基于UWB的数字化制造车间物料实时配送系统 【技术领域】
本发明属于先进制造与自动化技术领域，涉及一种基于超宽带无线技术(UltraWideband，UWB)的数字化制造车间物料实时配送方法和系统。
背景技术
在数字化制造车间的生产过程中，物料配送是非常重要的环节。随着市场需求的个性化发展，企业的生产模式已经由单一品种大批量生产转变为多品种小批量生产，特别是随着准时生产(Just-in-time，JIT)理念逐步被制造企业采纳与推广应用，“近零库存生产”、“即需即送”的物料配送模式已成为制造企业降低库存成本、提高生产效益的关键手段之一。这使得数字化制造车间的物料配送变得日益繁重和复杂，如何保证车间生产所需的各种物料资源在正确的时间、以正确的数量、运送到正确的加工位置已成为数字化制造车间物料配送亟待解决的瓶颈问题。
在传统的制造车间中，由于缺乏对车间物料配送的管理和配送小车的实时定位跟踪技术的支持，车间物料配送一直存在如下难题：
1)车间物料配送大多数是凭借配送人员的经验，缺乏对车间物料配送任务和配送路径规划与导引，车间物料配送没有科学依据。
2)缺乏数字化制造车间的实时定位和跟踪的有效方法和手段，物料配送小车的实时定位与跟踪无法实现，导致对物料配送过程的可视化监控无法完成。
由于以上两个问题的存在，车间物料配送经常出现配送不及时、配送出错，使生产过程出现等待甚至中断，从而影响生产进度，延误交货期，打乱车间作业计划的执行，难以满足JIT的需求。
超宽带无线技术的出现和快速发展，为数字化制造车间配送小车实时定位提供了技术与实现手段，从而使数字化制造车间物料实时配送成为可能。UWB技术是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄的脉冲来传输数据，从而具有Ghz量级的带宽。该技术具有传输速率高、功耗低、抗多径效果好、安全性高和系统复杂度低等优点，在无线定位应用上有很大的技术优势。利用超宽带无线技术进行定位，精度上可达厘米级，同时超宽带信号还有极强的穿透能力，完全能够满足室内精确定位的要求。UWB技术由于以上诸多优点，英国剑桥大学研制的超宽带实时定位系统已经用于英国Sellafield核电站，为员工提供定位服务；Harry K.H.Chow已将UWB技术应用于仓库作业管理，实现对仓库作业过程进行监控；唐恩科技已将UWB技术应用于室内人员的定位，仓储定位管理系统，，生产自动化辅助系统；但如何采用UWB技术实现数字化制造车间配送小车实时定位，从而实现车间物料实时配送还未见研究与应用，但上述研究成果对本发明的实施与应用提供了很好的借鉴。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于超宽带无线技术(Ultra Wideband，UWB)的数字化制造车间物料实时配送系统。通过数字化制造车间可视化精确布局模块完成车间制造资源的布局，进而在采用超宽带无线技术对物料配送小车进行实时定位跟踪的基础上，提出并建立数字化制造车间物料实时配送路径规划方法与模型，实现配送小车的物料配送路径的实时规划与导航，最终达到对数字化车间物料配送任务实时监控的目标。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
基于UWB的数字化制造车间物料实时配送系统，包括数字化制造车间可视化精确布局模块、数字化制造车间物料实时配送与监控模块。所述数字化制造车间可视化精确布局模块在车间统一的坐标系下，对车间的制造资源(包括加工设备、库存单元、UWB设备、配送小车等)进行简化，按照实际的尺寸和相对位置进行规划与布置，加工设备分行排列，设备间的横向和纵向间距确定，通道的位置与尺寸固定。通过对车间制造资源向计算机映射，实现物理制造车间布局的数字化与可视化。
所述数字化制造车间物料实时配送与监控模块主要包括两个子模块：物料配送小车路径规划和导航子模块、物料配送小车实时定位与跟踪子模块：
所述物料配送小车路径实时规划和导航子模块，根据数字化制造车间规划的物料配送任务，物料配送小车路径实时规划和导航子模块以该次配送任务的配送路径最短为目标，建立数字化制造车间物料配送路径规划决策模型，并采用分支定界算法对模型进行解算，确定配送任务的最短配送距离、配送小车和最优的配送路径。当物料配送开始时，规划的配送路径即时的显示在数字化制造车间可视化精确布局平台上，为车间物料配送人员提供配送任务路径导航。
