基于UWB的離散智能車(chē)間可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)的研究及應(yīng)用

王蕓軒 袁逸萍 余耀涵 孫雪峰

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830000）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展，制造系統(tǒng)日益復(fù)雜，生產(chǎn)要素不斷增多，僅通過(guò)人工調(diào)度難以實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)，造成時(shí)間成本和人工成本的浪費(fèi)。離散智能制造車(chē)間在傳統(tǒng)制造車(chē)間的基礎(chǔ)上，除了應(yīng)用加工中心和天車(chē)等設(shè)備，還應(yīng)用了立體倉(cāng)庫(kù)和自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（Automated Guided Vehicle，AGV）等智能設(shè)備，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)增加了管理難度。所以，需要一個(gè)集成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)輔助管理，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的室內(nèi)定位是最關(guān)鍵的問(wèn)題。

當(dāng)前，室內(nèi)高精度定位需求處于高速增長(zhǎng)期，比較常見(jiàn)的室內(nèi)定位技術(shù)有Wi-Fi、無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）、ZigBee、藍(lán)牙以及超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）等[1]。日益復(fù)雜的車(chē)間環(huán)境，為UWB定位技術(shù)的快速發(fā)展提供了機(jī)遇。UWB位置信息技術(shù)的位置精確度高（一般小于1 m）、低功耗、對(duì)通道衰落（如多經(jīng)、非視距等通道）不敏感、抗干擾力量強(qiáng)、不會(huì)對(duì)相同環(huán)境條件下的任何設(shè)施造成影響以及透過(guò)性較強(qiáng)[2]。通過(guò)定位系統(tǒng)可以準(zhǔn)確了解車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中人員、設(shè)備的位置以及狀態(tài)信息。

基于實(shí)時(shí)高精度的定位數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)的車(chē)間可視化監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車(chē)間人員和設(shè)備的定位及預(yù)警，為管理人員提供決策依據(jù)。例如，及時(shí)分配關(guān)鍵或急需物資，從倉(cāng)庫(kù)調(diào)配物資，減少生產(chǎn)過(guò)程的空檔期，提高生產(chǎn)效率。隨著UWB定位理論、技術(shù)和方法的不斷突破與完善，室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景服務(wù)將實(shí)現(xiàn)更高精度、更高便捷性及更高可靠性。

1 基于UWB的監(jiān)測(cè)平臺(tái)可視化設(shè)計(jì)

1.1 離散智能車(chē)間組成

離散智能制造車(chē)間擁有傳統(tǒng)的加工設(shè)備，如加工中心和數(shù)控機(jī)床等，還有立體倉(cāng)庫(kù)和AGV等智能設(shè)備，同時(shí)布置了多種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，力求最大化車(chē)間的利用率。車(chē)間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)間結(jié)構(gòu)

在離散制造企業(yè)的生產(chǎn)車(chē)間系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)每隔幾秒鐘采集一次。使用這些數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，包括設(shè)備的開(kāi)工率、故障率、產(chǎn)量、零件的合格率以及質(zhì)量百分比等。在生產(chǎn)與工藝的改進(jìn)等方面，能夠及時(shí)準(zhǔn)確了解掌握企業(yè)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種實(shí)際生產(chǎn)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種錯(cuò)誤點(diǎn)與技術(shù)問(wèn)題，并及時(shí)予以解決。

1.2 總體設(shè)計(jì)

客戶(hù)端使用C#語(yǔ)言編譯，內(nèi)嵌基于Unity3D的可視化平臺(tái)完成制造車(chē)間內(nèi)的監(jiān)測(cè)、分析及調(diào)度。在室內(nèi)部署UWB硬件設(shè)備，采集的位置數(shù)據(jù)通過(guò)SQL Server軟件存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)C#腳本調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)活動(dòng)，并可以自動(dòng)分析顯示圖表?？蛻?hù)端能夠快速直觀了解廠內(nèi)的人員位置和資源，通過(guò)對(duì)人員位置進(jìn)行追蹤，可以對(duì)已經(jīng)處于或即將進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的人員進(jìn)行報(bào)警提醒。平臺(tái)基于UWB技術(shù)采集數(shù)據(jù)，極大地提高了數(shù)據(jù)采集的速度和精度，降低了管理成本。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在廠內(nèi)部署3～6臺(tái)設(shè)備，其中一臺(tái)設(shè)備為主機(jī)，其余幾臺(tái)設(shè)備為副機(jī)。設(shè)備之間呈環(huán)形依次連接，是一個(gè)封閉多邊形，多邊形區(qū)域內(nèi)為數(shù)據(jù)采集區(qū)域。通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)采集接口與UWB硬件設(shè)備進(jìn)行交互，可以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。UWB軟硬件交互示意圖如圖3所示。

圖3 UWB軟硬件交互示意圖

2.2 硬件選型

通過(guò)分析復(fù)雜環(huán)境下UWB定位平臺(tái)的性能，發(fā)現(xiàn)Ubisense系列定位系統(tǒng)采用到達(dá)時(shí)差法（Time Diあerence of Arrival，TDoA）和到達(dá)角度法（Angle of Arrival，AoA）2種算法進(jìn)行融合解算得到三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)非視距環(huán)境下產(chǎn)生的誤差具有一定抗性，定位精度較好。因此，采用Ubisense Dimension4系統(tǒng)作為UWB實(shí)時(shí)定位平臺(tái)，包括定位基站陣列和Compact型有源標(biāo)簽?；竟ぷ黝l段為6～8 GHz，標(biāo)簽發(fā)出2.4 GHz的脈沖序列信號(hào)與基站相互通信，基站接收后通過(guò)算法計(jì)算定位信息，以“標(biāo)簽編號(hào)-定位時(shí)間-X坐標(biāo)-Y坐標(biāo)-Z坐標(biāo)”的數(shù)據(jù)格式，利用有源以太網(wǎng)（Power Over Ethernet，POE）交換機(jī)，通過(guò)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）傳輸至服務(wù)器平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

