基于實(shí)時(shí)定位的離散制造車間物料配送方法研究

張世文，袁逸萍，李 明，李曉娟

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

為滿足當(dāng)前多品種、個(gè)性化的制造模式和市場(chǎng)需求，離散制造企業(yè)配置了高度柔性化的混流裝配線，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，同時(shí)加大了物料配送的精準(zhǔn)管控難度。如何保證物料配送準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確、高效可控，是離散制造企業(yè)亟需解決的問(wèn)題之一。

針對(duì)物料配送難題，文獻(xiàn)[1]采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)“裝配計(jì)劃—裝配任務(wù)—日作業(yè)計(jì)劃”三級(jí)管控機(jī)制實(shí)現(xiàn)了裝配物料的精細(xì)化管控；文獻(xiàn)[2]對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配的采購(gòu)物料和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)物料與生產(chǎn)的多層次、可視化協(xié)同管控；文獻(xiàn)[3]基于無(wú)線射頻識(shí)別建立裝配過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了混流裝配線物料配送動(dòng)態(tài)管控的可視化；文獻(xiàn)[4]通過(guò)融合RFID 和Wifi 技術(shù)對(duì)物料識(shí)別、實(shí)時(shí)定位和跟蹤方法進(jìn)行改進(jìn)，有效減少物料盤點(diǎn)和檢測(cè)工時(shí)；文獻(xiàn)[5]采用RFID 和超聲波混合定位方法，達(dá)到作業(yè)車間物料配送小車實(shí)時(shí)位置信息的獲??；文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析物料配送拉動(dòng)系統(tǒng)和看板運(yùn)作流程，開發(fā)出基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的物料ANDON 系統(tǒng)，并應(yīng)用于混流轎車總裝配線，實(shí)現(xiàn)物料及時(shí)準(zhǔn)確的配送。

離散制造車間物料數(shù)量繁多、配送周期短，物料流轉(zhuǎn)頻繁，不確定因素如突發(fā)訂單，制約了物料配送的及時(shí)準(zhǔn)確性，由于缺乏物料的定位和跟蹤手段，車間管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)掌握物料的位置和狀態(tài)信息。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、物料定位與追蹤等環(huán)節(jié)，能有效獲取物料配送過(guò)程的實(shí)時(shí)位置信息。

2 物料動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)識(shí)別方法

RFID 通過(guò)特定頻段的射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的非接觸式自動(dòng)識(shí)別和信息的讀取，射頻信號(hào)具有較強(qiáng)的穿透力[7-8]。且支持多目標(biāo)、移動(dòng)標(biāo)簽的同時(shí)讀寫和自動(dòng)識(shí)別。UWB 利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，較寬的頻譜上可傳送極低功率的信號(hào)，理論定位精度可達(dá)厘米級(jí)[9-10]。

綜合考慮車間現(xiàn)場(chǎng)布置、成本、精度等因素，采用UWB 和RFID 技術(shù)對(duì)物料的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將RFID 讀寫器安置在庫(kù)房和車間出入口、各工作中心的物料接收區(qū)、部件和成品暫存區(qū)，RIFD 和UWB 標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)物料的唯一標(biāo)識(shí)。定位過(guò)程，如圖1所示。配送過(guò)程中，當(dāng)攜帶RFID 標(biāo)簽的物料進(jìn)入某標(biāo)記區(qū)域內(nèi)，根據(jù)讀寫器接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）值計(jì)算目標(biāo)標(biāo)簽的坐標(biāo)。UWB 傳感器接收標(biāo)簽主動(dòng)觸發(fā)的信號(hào)，定位引擎根據(jù)各傳感器的固定坐標(biāo)和收到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，通過(guò)TOA 算法計(jì)算出兩者之間的距離，從而得到目標(biāo)標(biāo)簽即物料的位置坐標(biāo)。以精確的位置數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物料從零部件出庫(kù)上線到成品下線入庫(kù)全過(guò)程的定位和追蹤。

圖1 基于RFID 和UWB 的定位流程Fig.1 RFID and UWB Based Positioning Process

針對(duì)車間資源管理、裝配任務(wù)調(diào)度、物料配送優(yōu)化等不同的應(yīng)用目標(biāo)。雖然專家和學(xué)者提出的物料配送架構(gòu)層次和覆蓋內(nèi)容存在差異，但都是以數(shù)據(jù)“采集-傳輸-分析處理”為主線，基本架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 離散制造車間物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)Fig.2 IoT Basic Architecture of Discrete Manufacturing Workshop

3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法

3.1 UWB 實(shí)時(shí)位置信息過(guò)濾

由于車間環(huán)境干擾，傳感器接收的定位信號(hào)常含有噪聲，影響UWB 的定位精度。因此需結(jié)合信息過(guò)濾方法，提高UWB 系統(tǒng)的定位精度和可靠性。

根據(jù)物料的配送規(guī)律，配送車輛在配送過(guò)程受到地面約束，只能沿地面水平運(yùn)動(dòng)，故將UWB 定位標(biāo)簽附在車身固定高度，定位標(biāo)簽在固定高度平面自由運(yùn)動(dòng)，標(biāo)簽高度理論上保持不變。在高度方向施加約束，當(dāng)標(biāo)簽在某段時(shí)間內(nèi)無(wú)法識(shí)別時(shí)，標(biāo)簽高度始終保持初始值。模型，如式（1）所示。