所述配送小车实时定位与跟踪子模块，在数字化制造车间可视化精确布局模块的支持下，以UWB硬件为底层的平台的基础，固定在配送小车上的有源标签发射极短的UWB脉冲信号，固定在车间四周墙壁上且位置固定的传感器接收该信号，并上传该信号到定位引擎平台服务器，在定位引擎平台服务器中通过到达角度法(Angle of Arrival，AOA)和到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)相结合的测量技术完成对物料配送小车地坐标的计算，并把实时的配送小车的位置信息可视化的显示在数字化制造车间布局平台上，实现对配送小车的实时定位与跟踪和对车间物料配送任务的控制。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1)本发明提出了一种数字化制造车间可视化布局的策略和实现方法，通过对车间制造资源的可视化精确布局，为物料配送小车实时定位跟踪和物料配送路径导航提供平台基础，最终达到对车间物料配送任务的监控。
2)本发明在数字化制造车间统一的坐标系下实现对车间制造资源的可视化精确布局，对物料配送人员的路径导航和对物料配送小车的实时精确定位，可以简单而有效的监控车间物料的配送过程，有效减少车间物料配送出错。
3)本发明采用了最新的室内定位技术UWB无线技术对数字化制造车间物料配送小车进行实时定位，该技术在具有很高的定位精度和室内应用环境可靠性，又具有低成本，低功耗和高速率的优点，可准确的实现对物料配送小车的实时定位与跟踪。
4)本发明根据车间规划的物料配送任务，以实现该次配送任务的路径最短为目标，提出了一种数字化制造车间物料配送路径规划的建模方法，并采用分支定界算法对数字化制造车间物料配送路径规划模型进行了有效解算，确定了车间物料的最短配送路径，为物料配送的路径导航奠定了基础。
5)本发明所提出的技术方案有效解决了数字化制造车间的布局、物料配送小车的实时定位和可视化跟踪及配送路径规划和导航的问题，通过在某企业实例验证，可以有效减少车间在制品库存，提升物料配送的及时性和准确性，提高车间的生产品质，为实现数字化制造车间准时生产提供了借鉴。
【附图说明】
图1是本发明的总体体系结构图；
图2是本发明的数字化制造车间物料流通图；
图3是本发明的对车间库存单元、加工设备、配送通道等数字化车间可视化布局图；
图4是本发明的物料配送小车实时定位与跟踪方案图；
图5是本发明的UWB硬件平台构成图；
图6是本发明的车间物料实时配送的带权值的汉密尔顿路径图；
图7是本发明的数字化制造车间物料实时规划配送模型解算流程图；
图8是本发明的数字化制造车间物料配送的具体实例示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细说明。
参见图1：本发明主要包括两大模块：数字化制造车间可视化精确布局模块和数字化制造车间物料实时配送与监控模块。首先，在数字化制造车间可视化精确布局模块的支持下，对车间相关制造资源进行可视化精确布局。然后建立数字化制造车间物料配送路径规划模型，采用分支定界算法对车间的物料配送路径进行规划，并把该路径即时显示在数字化制造车间可视化布局平台上，为物料配送人员提供实时的路径导航。最后在基于UWB无线定位技术的物料配送小车实时定位与跟踪模块的支持下，对配送小车进行实时的精确定位，以此实现对物料配送过程的监控。
参见图2：本发明通过对数字化制造车间物料流通过程的分析，根据车间资源位置是否经常变更的特点，对车间制造资源进行分类布置。数字化制造车间物料流通的基本流程为：原材料或毛坯出原材料库，按照配送任务的要求被分配指定的加工设备，首先进入设备前的入缓冲区，然后在设备中完成加工过程，加工完成后直接进入出缓冲区等待下一次运送或进入半成品库，经过多个加工设备后，完成该工件的加工，最后进入成品库。
参见图3：根据图2所示的数字化制造车间物料的流通过程，按照分类布置的原则，数字化制造车间可视化布局模块提供了车间的基本布局和UWB设备的选型与可视化布局。
