Localisation 5G en temps réel pour la production automobile BMW

Christoph Küpper, docteur en ingénierie et responsable des applications radio industrielles chez BMW Group, explique dans un entretien avec Anja Van Bocxlaer le contexte, les conditions préalables et les résultats de sa thèse de doctorat intitulée « Application industrielle de la norme de communication mobile 5G en tant que système de localisation en temps réel (RTLS) dans la production automobile ». Il a obtenu son doctorat en février 2024 à l'université technologique de Brandebourg Cottbus-Senftenberg, avec la mention summa cum laude.

Une recherche pionnière

Pendant trois ans, Christoph Küpper a étudié différentes technologies de localisation et a mis en place des champs d'essai avec divers fournisseurs de réseaux mobiles et de matériel, y compris une configuration de localisation basée sur la 5G. Avec ses recherches doctorales, Küpper a ouvert de nouvelles perspectives dans un domaine technologique largement inexploré.

Cet article présente la plateforme de localisation IPS-i du groupe BMW, indépendante des fournisseurs, compare brièvement les performances de l'UWB et du Wi-Fi, et décrit trois champs d'essai et cas d'utilisation de la 5G. La thèse se termine par un résultat surprenant : la 5G peut fournir des de localisation très performantes, mais elle a encore ses limites. Du moins aujourd'hui.

À propos du Dr.-Ing. Christoph Küpper

Küpper est un expert en applications radio industrielles et travaille depuis plusieurs années chez BMW Group. Depuis février 2023, il est Product Owner Industrial Radio Applications, responsable de la standardisation et de l'optimisation des systèmes radio dans la production industrielle. En 2024, il a obtenu son doctorat sur la localisation basée sur la 5G (RTLS) et a analysé son potentiel pour les applications industrielles.

IPS-i – La plateforme de localisation indépendante des fournisseurs du groupe BMW

Plateforme de localisation modulaire ouverte

IPS-i (International Production System – Identification & Localization) est une plateforme de localisation développée par BMW et continuellement enrichie depuis 2016 afin de fournir des données de localisation sous forme de plateforme et de solution de service. De nombreuses solutions de localisation, telles que l'UWB de divers fournisseurs, sont propriétaires et liées à un matériel spécifique.

BMW a délibérément choisi une approche de plateforme ouverte et modulaire. La vision d'IPS-i est de localiser tous les objets impliqués dans le processus de production, indépendamment de la technologie utilisée. La plateforme fournit des données de position pour divers services et processus commerciaux indépendants, de manière évolutive et à l'échelle mondiale.

Mais, et c'est à mon avis déterminant, la solution de localisation appropriée est toujours spécifique à l'application. Il y a une grande différence entre le fait de simplement localiser un conteneur sur un grand site avec une précision de 20 mètres et le fait de suivre avec précision un tournevis dans une chaîne de montage ou un véhicule dans un parking. Chaque cas d'utilisation a des exigences différentes, et la meilleure technologie doit être évaluée en conséquence. Il ne s'agit pas de trouver la solution parfaite, mais celle qui convient à chaque cas.
Dr.-Ing. Christoph Küpper - Responsableproduit Applications radio industrielles

Intégration technologique flexible

IPS-i intègre des technologies telles que l'UWB, le GPS et l' RFID, qui fournissent des données de localisation standardisées à la plateforme. Grâce à son architecture indépendante des fournisseurs, les usines BMW peuvent choisir en toute flexibilité la technologie la mieux adaptée à leurs besoins sans être liées à un fournisseur spécifique.

Dans les véhicules de série BMW, les outils sont positionnés avec une grande précision. — Dans la production BMW, par exemple, les véhicules et les outils sont localisés avec une grande précision. ***Source : BMW Group***

Collecte et traitement centralisés des données

La plateforme collecte et traite les données de position provenant de diverses sources, puis les consolide dans une base de données unifiée. Cela permet une analyse indépendante de la technologie et simplifie l'intégration dans les infrastructures informatiques existantes. L'agrégation et la normalisation des données permettent de standardiser les données de position provenant de différents systèmes.

Une application évolutive traite plus de 500 millions de points de données par heure dans 14 usines à travers le monde.