使用3D Max軟件建模，在Unity3D軟件中仿照實(shí)際車(chē)間進(jìn)行1∶1布置，通過(guò)C#語(yǔ)言編譯腳本，調(diào)用UWB設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并將其保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人員、AGV及天車(chē)的移動(dòng)，以達(dá)到數(shù)據(jù)可視化的目的。在平臺(tái)對(duì)人員、設(shè)備及區(qū)域設(shè)定標(biāo)簽和閾值，當(dāng)超過(guò)某一閾值時(shí)觸發(fā)函數(shù)，使得報(bào)警物體高亮顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警?？蛻?hù)端采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)，同樣使用C#語(yǔ)言編譯，集監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)功能于一體，可提供快速便捷的服務(wù)。

3.2 軟件功能

客戶(hù)端功能包括狀態(tài)查詢(xún)、仿真追蹤和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.2.1 狀態(tài)查詢(xún)

客戶(hù)端擁有簡(jiǎn)易的可視化界面，能夠查詢(xún)車(chē)間內(nèi)的基礎(chǔ)信息。Unity3D自身無(wú)法建立復(fù)雜模型，因此采用3D Max軟件作為建模工具，可完成加工中心、人員以及AGV等模型的建立，調(diào)整可移動(dòng)關(guān)節(jié)以?xún)?yōu)化模型，減少對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存的占用。將模型文件以FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D的Assets文件中，通過(guò)調(diào)整位置實(shí)現(xiàn)需要的效果。狀態(tài)查詢(xún)模塊通過(guò)C#語(yǔ)言編譯實(shí)現(xiàn)，能夠讀取和顯示結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)。

3.2.2 仿真追蹤

該模塊內(nèi)嵌基于Unity3D的可視化界面。界面設(shè)計(jì)制作使用Unity3D的次世代界面（Next-Gen User Interface，NGUI）插件完成。NGUI組件包括Canvs、Even-System、Text、Image、Button以 及 Panal等多種元素[3]，在界面中先后設(shè)置Canvs、Image及Button組件，在按鈕中添加Active函數(shù)和flag值，通過(guò)點(diǎn)按的方式實(shí)現(xiàn)界面設(shè)計(jì)（User Interface，UI）的開(kāi)關(guān)和追蹤物體的切換。

平臺(tái)內(nèi)可以觀察到廠內(nèi)人員、設(shè)備的實(shí)時(shí)位置、坐標(biāo)信息以及廠區(qū)內(nèi)物流狀態(tài)。平臺(tái)設(shè)置具有預(yù)警和報(bào)警功能，能及時(shí)提示已經(jīng)或即將處于危險(xiǎn)區(qū)域的人員。在驅(qū)動(dòng)物體或人員移動(dòng)的C#腳本中，給監(jiān)測(cè)物體和危險(xiǎn)區(qū)域添加Tag，設(shè)定對(duì)應(yīng)的閾值。當(dāng)腳本監(jiān)測(cè)到帶有特殊Tag的物體和區(qū)域重疊時(shí)會(huì)觸發(fā)閾值函數(shù)，使其對(duì)物體施以紅色高亮顯示，并及時(shí)將信息反饋給管理員[4]。

3.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

交互動(dòng)作主要通過(guò)C#語(yǔ)言編譯的腳本程序?qū)崿F(xiàn)，與SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器對(duì)接完成信息存儲(chǔ)功能。該模塊在后臺(tái)對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取和分析，并通過(guò)圖表形式顯示，可以獲得設(shè)備的使用效率和違規(guī)次數(shù)等信息，給管理者進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了極大便利。

4 系統(tǒng)實(shí)施效果

智能離散車(chē)間可視化監(jiān)測(cè)平臺(tái)集成了狀態(tài)查詢(xún)、仿真追蹤和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)可視化，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)度和優(yōu)化，完成可視化車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)管理[5]。

通過(guò)客戶(hù)端系統(tǒng)，管理人員可以了解生產(chǎn)進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問(wèn)題，并可針對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行資源調(diào)度和優(yōu)化改善，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集與反饋，實(shí)現(xiàn)了車(chē)間管理的可視化、實(shí)時(shí)化及協(xié)同化，提高了生產(chǎn)效率和資源利用率，降低了管理難度和成本。

5 結(jié)語(yǔ)

基于UWB的制造車(chē)間實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，針對(duì)制造資源的差異性，能夠靈活采集有效的實(shí)時(shí)定位信息，幫助管理者實(shí)時(shí)追蹤各種制造資源的狀態(tài)信息。它也可在生產(chǎn)過(guò)程中合理分配不同的制造資源，解決資源浪費(fèi)問(wèn)題，利用實(shí)時(shí)定位的優(yōu)點(diǎn)，監(jiān)控并及時(shí)解決制造資源分配不均勻的問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率。