1)车间基本布局：本发明中的数字化制造车间基本布局主要解决车间总体规划、原材料库、半成品库、工具库、外协件库、成品库，加工设备，运送通道等布局规划问题。由于上述资源在数字化车间中位置通常不变，因此本文采用谬瑟提出的系统布置理论，在车间布局和配送小车定位统一的坐标系下，将车间、库存单元、加工设备等简化为矩形，并根据其实际尺寸和相对位置进行规划与布置。设定车间的长为X轴方向、宽为Y轴方向，加工设备分行排列，设备间的横向和纵向间距确定，通道的位置与尺寸固定。
2)UWB设备的选型与可视化布局：本发明中的UWB设备是实现配送小车的实时精确定位与配送任务执行过程实时监控的硬件基础。针对配送小车的精确定位需求，本发明选用UWB设备来完成数字化制造车间物料配送小车的实时定位。通过在车间的四周的关键位置布置UWB传感器，在配送小车的顶端配置有源的电子标签，该标签发射极短的UWB脉冲信号，传感器接收该信号，通过到达角度法(AOA)和到达时间差法(TDOA)相结合的测量技术来确定配送小车的具体位置，达到对配送小车的实时定位与目标跟踪。同时针对配送任务执行过程的实时监控需求，本发明还采用在配送小车上配置固定式射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)阅读器，在待配送物料上配置被动式电子标签的方式，实现对物料的实时跟踪与控制。
参见图4：本发明提出的基于UWB无线技术的物料配送小车实时定位与跟踪的子模块的技术方案是在数字化制造车间布局平台模块的支持下，通过UWB硬件平台模块和定位引擎平台模块协同实现。其中UWB硬件平台模块中电池供电的有源标签发射极短的UWB脉冲信号，位置固定且已知的传感器接受该信号，并把该信号通过无线局域网传递到定位引擎平台，定位引擎平台通过到达角度法(AOA)和到达时间差法(TDOA)相结合的测量技术完成对物料配送小车的坐标的计算，并把实时的配送小车的位置信息提供给数字化制造车间布局平台，通过在车间布局平台上的显示，来实现对物料配送小车的实时定位与跟踪，以此达到对车间物料配送过程监控的目的。
参见图5：本发明中的UWB硬件平台模块由4个传感器和1个有源标签组成。4个传感器固定在车间四周的墙壁上，其信号覆盖整个数字化制造车间区域；4个传感器位置已知，采用标准的以太网络进行传感器的通讯，其中一个传感器作为主传感器组织传感器网络内时间同步，每一个传感器有一个天线阵列和UWB信号接收器。有源标签通过螺丝连接，固定在物料配送小车顶端，它能够发射UWB脉冲信号，同时接受传感器发射的控制信号，标签中的内置运动传感器检测到小车的运动状态，自动的调节有源标签的刷新率，确保在当前立刻进入数据传输状态。当物料配送小车进入配送状态时，标签中的运动传感器根据配送小车当前的状态，由休眠转为激活，标签发射极短的UWB脉冲信号，传感器接受该脉冲信号，并把该信号通过无线局域网上传到定位引擎平台，为计算物料配送小车实时的位置信息提供基础。当物料配送小车进入等待状态时，有源标签从激活转为休眠，以节省电能。
如图4所示，本发明中的定位引擎平台模块根据传感器接收的UWB信号的特征参数，通过到达角度法(AOA)和到达时间差法(TDOA)相结合的混合测量技术完成对物料配送小车的坐标的计算，并通过数据接口传输到车间布局平台模块，实现物料配送小车运行的实时可视化。AOA通过获取固定在配送小车的有源标签到两个传感器的信号到达角度进行定位，每个传感器采用特殊的天线阵列，测定发射的UWB信号的到达角度，UWB传感器测定其具体的位置信息。基于到达时间差法(TDOA)通过测量发送和接受信号之间的时延差来进行定位，此时参与定位的传感器时钟必须同步，到达时间差法可以大大提高定位的精度。而到达角度法(AOA)和到达时间差法(TDOA)相结合的混合测量技术，采用TDOA的测量传感器和AOA的测量传感器相分离的技术方案，假设传感器1测量脉冲信号的到达时间为t1，传感器2测量脉冲信号的入射角度为θ2，由下式计算得到有源标签的位置(x0，y0)：
(x0-x1)2+(y0-y1)2=(c*t1)2tanθ2=x0-x2y0-y2]]>
其中：c为光速
