Development of an indoor positioning system to create a digital shadow of production plant layouts
Date
2023-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Plant layouts were historically considered to be very static and non-volatile structures. With the increasing influence of internal and external factors causing turbulence in enterprises, it became necessary for enterprises to be able to adapt themselves to short-term influences in order to sustain optimal operational efficiency. One possible adjustment tool for such an adaptation is the plant layout through the rearrangement of the individual facilities inside the plant. Consequently, the life cycles of plant layouts in modern industries have considerably shortened due to the impact of dynamic factors causing turbulences. However, changing the plant layout is a complex undertaking as it has a considerable effect on the underlying interconnected processes in production. As the information about the plant layout is crucial and considered as master data in production systems, it is essential that this data remains accurate and up-to-date. The objective of this dissertation is therefore to develop an indoor positioning system that allows the creation of a digital shadow of the plant layout in order to continuously represent the actual state of the physical layout in the virtual space. In order to define the requirements for such a system, potential stakeholders who could benefit from a digital shadow in the context of the plant layout were analysed. In order to generate added value for their work, the requirements were derived from their perspective. As the core of an indoor positioning system is the sensory aspect to capture the physical layout parameters, different potential technologies were compared and evaluated in terms of their suitability for this particular application. Derived from this analysis, the selected concept is based on the use of a pan-tilt-zoom (PTZ) camera in combination with fiducial markers. In order to determine specific camera parameters, a series of experiments were conducted which were necessary to develop the measurement method as well as the mathematical calculation method and coordinate transformation for the determination of poses (positions and angular orientations) of the respective facilities in the plant. In addition, an experimental validation was performed to ensure that the limit values for individual parameters determined in the requirements analysis can be met. Subsequently, the overall system was developed and implemented as a prototype. Especially the interfaces and data formats for the transfer of the collected data to typical software systems used by the stakeholders were considered. The functionality and the added value of the indoor positioning system were then validated in a case study. Thereby, the benefit of the created digital shadow of the plant layout was examined from different perspectives. The findings revealed that utilising the developed indoor positioning system for the automated capture of the plant layout and its subsequent transfer to other systems offers significant advantages in terms of accuracy and effort reduction as compared to other existing methods. This integration of the automatically updated plant layout into the production master data proved to be particularly beneficial for plant simulation, material flow analysis and route planning.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitleg van aanlegte is histories beskou as baie statiese en nie-wisselvallig strukture. Met die toenemende invloed van interne en eksterne faktore wat onstuimigheid in ondernemings veroorsaak, het dit nodig geword dat ondernemings hulself kan aanpas by korttermyninvloede om optimale bedryfsdoeltreffendheid te handhaaf. Een moontlike verstellingsmeganisme vir so ’n aanpassing is die herrangskikking van die uitleg van die onderskeie fasiliteite binne die aanleg. Gevolglik het die lewenssiklusse van aanleguitlegte in moderne nywerhede aansienlik verkort as gevolg van die impak van dinamiese faktore wat die onstuimighede veroorsaak. Die verandering van die aanleguitleg is egter ’n komplekse taak, aangesien dit ’n aansienlike uitwerking op die onderliggende, onderling verbonde produksieprosesse het. Aangesien die inligting oor die aanleguitleg van kardinale belang is en as meesterdata in produksiestelsels beskou word, is dit noodsaaklik dat hierdie data akkuraat en op datum bly. Die doel van hierdie proefskrif is dus om ’n binnenshuise posisioneringstelsel te ontwikkel wat die skep van ’n digitale skaduwee van die aanleguitleg moontlik maak, sodat die werklike toestand van die fisiese aanleguitleg voortdurend in die virtuele ruimte verteenwoordig kan word. Ten einde die vereistes vir so ’n stelsel te bepaal, is potensiële belanghebbendes wat voordeel kan trek uit ’n digitale skaduwee binne die konteks van die aanleguitleg, nagevors. Aangesien die kern van ’n binnenshuise posisioneringstelsel die sensoriese aspek is om die fisiese aanleguitlegparameters waar