船舶中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李楊梅， 侯 星， 董家琛， 續(xù)愛民， 周 清

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，船舶行業(yè)面臨著現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)補(bǔ)短板和智能制造技術(shù)推進(jìn)并行的狀況。從現(xiàn)有國(guó)內(nèi)船舶工業(yè)平均水平看，首要工作是補(bǔ)短板，特別是對(duì)加工過(guò)程中間產(chǎn)品的基礎(chǔ)信息采集。在船舶修造過(guò)程中，中間產(chǎn)品信息是在船舶車間中進(jìn)行倉(cāng)儲(chǔ)、物流、生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量等管控的數(shù)據(jù)支撐。以船舶修造過(guò)程中的中間產(chǎn)品為研究對(duì)象，研究適用于船舶中間產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)。

1 船舶車間標(biāo)識(shí)技術(shù)

船舶中間產(chǎn)品是按照不同制造階段構(gòu)成船舶某一部分的實(shí)物，如零部件分段、單元、模塊等，也包括船舶車間中的托盤。在船舶車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，以中間產(chǎn)品為信息采集對(duì)象，可采用條碼識(shí)別、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)、人工輸入、傳感器識(shí)別等信息采集方式。目前適用于船舶車間的常用標(biāo)識(shí)技術(shù)包括條形碼(一維)、二維碼、RFID、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位標(biāo)簽等，這些技術(shù)大幅優(yōu)化信息的統(tǒng)計(jì)和識(shí)別工作，有效提高計(jì)算機(jī)識(shí)別效率，增強(qiáng)其靈活性和準(zhǔn)確性[1]。標(biāo)識(shí)技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 標(biāo)識(shí)技術(shù)對(duì)比

2 定位算法

考慮船舶車間中的生產(chǎn)實(shí)際情況、成本限制、可實(shí)現(xiàn)程度等具體要求，采用二維碼標(biāo)識(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶中間產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)，采用UWB定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶車間托盤、單元、模塊等的定位，通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析可得到中間產(chǎn)品的加工、物流、倉(cāng)儲(chǔ)等信息。UWB作為一種無(wú)線載波通信技術(shù)，與藍(lán)牙、RFID、Wi-Fi、ZigBee技術(shù)等室內(nèi)定位技術(shù)相比，具有定位精度高、傳輸效率高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，適用于船舶車間[2]。

UWB技術(shù)常用的主流定位測(cè)量方法包括接收信號(hào)強(qiáng)度(Received Signal Strength，RSS)分析法、飛行時(shí)間(Time of Flight，TOF)定位法、到達(dá)角度(Angle of Arrival，AOA)定位法、到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival，TOA)定位法、到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位法等。不同算法對(duì)應(yīng)的定位精度不同[2]：TOA算法對(duì)時(shí)間同步要求較高，硬件尺寸、價(jià)格、能耗等要求高；TDOA算法降低TOA算法的高精度要求，但在室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜時(shí)該算法實(shí)現(xiàn)難度較大；AOA算法硬件設(shè)備復(fù)雜，且需要節(jié)點(diǎn)間視距傳輸，不適用于船舶車間；RSS算法簡(jiǎn)單、成本低，但精度一般，容易受多徑衰落和陰影效應(yīng)的影響；TOF算法與TOA算法在本質(zhì)上一致，沒有時(shí)鐘同步偏差產(chǎn)生的誤差，但測(cè)量精度仍受非視距和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的影響[3]。綜合上述算法優(yōu)缺點(diǎn)和船舶車間環(huán)境，通過(guò)TOF算法計(jì)算定位坐標(biāo)，采用交互式多模型(Interacting Multiple Model，IMM)卡爾曼濾波法對(duì)測(cè)距算法進(jìn)行優(yōu)化處理，可降低測(cè)距噪聲，減少非視距環(huán)境的影響[4]。

采用不對(duì)稱雙向測(cè)距的TOF，即

(1)

式中：TL往返為標(biāo)簽信號(hào)往返時(shí)間，TL往返=(TR2-TS1)，其中TR2為信號(hào)第二次到達(dá)標(biāo)簽時(shí)間，TS1為信號(hào)第一次離開標(biāo)簽時(shí)間；TB往返為基站信號(hào)往返時(shí)間，TB往返=(TR3-TS2)，其中TR3為信號(hào)第二次到達(dá)基站時(shí)間，TS2為信號(hào)第二次離開基站時(shí)間；TB反應(yīng)為基站反應(yīng)時(shí)間，TB反應(yīng)=(TS1-TR1)，其中TR1為信號(hào)第一次到達(dá)基站時(shí)間；TL反應(yīng)為標(biāo)簽反應(yīng)時(shí)間，TL反應(yīng)=(TS3-TR2)，其中TS3為信號(hào)第三次離開標(biāo)簽時(shí)間。

TOF算法不依賴基站與標(biāo)簽的時(shí)間同步，沒有時(shí)鐘同步偏差產(chǎn)生的誤差，但TOF算法的時(shí)間取決于時(shí)鐘精度，時(shí)鐘偏差會(huì)帶來(lái)誤差。為減少時(shí)鐘偏移量造成的測(cè)距誤差，通常采用正反2個(gè)方向的測(cè)量方法，即遠(yuǎn)端基站發(fā)送測(cè)距信息，標(biāo)簽接收測(cè)距信息并回復(fù)，然后再由標(biāo)簽發(fā)起測(cè)距信息，遠(yuǎn)端基站回復(fù)，通過(guò)求取TOF平均值，減少兩者之間的時(shí)間偏移，從而提高測(cè)距精度[4]。TOF算法雙邊雙向測(cè)距如圖1所示。