(x1，y1)为传感器1的坐标，(x2，y2)为传感器2的坐标
在误差干扰不大的情况下，采用到达角度法(AOA)和到达时间差法(TDOA)相结合的混合测量技术能够得到比单一的测量技术更为精确的定位结果。
定位引擎平台模块通过数据接口把配送小车实时的坐标信息传递给数字化制造车间可视化精确布局模块，此时的数字化制造车间可视化精确布局模块已经在统一的车间布局坐标系下，完成了对所有车间资源的布置，配送小车实时的位置信息可视化显示在车间布局平台上，实现对物料配送小车的配送过程进行跟踪和监控。
参见图6：数字化制造车间物料实时配送问题可描述为：在某数字化制造车间中，包含n台加工设备，m辆配送小车，和位置固定的原材料库、工具库、在制品库以及成品库等库存单元。某一物料配送任务可由多辆配送小车完成，并且一次配送能实现向多个加工设备或在制品库或成品库的配送。配送小车的运行路径受车间运送通道的约束。物料配送的最终目标是针对该配送任务的配送小车的配送路径最短。
基于以上描述，数字化制造车间的物料实时配送问题可归结为带权值的汉密尔顿路径问题。有m辆配送小车分别位于车间的不同起点位置，各配送小车需完成向q(q≤n)台加工设备或在制品库或成品库的物料配送任务，则位于起点i(1≤i≤m)的运送小车完成该配送任务的路径是以起点i与加工设备1、2、...、q组成的图沿边访问每个顶点有且仅有一次的路径，该路径被称为哈密尔顿路径，连续两个顶点中最短路径距离即图中边的权重。通过计算配送小车在各个路径下的配送距离，比较找出最短距离和与之对应的路径，最终决策出由配送路径最短的配送小车来执行该次配送任务。
基于以上对数字化制造车间物料实时配送问题的描述，本发明提出了一种以最短配送路径为目标，数字化制造车间物料实时配送建模的系统。根据车间物料配送路径最短的目标，建立如下的数字化制造车间物料实时配送的数学模型：
R＝min(R1，R2，...，Ri，...，Rm) (1)
式中：
Ri(1≤i≤m)：配送小车i在某次配送任务最短配送路径对应的配送距离，并且采用下式计算：
Ri=min(Σs=0qΣt=1s≠tqdstzst)---(2)]]>
式中：
s(s＝0，1，2，…，n)配送小车i的起点位置编号，其中s＝0表示配送小车在执行配送任务前的初始位置，s＝1，2，…，q表示加工设备或在制品库或成品库的编号；
t(t＝1，2，…，q)：配送小车i的配送目的地的加工设备或在制品库或成品库的编号；
dst：配送小车i的配送起点s与目的地t之间的最短距离；
zst：决策变量，如果配送小车i从s到t则取1，否则取0；通过该决策变量的取值，改变配送路径，计算各个配送路径条件下的配送距离；
与此同时，式(2)受如下约束：
Σs=0qzst=1,t=1,2,Λ,q;]]>s≠t (3)
Σt=1qzst=1,s=0,1,2,Λ,q;]]>s≠t (4)
其中，式(3)用于确保配送小车i在配送起点s与目的地t之间执行配送任务时其配送起点s唯一；式(4)用于确保配送小车i在配送起点s与目的地t之间执行配送任务时其配送目的地t唯一。
最短距离dst的计算如下：
●当Xs＝Xt时，
dst＝|Ys-Yt| (5)
●当Xs≠Xt时，
dst=|Xs-Xt|+min|Ys-Yy1|+|Yy1-Yt||Ys-Yy2|+|Yy2-Yt|...|Ys-Yyl|+|Yyl-Yt|---(6)]]>
式中：
(Xs，Ys)：起点坐标(s＝0，1，2，…，q)；
(Xt，Yt)：目的地坐标(s＝1，2，…q)；
x1，x2，...，xn：通道编号(平行于Y轴)；
y1，y2，...，yl：通道编号(平行于X轴)；
通道坐标
参见图7：为了决策出物料配送任务的最优配送路径，必须对数字化制造车间物料配送模型进行有效解算，本发明采用分支定界算法，确定配送任务的最优配送路径。当配送任务开始时，最优配送路径即时显示在数字化布局平台上，为物料配送人员提供路径的导引。
本发明对数字化制造车间物料配送模型的解算流程如下：
1)首先必须获得车间的布局信息(主要包括车间的大小、库存单元的位置信息、加工设备的位置信息、通道位置信息等)，配送小车的位置信息，初始的任务信息(主要包括配送点的位置信息)。