Des données standardisées pour de nombreuses applications

La couche de service permet aux applications et aux systèmes d'accéder directement à des informations de position standardisées, sans avoir à se soucier des détails de la technologie de positionnement sous-jacente. Les services et les cas d'utilisation peuvent être configurés dans un modèle en libre-service par les utilisateurs locaux dans la zone de production.

UWB et Wi-Fi mis à l'épreuve

L'UWB est l'une des méthodes de localisation les plus précises, mais l' e de production automobile exige une précision extrêmement élevée, pouvant atteindre 30 cm dans des environnements industriels complexes riches en métaux, avec des problèmes de ligne de visée, des réflexions et des effets multitrajets. Atteindre cette précision est très difficile.

Par ailleurs, les systèmes UWB sont coûteux et nécessitent une infrastructure importante pour leur installation et leur maintenance.

Le Wi-Fi, avec ses mesures améliorées du temps de vol, offre une meilleure précision que les méthodes basées sur la puissance du signal, mais dans les environnements industriels, son applicabilité est limitée par les interférences et les réflexions. La 5G est donc devenue la prochaine étape logique, car elle est de plus en plus intégrée dans les applications industrielles.

Infrastructure 5G pour la communication et la localisation dans la production automobile — Si une infrastructure 5G existante pouvait être utilisée à la fois pour la communication et la localisation, ce serait un scénario idéal pour optimiser les coûts et l'efficacité. ***Source : BMW Group***

Entretien avec le Dr.-Ing. Christoph Küpper

1. Pourquoi la 5G comme technologie de localisation ?

Dr.-Ing. Christoph Küpper : La 5G est en train d'évoluer d'une simple norme de communication mobile vers une solution industrielle à part entière. Des organismes tels que le 3GPP travaillent d'arrache-pied pour rendre la 5G utilisable dans des applications industrielles. C'est précisément ce qui a motivé ma question de recherche : si les réseaux 5G sont de plus en plus intégrés dans l'industrie, pourquoi ne pas utiliser également une fonction supplémentaire telle que la localisation ?

Les caractéristiques techniques et la structure de la norme offrent une base prometteuse à cet égard. Mon objectif était d'explorer les limites de l'utilisation de la 5G pour le groupe BMW. Il s'agissait de déterminer jusqu'où on peut réellement aller avec la 5G dans la pratique.

Il y a ici un point crucial : il y a une grande différence entre « cela fonctionne dans un environnement de recherche ou dans des champs d'essai » et « cela fonctionne dans un environnement industriel réel et complexe ». Dans le contexte de la production automobile en particulier, cette étape est particulièrement difficile.

Mon objectif était donc d'examiner et d'évaluer l'état actuel de la technique, les possibilités potentielles et, surtout, la transposition de la théorie à la pratique. Car c'est seulement ainsi que la 5G pourra s'imposer à long terme comme technologie de localisation industrielle.

Données de localisation pour l'optimisation des processus de production chez BMW — Les données de localisation permettent de contrôler et d'optimiser les processus de production. ***Source : BMW Group***

2. Comment avez-vous planifié les champs d'essai ?

Dr.-Ing. Christoph Küpper : Étant donné que les conditions environnementales peuvent varier considérablement en fonction du cas d'utilisation, j'ai d'abord procédé à une analyse complète des cas d'utilisation. Ceux-ci ont ensuite été regroupés en fonction de leurs exigences et transférés dans trois cas d'utilisation de référence, chacun définissant des exigences différentes pour la technologie de localisation. Il s'agit plus précisément des cas suivants :

« Trouver mon équipement de production » : dans ce cas d'utilisation de référence, divers équipements de production tels que des palettes, des chariots élévateurs ou des outils de grande taille sont localisés dans un environnement relativement ouvert et exempt de machines.
« Flux de matériaux » : dans ce cas d'utilisation de référence, le flux de pièces et de matériaux de production est suivi entre l'entrepôt et l'assemblage.
« Automatisation des processus » : dans ce cas d'utilisation de référence, les véhicules et les outils sont localisés dans l'atelier de montage afin de contrôler automatiquement les processus de production. Cet environnement est le plus exigeant parmi les zones testées.

Par la suite, des zones au sein d'une usine correspondant à ces cas d'utilisation de référence ont été identifiées.