te neem, is verskillende potensiële tegnologieë vergelyk en geëvalueer in terme van geskiktheid vir hierdie spesifieke toepassing. Uit hierdie analise is die gekose konsep baseer op die gebruik van ’n pan-tilt-zoom (PTZ) kamera in kombinasie met fidusiële merkers. Om spesifieke kameraparameters te bepaal, is ’n reeks eksperimente uitgevoer wat nodig was om die meetmetode, asook die wiskundige berekeningsmetode en koördinaattransformasie, te ontwikkel vir die bepaling van die individuele fasiliteitsposisies. Daarbenewens is ’n eksperimentele validering uitgevoer om te verseker dat die grenswaardes vir individuele parameters wat bepaal is in die vereistesanalise, behaal kan word. Daarna is die algehele stelsel ontwikkel en in ’n praktiese omgewing geïmplementeer. Veral die koppelvlakke en dataformate vir die oordrag van die ingesamelde data na tipiese sagtewarestelsels wat deur die belanghebbendes gebruik word, is in aanmerking geneem. Die funksionaliteit en die toegevoegde waarde van die binnenshuise posisioneringstelsel is daarna in ’n gevallestudie gevalideer. Daardeur is die voordeel van die geskepte digitale skaduwee van die aanleguitleg vanuit verskillende perspektiewe ondersoek. Die bevindinge het getoon dat die gebruik van die ontwikkelde binnenshuise posisioneringstelsel vir die outomatiese vaslegging van die aanleguitleg en die daaropvolgende oordrag na ander stelsels aansienlike voordele bied in terme van akkuraatheid en werkvermindering vergeleke met ander bestaande metodes. Hierdie integrasie van die outomaties bygewerkte aanleguitleg met die produksie meesterdata was veral voordelig vir aanlegsimulasie, materiaalvloeianalise en roetebeplanning.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die uitleg van aanlegte is histories beskou as baie statiese en nie-wisselvallig strukture. Met die toenemende invloed van interne en eksterne faktore wat onstuimigheid in ondernemings veroorsaak, het dit nodig geword dat ondernemings hulself kan aanpas by korttermyninvloede om optimale bedryfsdoeltreffendheid te handhaaf. Een moontlike verstellingsmeganisme vir so ’n aanpassing is die herrangskikking van die uitleg van die onderskeie fasiliteite binne die aanleg. Gevolglik het die lewenssiklusse van aanleguitlegte in moderne nywerhede aansienlik verkort as gevolg van die impak van dinamiese faktore wat die onstuimighede veroorsaak. Die verandering van die aanleguitleg is egter ’n komplekse taak, aangesien dit ’n aansienlike uitwerking op die onderliggende, onderling verbonde produksieprosesse het. Aangesien die inligting oor die aanleguitleg van kardinale belang is en as meesterdata in produksiestelsels beskou word, is dit noodsaaklik dat hierdie data akkuraat en op datum bly. Die doel van hierdie proefskrif is dus om ’n binnenshuise posisioneringstelsel te ontwikkel wat die skep van ’n digitale skaduwee van die aanleguitleg moontlik maak, sodat die werklike toestand van die fisiese aanleguitleg voortdurend in die virtuele ruimte verteenwoordig kan word. Ten einde die vereistes vir so ’n stelsel te bepaal, is potensiële belanghebbendes wat voordeel kan trek uit ’n digitale skaduwee binne die konteks van die aanleguitleg, nagevors. Aangesien die kern van ’n binnenshuise posisioneringstelsel die sensoriese aspek is om die fisiese aanleguitlegparameters waar te neem, is verskillende potensiële tegnologieë vergelyk en geëvalueer in terme van geskiktheid vir hierdie spesifieke toepassing. Uit hierdie analise is die gekose konsep baseer op die gebruik van ’n pan-tilt-zoom (PTZ) kamera in kombinasie met fidusiële merkers. Om spesifieke kameraparameters te bepaal, is ’n reeks eksperimente uitgevoer wat nodig was om die meetmetode, asook die wiskundige berekeningsmetode en koördinaattransformasie, te ontwikkel vir die bepaling van die individuele fasiliteitsposisies. Daarbenewens is ’n eksperimentele validering uitgevoer om te verseker dat die grenswaardes vir individuele parameters wat bepaal is in die vereistesanalise, behaal kan word. Daarna is die algehele stelsel ontwikkel en in ’n praktiese omgewing geïmplementeer. Veral die koppelvlakke en dataformate vir die oordrag van die ingesamelde data na tipiese sagtewarestelsels wat deur die belanghebbendes gebruik word, is in aanmerking geneem. Die funksionaliteit en die toegevoegde waarde van die binnenshuise posisioneringstelsel is daarna in ’n gevallestudie gevalideer. Daardeur is die voordeel van die geskepte digitale skaduwee van die aanleguitleg vanuit verskillende perspektiewe ondersoek. Die bevindinge het getoon dat die gebruik van die ontwikkelde binnenshuise posisioneringstelsel vir die outomatiese vaslegging van die aanleguitleg en die daaropvolgende oordrag na ander stelsels aansienlike voordele bied in terme van akkuraatheid en werkvermindering vergeleke met ander bestaande metodes. Hierdie integrasie van die outomaties bygewerkte aanleguitleg met die produksie meesterdata was veral voordelig vir aanlegsimulasie, materiaalvloeianalise en roetebeplanning.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.