基于 UWB定位的工业智能管理监测系统的研究

张政胤、张浩、郭丽莹、吴永安、岳秀明

摘要：工业的快速发展为国家经济发展做出了巨大贡献，但当前工业生产面临管理模式粗放、生产效率不高及安全事故频发等问题。因此，智能管理工作人员和监测工业企业环境势在必行。本文在总结分析工业企业安全管理普遍存在的问题的基础上，采用基于信号到达时间差的定位方式，对工业智能管理监测系统进行研究。本系统提高安全管理生产和工作管理效率，减少安全生产事故的发生。

关键词：UWB定位；智能管理；生产效率

1 方案概述

1.1 背景分析

智能制造业的数字化、智能化应用，完成了互联网+社会生产力的对接，为企业可持续发展提供了源动力。但纵观诸多工业企业的智能化管理，仍存在数据碎片化现象。针对上述问题，国内工业企业结合各自的行业特点，全面采集企业各个网元和个体的精确位置等实际运行数据，构建工业企业安全体系^[1]。

1.2 UWB定位技术

超宽带 UWB 技术是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，适用于工业企业安全领域的室内外定位。在频谱较宽的频段上，对功率极低的通信信号进行传输，具有抗干扰性能强，传输速率高，功耗低等特点，系统安全性高、穿透性强、整体造价便宜、系统架构实现简单，非常低的信号辐射基本不会对其他工业仪器造成干扰^[2]。

2 目前工业智能管理存在的问题

2.1 人员和物资由于其复杂性难以定位

人员定位的复杂性：工厂人员较多且流动频繁、区域较大，很难精准掌握人员的实际位置，到岗时间等数据。企业如果无法精准掌握人员的实际位置，到岗时间和作业状态等数据，生产及管控效率很难提高，也很难预防安全事故的发生。物资定位的复杂性：工厂物资设备比较多，对于大型企业，通常有多个仓库同时使用，企业经常会出现物资设备丢失、损坏等情况。另外，企业当前管理模式落后，诸多物资设备粗放式的管理容易造成废旧物资引起事故。

2.2 工厂人员和物料调度低

当前人员和物料合理调度性差，造成资源浪费和生产效率低等问题。同时，产品智能跟踪不善，高度精细化库内管理实现难。当前实际的车间调度问题有以下特点：

（1）复杂性。由于车间调度问题是在等式或不等式约束下求性能指标的优化，因而一些常规的最优化方法往往无能为力。

（2）动态随机性。实际的车间调度往往根据时间的变化而变化，且在动态系统中的随机性是不可避免的。

（3）多目标。实际的车间调度往往是多目标的，并且这些目标间可能发生冲突。

2.3 仓储管理不完善

在工业生产过程中，设备的摆放的情况会极大程度地影响生产原材料搬运的效率，同时也需要浪费一定的时间和空间。目前公司在库存控制方面普遍存在两种现象：一种是部分物资淘汰后仍超储积压，为盘点、对账等工作带来不便。另一种是仓储管理体系的混乱，管理员无法准确掌握库存情况，出现所需材料库存短缺的情况，直接影响到企业的正常生产，效率大大降低。

3 工业智能管理监测系统研究

3.1 系统方案简介

本系统深度融入了UWB 高精度多维定位技术，应用于安全生产管理中。首先，结合人员和物资的精准定位，对比分析AoA、ToF和TDOA三种UWB定位算法，确定了采用基于信号到达时间差的定位方式。为提高定位坐标精度，研究了经典的UWB定位算法，通过理论分析和仿真计算，对TDoA算法进行优化。其次，围绕工业智能管理监测系统要求，设计了一套较为具体的监测系统总体框架，主要包括人员管理、报警管理、轨迹管理、监控管理四大模块。同时，设计了工业智能管理监测系统硬件电路，编写了系统的下位机和上位机软件程序。最后，基于所设计的系统方案，从基站数量和基站摆放的间距方面，对UWB定位参数进行优化。

3.2 UWB 高精度多维定位技术应用

本系统采用 UWB 技术进行空位，提供多维定位服务，包含一维、二维和三维定位，可实现三维立体展示，能更全面地展现企业人员的实际工作情况^[3]。通过在工业生产厂区内外布设一定数量的基站，企业员工佩戴有源标签，工业生产设备安装有源标签，从而可以快速定位企业员工和工业物资设备的精确位置，零延时地将企业员工和工业设备的具体位置信息实时地显示在定位引擎上。

3.3工业智能管理监测系统功能应用

3.3.1 安全管控

安全管控主要包括员工位置管理、高危区域出入管理和人车安全距离。

①员工位置管理：在工厂的任意区域内可以对在岗员工的位置实时统计，并将员工的路径轨迹实时反馈到系统后台，有效提高员工的工作效率。实时监控员工的在线离线状态，对工厂各区域员工的工作时长进行统计分析，也可以对不同班次员工的产出情况进行对比，将员工的工作效率最优化。

②高危区域出入管理：在工厂的高温、高压、有毒有害气体、放射性等高危区域对员工的进出、工作状态实时统计，工作时长在达到特定值时触动警报报警，时刻保证员工的人身安全。

③人车安全距离：系统可根据工厂需要设定工厂内手推车、叉车等与员工的安全距离，在二者的距离小于特殊值时触动警报报警，以提醒工作人员，确保人员安全。

3.3.2 节拍效率优化

根据定位系统获得员工的动线图，系统将动线图和工位进行匹配，分析其中存在的多余的动作，结合工厂实际优化方案落实，回顾优化结果，持续优化。

3.3.3 物料实时跟踪

产线的生产过程基于RFID和条码，能保证有效地跟踪，但离开产线后，物料位置不可跟踪。本系统可在待返修的产品上增加标签，物料框侧面增加墨水屏标签，在手推车增加UWB&BLE双模标签，在物料上采样BLE标签，系统后台将物料和手推车自动绑定，时刻跟踪其位置，方便后期检查处理。

3.3.4 设备资产利用率分析

设备资产利用率分析主要包括动线分析、利用率分析和工具设备管理。

①动线分析：动线图显示是否存在规划不合理、是否存在更优路径等问题，与各叉车之间是否存在工作分配不平衡等问题。

②利用率分析：装卸、等待、在不同区域的工作时间等根据效率分析，持续优化，为再买入或卖出做建议。

③工具设备管理：扳手必须在指定工位使用，若离开工位，管理系统让扳手作用失效。

4 结束语

基于UWB定位的工业智能管理监测系统的研究，通过精细化智能数据分析，归纳出安全生产解决方案并优化已有安全执行方案，为工业企业用户智能选择合理的安全生产策略提供支撑。本系统将极大幅度提高生产安全管理和工作管理效率，有效避免工业生产安全隐患，对于工业企业实现安全系统智能化和信息化意义深远。

【参考文献】

[1]李敏波,王海鹏,陈松奎,廖倡.工业大数据分析技术与轮胎销售数据预测[J].计算机工程与应用,2017,53(11):100-109.

[2]高思琪,孙建平.UWB定位技术的应用研究[J].仪器仪表用户,2019,26(03):77-82.

[3]周月娥.基于UWB定位的工业安全大数据平台研究[J].通讯世界,2020,27(04):39-40.

作者简介：张政胤（2000-），男，山东枣庄人，网络工程专业，本科学生；