Le résultat a été une zone dans la logistique, une sur les itinéraires des matériaux dans la production et une directement sur la chaîne de montage.

Au total, ces zones couvraient environ 2 500 m² avec différentes configurations d'antennes. En outre, 400 points de référence ont été définis dans ces zones et mesurés avec une précision millimétrique à l'aide d'une technologie laser.

Les champs d'essai ont été structurés de manière à ce qu'un fabricant de matériel fournisse la technologie de base et l'infrastructure d'antennes, tandis qu'un opérateur de réseau mobile (MNO) était responsable du fonctionnement du réseau et de la mise en place du réseau mobile.

Cette répartition des responsabilités a permis de combiner un matériel de pointe avec des conditions réseau optimisées, et ainsi d'évaluer les performances de la technologie de localisation basée sur la 5G dans des conditions de production réelles.

Zone logistique BMW comme site d'essai 5G pour des cas d'utilisation liés à la localisation — Une zone logistique fournit un environnement type pour les cas d'utilisation courants de la localisation et a donc servi de site d'essai pour la 5G. ***Source : BMW Group***

3. Comment avez-vous évalué la précision de la 5G ?

Dr.-Ing. Christoph Küpper : J'ai d'abord réalisé une simulation en collaboration avec le département Localisation et mise en réseau de l'Institut Fraunhofer pour les circuits intégrés (IIS) à Nuremberg/Erlangen. Ensemble, nous avons créé un modèle 3D d'un environnement industriel et, sur cette base, nous avons effectué des simulations de ray tracing.

L'objectif était d'analyser avec précision la propagation des ondes dans les environnements industriels et d'évaluer de manière réaliste la précision de localisation d'un système 5G. De nombreux facteurs ont été pris en compte : les fréquences et les gammes de fréquences, la planification du réseau, le choix du type d'antenne et leur emplacement. Ces résultats ont permis d'obtenir des informations précieuses pour les tests pratiques dans les zones d'essai désignées.

Au final, environ 500 000 calculs de position ont été effectués dans l'usine. Sur la base des points de référence précédemment mesurés au laser, la précision du système de localisation 5G a pu être déterminée.

Simulation par ray tracing pour optimiser la précision de la localisation 5G dans les environnements industriels — Illustration d'une simulation par lancer de rayons utilisée pour estimer et optimiser la précision de la localisation 5G. ***Source : BMW Group***

Les résultats de la simulation montrent une précision de localisation 5G inférieure au mètre et un potentiel d'optimisation. — Les résultats de la simulation démontrent la possibilité d'une localisation submétrique avec la 5G et révèlent un potentiel d'optimisation supplémentaire. ***Source : BMW Group***

4. Quels résultats votre thèse a-t-elle permis d'obtenir ?

Dr.-Ing. Christoph Küpper : Ma thèse a montré que, selon le cas d'utilisation et la configuration du système, il est en effet possible d'atteindre une précision inférieure au mètre avec la 5G dans le contexte de la production automobile. Il s'agit d'une avancée significative, car elle souligne la faisabilité technologique des systèmes de localisation basés sur la 5G dans les environnements industriels.

Il est particulièrement remarquable que les conclusions théoriques que j'avais formulées auparavant aient pu être largement confirmées dans la pratique. En classifiant les exigences, j'ai pu démontrer que celles-ci peuvent effectivement être satisfaites, en fonction du cas d'utilisation spécifique.

Cela signifie que la technologie de localisation 5G est fondamentalement adaptée à un usage industriel et pourrait être déployée dans des environnements de production réels.

Cependant, il est également apparu clairement que l'introduction de la 5G dans l'industrie prend plus de temps que prévu initialement. Cela s'explique principalement par le fait que la composante de localisation 5G représente une étape de développement supplémentaire qui nécessite des progrès technologiques et des ajustements supplémentaires.

Ce retard affecte principalement l'intégration dans les infrastructures existantes et l'adaptation aux exigences industrielles. De nombreux composants matériels et solutions « prêtes à l'emploi » utilisables dans l'industrie pour la localisation 5G sont encore en cours de développement. Les fabricants et les organismes de normalisation s'efforcent de surmonter ces défis et de les optimiser davantage en vue de la 6G.

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Niklas Van Bocxlaer - Responsable événementielsenior , WIoT tomorrow