超宽带 (UWB) 如何助力打造智能工厂？四个落地案例参考

微定位对于通过工业 4.0、智能工厂和 LEAN 计划实现工业运营数字化至关重要。流程优化和保障安全是大多数行业的两个主要考虑因素。通过将人、事、时间、地点与人员、工具、用品、货物、机器和事件实时联系起来，使整个工作环境信息透明。

目前的定位技术，比如 GPS、Wi-Fi 和 Bluetooth Low Energy（低能耗蓝牙），无法实现精密行业所需的微定位。精度达到 10 米以内的 GPS 使得零售业的电子商务取得爆炸性增长，并让我们能够扔掉那些大块头的地图书。Wi-Fi 帮助提高了定位的准确性。低能耗蓝牙在理想条件下可以定位到几英尺之内。但工业和商业应用需要更高的精度和更高的可靠性。

工业环境中的微定位

超宽带技术的厘米级精度使定位和通信精度都达到新的水平，令以前的这些技术望尘莫及。它是微定位服务背后的驱动技术，无线电锚点能将标签定位在几厘米以内。微定位可实时提供信息，并支持分析系统即时测量、分析和报警。来看看这些采用了 UWB 技术的场景。

工艺流程：在生产流程中，材料之间的距离很小，战略性放置 UWB 标签和锚点可在整个生产过程中跟踪材料、货物、工艺和任务，同时更新生产系统，实时测量和计算效率，识别甚至是预测障碍物。

资产利用和检索：可快速定位工厂中贴有标签的工具或其他资产，并通过手持设备上的高精度工厂地图引导员工找到使用。

材料控制：贴有标签的设备、医疗设备和敏感物品，如医院里的管控物品，可以在建筑内的任何地方定位，并清楚地监测其使用情况。

保障安全：机械臂和叉车等机械设备上的标签，以及员工的胸牌，让自动化安全系统能够以亚米级的精度和实时准确跟踪靠近情况，以便在发生违反安全区规定的情况时，使机械设备停止运行并提醒相关人员。

紧急事件：员工胸牌上的 UWB 标签可以识别每位员工及其位置，从而确定他们是否脱离危险或指示前往救援的地点。将位置信息传递给赶往现场的救援人员，这样他们到达现场时就能采取更有效的急救措施，节省宝贵的时间来挽救生命。

还有许多其他潜在的用例，可以提高效率和效益、生产、安全和安保水平（图 1）。

图 1. 工业环境中的 UWB 可以提高效率和效益、生产力、安全和安保水平。

UWB是如何做到如此精确的

工业和商业场所到处都是大型物体（通常是金属，可能还会移动），比如墙壁、车辆和机械，以及电信号噪音。GPS 信号通常无法有效穿透工业结构。而窄带 Wi-Fi 和低能耗蓝牙的无线电能量一般会随着与物体距离的增加而衰减、反射为多路径信号，或在这种环境中丢失。

在测距和定位方面，UWB 不像窄带 Wi-Fi 和低功耗蓝牙那样易受影响。在锚点和标签之间通信时，UWB 通信组件使用极低的信号发送功率，辐射更大的范围带宽，提供比窄带信号更快的脉冲上升和下降时间（图 2）。这种方法有助于确保信号的完整性，减少反射和噪声尖峰的影响，并减少基础设施所需的组件数量。

图 2. 超宽带不受噪声尖峰的影响，这些噪声尖峰会影响窄带信号，降低定位能力。

UWB 使用飞行时间 (ToF) 来测量与标签之间的距离（图 3）。多种 ToF 方法可提高测量的准确性并降低基础设施成本。双向测距 (TWR) 和到达时间差 (TDoA) 测距方法可以消除墙面和机器反射（多路）对信号响度的影响。其他 UWB 测距方法包括到达相位差 (PDoA) 和反向 TDoA (RTDoA)，为不同类型的部署提供优势。这些不同的测距技术可用于识别与物体的距离和方向（矢量）。

图 3. 用 ToF 计算距离。

根据微定位服务的需要，可以部署不同的基础设施，实施不同的测距技术，并可以确定（计算）位置。

在用于导航的标签本身内部，有一种称为下行 TDoA (DL-TDoA) 的方法。

在基础设施内，当一个集中式平台需要追踪标签时。

凭借信号完整性和测距能力，UWB 可以比其他定位和测距技术覆盖更远的距离（图 4）。战略性放置锚点可以向一个标签对象报告不同的范围和向量，在二维和三维空间中非常准确地定位它们。

图 4. UWB 提供更大的覆盖范围和更高精度，使微定位能够使用更少的组件，从而减少基础设施。

支持工业和其它行业的UWB生态系统

即将出台的新 FiRa 标准 (FiRa 2.0) 为使用 UWB 实现微定位开启了更广阔的适用空间。它包含一些针对工业应用的特定功能。它将有助于实现消费者和工业设备之间更好的互操作性（UWB 已经部署在现代智能手机中）。这是将 UWB 纳入大规模实时定位系统 (RTLS) 的第一步，使室内和亚米级精度的地图服务成为可能，比如谷歌地图。

虽然 FiRa 2.0 将会有助于实现新的用例，但该生态系统预计 DL-TDoA 解决方案将取得突破。这些解决方案将使室内的微定位导航具有隐私性，因为只有移动设备才知道自己的位置。这样的服务很快就会出现在支持 UWB 的智能手机上。相关 UWB DL-TDoA 的部署将由基础设施设备的 OEM 厂商决定，例如部署将 UWB 锚点与 Wi-Fi 接入点相结合的接入点。但同时，可以安装在公共或私人设施中的照明和其他固定电源设备也可以触发 DL-TDoA，并在附近有 UWB 支持的设备时启动。

UWB 解决方案已经部署在多种用例中。比如：

欧足联

（美式）足球场一般为 105 米长，68 米宽（115 乘 74.4 码）。也就是 7140 平方米（将近 8540 平方码）。体育馆一般不设顶棚。因此，在球场周围以外的地方放置 UWB 锚点是不现实的。微定位解决方案供应商Noccela 开发了一款 UWB 测距解决方案，它同时使用了 TWR 和 TDoA 测距方法。在他们的解决方案中，每个锚点可以覆盖 500 平方米（近 600 平方码），对移动速度高达 60 公里/小时（超过 37 英里/小时）的物体，精确度可以达到两厘米（0.8 英寸）。使用 UWB 之后，他们可以使用 16 个锚点覆盖整个球场，这些锚点部署在球场周边，仍然能够提供高度精准的 3D 定位。

如果在田径运动中使用运动分析软件，微定位可以让团队优化成绩。但对于欧洲足球联赛来说，这一解决方案对于在疫情期间帮助欧洲球队保持比赛起到了重要作用。新冠病毒肆虐，在疫苗广泛供应之前，欧足联的球员和教练仍有工作要做。但他们需要一种方法，在与其他球员和团队人员近距离练习的同时，跟踪成员之间的社交距离和接触情况。如果不能对个人进行准确跟踪，新冠疫情的爆发可能会导致整个赛季停摆。

基于 UWB 的微定位解决方案可提供点对点跟踪，通过锚点上传成员标签位置。跟踪软件随后会记录上场人员（标签）在任何时间的位置。当团队之中出现传染病感染时，经理可以立刻确定所有潜在感染者并将他们隔离，避免感染整个球队。