式中：Pt—標(biāo)簽當(dāng)前時(shí)刻的空間位置；Pt-1—上一時(shí)刻的位置；Δt—時(shí)間差；Gv—標(biāo)簽速度中的高斯噪聲。

當(dāng)標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)速度較小，其位置變化小于靜態(tài)識(shí)別距離時(shí)，則默認(rèn)標(biāo)簽處于低速或靜止?fàn)顟B(tài)，則切換至靜態(tài)信息過(guò)濾模式。此模式下通過(guò)增加過(guò)濾幅度，實(shí)現(xiàn)位置信息的平滑處理，計(jì)算公式，如式（2）所示。

式中：β—靜態(tài)平滑參數(shù)，通常取0.1；

Pc—標(biāo)簽當(dāng)前位置計(jì)算值。

3.2 RFID 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

當(dāng)RFID 讀寫器讀取信息時(shí)，可識(shí)別區(qū)域內(nèi)的所有標(biāo)簽可看作抽樣的樣本空間，在讀標(biāo)簽可作為該樣本空間內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)抽樣。對(duì)于標(biāo)簽Tag_i，在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)讀取N 次的事件服從伯努利二項(xiàng)分布現(xiàn)假設(shè)閱讀周期的數(shù)量為ni，根據(jù)式（3）可計(jì)算出標(biāo)簽被讀取次數(shù)Ai的期望值，公差計(jì)算，如式（4）所示。

Ai—讀取次數(shù)；

ni—閱讀周期的數(shù)量。

為保證標(biāo)簽至少被讀到一次，δ 需滿足：

式中：δ—標(biāo)簽的設(shè)置信度

用Matlab對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析(圖4),得到的擬合公式為:Y3=-0.4674x12+18.1217 x1+0.0500x22-17.2167x2+0.4128x1x2,其中Y3為根系活力指數(shù),x1 為晝溫,x2為夜溫,在取樣點(diǎn)附近溫度范圍內(nèi),根據(jù)回歸公式,夜溫與根系活力呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)性小,晝溫與根系活力呈正相關(guān),且相關(guān)性較大。分析圖4,因在S溫度區(qū)域內(nèi)根系活力預(yù)測(cè)值顯著降低,同樣可以得出在此溫度區(qū)間內(nèi)不適合作物根系活力提升。

根據(jù)二項(xiàng)分布，ni須滿足：

根據(jù)中心極限定理，檢測(cè)到標(biāo)簽動(dòng)態(tài)變化的充分條件是：

4 瓶頸物料識(shí)別

圖3 瓶頸物料識(shí)別流程圖Fig.3 Bottleneck Material Identification Process

瓶頸物料是指在裝配過(guò)程中制約生產(chǎn)計(jì)劃有效產(chǎn)出的關(guān)鍵物料，是制約物料及時(shí)配送的因素之一，是裝配進(jìn)度和物料配送之間的重要節(jié)點(diǎn)。由于物料繁多，管理困難，首先運(yùn)用ABC 分類法將物料關(guān)鍵的“少數(shù)”和次要的“多數(shù)”進(jìn)行區(qū)分，占庫(kù)存總金額70%的物料為 A 類，20%的為 B 類，10%的為C 類。ABC 以物資價(jià)值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分類控制策略相對(duì)單一，不能篩選出瓶頸物料。若B 類或C 類中某物料庫(kù)存量少且采購(gòu)周期長(zhǎng)，長(zhǎng)期斷貨導(dǎo)致裝配任務(wù)中斷，則可將其歸為瓶頸物料。瓶頸物料的判定是根據(jù)物料可用量和產(chǎn)品的層級(jí)關(guān)系，對(duì)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解獲取不滿足當(dāng)前配送需求的零部件，從而識(shí)別出瓶頸物料信息。具體判別的流程，如圖3 所示。

5 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

5.1 體系結(jié)構(gòu)

采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)，設(shè)計(jì)離散制造車間物料配送體系結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。主要由用戶層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層組成。

圖4 車間物料配送體系Fig.4 Workshop Material Distribution System

5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模型

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模型Fig.5 System Database Model

物料配送過(guò)程數(shù)據(jù)交叉且關(guān)系復(fù)雜，系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)具有高度準(zhǔn)確性，且盡量降低數(shù)據(jù)冗雜度。采用SQL-Server 構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，模型如圖5 所示。

5.3 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)構(gòu)建模型，在Microsoft.NET2010開發(fā)環(huán)境下功能實(shí)現(xiàn)。

圖6 物料需求和任務(wù)分配界面Fig.6 Material Requirements and Task Assignment Interface

通過(guò)物料分類和瓶頸物料識(shí)別后進(jìn)行標(biāo)簽綁定，作為物料的唯一標(biāo)識(shí)，以便對(duì)物料在后續(xù)一系列轉(zhuǎn)移過(guò)程中進(jìn)行定位和跟蹤。操作界面，如圖7 所示。

圖7 物料配送任務(wù)跟蹤界面Fig.7 Material Distribution Task Tracking Interface

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)離散制造車間物料配送的需求和物料管控難題，提出一種實(shí)時(shí)定位方法，并對(duì)實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行過(guò)濾和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。通過(guò)瓶頸物料識(shí)別，制定物料配送定位策略。構(gòu)建系統(tǒng)的體系架構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)模型。提升離散制造企業(yè)對(duì)裝配計(jì)劃和物料配送的雙重管控，提高物料配送的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。