2)当由编号为i＝1的配送小车配送时，任选一条配送路径，计算在该配送路径条件下，配送小车完成该次配送任务的配送距离Ri。然后改变配送路径(主要改变配送小车到达各个配送点的顺序)，计算在新的路径条件下，配送小车完成该次配送任务的配送距离R′i；
3)比较R′i和Ri，，如果Ri≤R′i，则保持Ri和初始的配送路径不变。否则以R′i和新的配送路径更新Ri和初始的配送路径。然后重新的改变配送路径，按照步骤2重新的进行计算，直到遍历所有的配送路径，此时就确定由编号为i＝1的配送小车配送时的最短配送距离和最优的配送路径。
4)改变配送小车，按照上面的步骤确定由新的配送小车完成该次配送任务的最短配送距离和最优配送路径。当遍历所有的配送小车时，就确定完成该次配送任务的最短配送距离、配送小车、以及最优配送路径，最优的路径即时的显示在数字化制造车间布局平台上，为配送小车的物料配送提供导航。
在开发基于UWB的数字化制造车间物料实时配送系统的基础上，对数字化制造车间物料配送过程进行了生产应用验证。
本发明首先在基于UWB的数字化制造车间物料实时配送系统的数字化制造车间可视化精确布局平台上，根据该企业机械加工车间的原材料库、半成品库、工具库、外协件库、成品库，加工设备，运送通道，UWB设备等车间资源的实际位置和大小，在车间统一的坐标系下完成对车间资源的可视化布局。同时车间资源的位置信息自动保存到车间物料配送系统数据库，为后续的物料实时配送路径规划和控制奠定基础。
然后把车间布局的基本信息和配送任务的初始信息输入到物料配送小车路径实时规划和导航子模块，根据数字化制造车间物料配送路径规划模型，用分支定界算法对该次配送任务的最优配送路径进行解算，确定该次配送任务的最短配送距离、配送小车和最优的配送路径，为物料配送任务的路径导航提供基础。
最后依据最终规划的物料实时配送的最短路径，物料配送人员根据安装在配送小车前端的微型显示屏或PDA，获得物料配送任务指令和可视化配送路径的即时的导航信息，根据该导航信息完成整个物料的放入配送操作。物料配送小车实时定位与跟踪子模块把实时的位置信息可视化的显示在车间布局平台和物料配送小车的微型显示屏或PDA上，为车间管理人员和物料配送人员提供清晰的位置信息，根据该位置信息，物料配送人员实时的校正自己的配送路线，减少甚至避免了配送出错。同时车间物料配送管理人员根据配送小车实时的位置信息，实现对整个车间物料配送任务的实时的跟踪和监控，有效的提高了车间物料配送的质量。
同时为了防止装卸物料时发送错误，本发明还采用在配送小车上配置移动式RFID读写器，在待配送物料上配置被动式电子标签，在物料装卸的过程中，通过对标签信息的读取，确认装卸的物料的信息，实现对装卸物料的监控。
本发明在硬件上采用最新的室内定位技术超宽带无线技术，在数字化制造车间可视化精确布局模块的支持下，物料配送小车路径实时规划和导航模块与物料配送小车实时定位跟踪模块协同完成对车间物料的实时配送。在系统软件设计与开发方面采用了Java技术的解决方案，这使得系统具有如下的优势与特色：
UWB无线定位技术是在室内定位方面发展最快和最先进的定位技术，在发射信号时不使用载波，整个通信系统几乎实现了全数字化，所需要的射频和微波器件非常少，减小系统的复杂性，降低了系统成本，利用超宽带信号对障碍物良好的穿透特性与精确的测距功能，通过该技术可以在具有挑战性的数字化制造车间实现对物料配送小车提供精确的实时定位，以实现对物料的配送过程进行监控。
通过在数字化制造车间可视化精确布局模块的支持下，对车间的制造资源的可视化精确布局，形成了数字化制造车间物料配送的跟踪和监控平台，根据物料配送小车路径规划决策与导航提供的最终的物料配送路径，在物料配送小车实时定位与跟踪模块协助下，对物料配送的全过程进行实时的可视化的跟踪与监控，有效降低了车间物料出错，提高了车间物料配送的准确性和及时性，为实现数字化制造车间准时生产提供了借鉴。
开发的基于UWB的数字化制造车间物料实时配送系统由于采用了Java技术进行开发实现，系统升级与维护容易，继承了Java的“一次编译、到处运行”的跨平台稳定运行的优势。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。