾和纠察。

(3) 区域统计及电子点名：可通过设置统计区域和统计目标的方式，统计多区域的目标区域停留状况和标签运动状态。设置点名区域和统计人员的关联，查看点名结果。

(4) 监控视频联动：可将视频监控系统摄像头的位置关联标记到电子地图上，可调取该区域摄像头的实时录像，查看现场的实时状态。

4 验证实施

船舶车间高精度定位系统完成了在临港厂区船舶车间的部署，共计安装20台定位基站，发放25张胸卡定位标签，10台重要设备绑定资产定位标签，5台车辆绑定车载定位标签，实现分米级的定位精度，有助于及时发现员工的不规范操作，降低管理人员的工作强度，提高生产效率，实现船舶车间智能制造试验验证，即实现人员、物品、车载等的高精度、实时定位，实现车间人员、物流、环境等数据的获取和跟踪，提高车间安全防护保障，减少原材料及成品丢失，保障员工生命财产安全，实现外来人员实时监控。集控中心、现场示例及软件界面如图4所示。

图4 船舶车间高精度定位系统及应用

5 结 论

基于UWB技术的高精度定位系统完成了在典型船舶车间的试验验证，通过在车间部署定位设备，实现了船舶车间内人员、设备、车辆分米级的定位精度，满足船舶制造智能车间管控需求，有助于提高车间生产效率。下一阶段将进一步挖掘高精度定位系统的潜在需求，并打通与车间制造执行系统、5S等系统的数据接口，为船舶智能车间管控提供精准、实时、可靠的位置信息。