圖1 TOF算法雙邊雙向測(cè)距

標(biāo)簽至基站的距離為TOF×光速(信號(hào)傳遞速度)。測(cè)量至少3個(gè)標(biāo)簽至基站的距離，使用三邊定位法測(cè)量目標(biāo)位置，原理如圖2所示。通過(guò)計(jì)算標(biāo)簽至基站的距離di，可得唯一的標(biāo)簽位置坐標(biāo)(x,y)。

圖2 三邊定位法計(jì)算原理示例

標(biāo)簽的位置坐標(biāo)為

(2)

(3)

z1=(x22-x32+y22-y32+d32-d22)

(4)

z2=(x12-x22+y12-y22+d22-d12)

(5)

通過(guò)TOF算法和三邊定位法可得到測(cè)量目標(biāo)的具體位置，但在實(shí)際的船舶車間中存在多種影響因素，如非視距、多徑傳播、人體干擾等隨機(jī)干擾，在測(cè)量數(shù)據(jù)中存在隨機(jī)噪聲，造成定位數(shù)據(jù)誤差。作為純時(shí)域?yàn)V波器，卡爾曼濾波器可修正測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，該方法廣泛應(yīng)用于目標(biāo)定位、跟蹤和導(dǎo)航等工程領(lǐng)域，采用上一時(shí)刻位置信息和本時(shí)刻觀測(cè)值對(duì)本時(shí)刻位置進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，使被估計(jì)量隨時(shí)間變化，這種動(dòng)態(tài)評(píng)估的方式非常適合移動(dòng)設(shè)備[5]。但單一模型卡爾曼濾波器無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤動(dòng)態(tài)模型，而IMM卡爾曼濾波器選用多個(gè)模型集組合模擬目標(biāo)的真實(shí)軌跡，通過(guò)加權(quán)綜合處理各模型的輸入，自動(dòng)切換適合的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡較好的跟蹤[6]。IMM算法優(yōu)于單模型卡爾曼濾波算法，經(jīng)濾波處理，測(cè)距精度達(dá)100 mm，可滿足船舶車間中的定位精度要求。

3 船舶中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4層：定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層。定位硬件層是無(wú)線定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，包括用于實(shí)現(xiàn)托盤定位跟蹤的定位基站和定位標(biāo)簽，用于實(shí)現(xiàn)鋼板和型材定位跟蹤的二維碼標(biāo)簽打印機(jī)和條碼掃描器。網(wǎng)絡(luò)連接層用于將定位基站采集的數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)解算層處理。數(shù)據(jù)解算層實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)濾波等過(guò)程，輸出可供上層使用的定位信息。應(yīng)用層根據(jù)客戶需求，具體體現(xiàn)產(chǎn)品位置定位、工序進(jìn)程跟蹤等業(yè)務(wù)。船舶中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)架構(gòu)[7]如圖3所示。

圖3 船舶中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)功能應(yīng)用

4.1 信息識(shí)別

在標(biāo)識(shí)信息操作模塊中實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)品物流信息的采集和編輯及二維碼的生成、掃描和打碼等操作，在系統(tǒng)主界面中可查閱和修改已標(biāo)識(shí)的零件、鋼板、托盤等中間產(chǎn)品信息，如圖4～圖6所示。

圖4 主界面

圖5 鋼板信息

圖6 零件信息

通過(guò)企業(yè)的產(chǎn)品編碼結(jié)構(gòu)，可將零部件、鋼板、型材、托盤等信息生成唯一身份識(shí)別二維碼，粘貼在相應(yīng)的產(chǎn)品上，即可在生產(chǎn)中通過(guò)掃描二維碼獲取產(chǎn)品加工、基礎(chǔ)信息等。掃描二維碼，軟件顯示該二維碼標(biāo)識(shí)的零部件信息，如圖7所示。

圖7 二維碼信息跟蹤

4.2 實(shí)時(shí)定位

定位仿真模塊通過(guò)UWB定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間產(chǎn)品的實(shí)時(shí)定位。根據(jù)托盤上的UWB標(biāo)簽身份信息，對(duì)托盤所關(guān)聯(lián)的零件信息進(jìn)行索引，實(shí)現(xiàn)對(duì)中間產(chǎn)品的定位跟蹤，如圖8和圖9所示。定位數(shù)據(jù)可供物流配送、生產(chǎn)監(jiān)控、管理調(diào)度等系統(tǒng)調(diào)用。

圖8 實(shí)時(shí)定位仿真

圖9 實(shí)時(shí)定位信息

5 結(jié) 語(yǔ)

采用二維碼標(biāo)識(shí)中間產(chǎn)品，通過(guò)二維碼存儲(chǔ)中間產(chǎn)品的身份信息、船體位置信息、二維幾何信息、輔助影像數(shù)據(jù)索引；采用UWB技術(shù)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)UWB標(biāo)簽對(duì)中間產(chǎn)品位置進(jìn)行定位，結(jié)合關(guān)聯(lián)的零件、部件等中間產(chǎn)品信息，實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)品的位置跟蹤。標(biāo)識(shí)信息可提供備料套料信息；實(shí)時(shí)定位信息可上傳至船舶車間的生產(chǎn)管控系統(tǒng)、物流跟蹤系統(tǒng)、計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)等。船舶中間產(chǎn)品標(biāo)識(shí)定位系統(tǒng)為船廠進(jìn)行備料套料、實(shí)時(shí)跟蹤產(chǎn)品物流運(yùn)輸、監(jiān)控中間產(chǎn)品切割加工和冷彎加工提供有力的數(shù)據(jù)支撐。