一汽物流青岛公司基于UWB技术的室内调度系统构建

2020-08-11蔡文晶郑可心韩强林琳史磊崔皓薛步飞

物流技术与应用 2020年7期

文/蔡文晶郑可心韩强林琳史磊崔皓薛步飞

近年来，国内各大车企为降低成本，纷纷推行精益生产和精益供应链模式，如何降低物流成本也成为关注的重点。随着科技进步，智能化与自动化成为了汽车企业降本增效的重要手段。本文主要结合一汽物流（青岛）有限公司（简称“一汽物流青岛公司”）的具体实践，介绍了一种基于UWB技术的室内调度系统，对于库房管理的增效和物流成本的降低都有所帮助。

一、技术背景

当前，各种各样的新手段均可完成区域内的定位，主要技术手段如下：

1.UWB射频定位技术

UWB定位系统是通过UWB电子标签与基站之间的交互，实现位置状态的测算，从而实现目标的位置捕捉。

2.蓝牙定位技术

蓝牙自动定位技术是基于使用各种蓝牙信号作为每个传输端的信号，基于接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)自动定位计算原理，根据传输信号的增加衰减衰弱程度不同，来精确计算其输出到各个通信定位端和基站之间的定位距离，然后精确计算出具体的定点位置，根据每个定位端的不同，分为通信网络侧自动定位和通信终端侧自动定位两种。

图1 总体设计框架

图2 定位原理

3.UWB 定位技术

超宽带(Ultra Wideband，UWB)载波通信传输技术的超宽带通信，是一种基于无线电的正弦载波通信数据传输技术，它不同于需要直接采用任何一个正弦载波，而是直接通过一个高于纳秒载波频率数量级的非正弦波，利用窄带的一个脉冲载波频率进行传输数据，因此其自身所能提供独占的正弦载波通信频谱及其应用领域范围很宽。

UWB系列发射技术核心产品主要具有：发射系统软件设计过程复杂度低，发射信号通道接收信号射频滤波发射功率高和谱数据采集系统密度低，对接收发射通号信道滤波功率谱的衰落不敏感，截获发射信号干扰能力低，定位精度高等主要优点，尤其适用于室内等密集多径无线发射通道场所的高速无线电波信号发射接入。

二、总体设计

传统的仓储库房使用较多的人车资源，WMS提示员工操作并进行账实管理，加之少量的自动化设备进行辅助。在无系统支持的管理状况下，必须使用较多的管理人员进行现场管理。传统的仓储模式，主要存在以下不足：

1.管理人员的浪费。管理人员必须在现场实时监控，导致数量较多，造成浪费；

2.改善方式落后，改善点统计困难。以往的改善，往往需要对每个岗位进行重复跟踪，大量的时间测量，来确定员工的实际负荷；

3.重点零件监管困难。对于部分价格高、易丢失的零件，设置专岗人员进行管理，管理成本增加。

针对以上现状，一汽物流青岛公司拟开发仓库动态管理监控系统，其主要包括：仓储管理系统（WMS）、室内定位系统、室内广播系统等，并共同汇集到核心监控系统中。其中，核心监控系统提供数据云服务、综合可视化服务与远程管理等几个功能，如图1。

按照图1总体设计框架，下面分别介绍各分系统的功能要求。

图3 定位模式

图4 库房布局及仓库定位示意图

三、仓库动态管理系统

UWB定位技术，在汽车定位精度控制方面具有独特的技术优势。近年来，随着UWB定位技术快速发展，在各个领域均取得有重大突破，为我们有效使用UWB定位技术对进行人、车、物的定位监控管理，提供了宝贵的技术理论知识基础和实践经验。

1.设计目标

通过UWB技术应用，加强对仓库库存的智能化管理，完善管理机制，杜绝人为操控。系统实现人员管理、物品库存管理、领用交接记录等业务数据电子化，业务数据采集自动化，杜绝人为因素影响所造成的凭证伪造等现象，保证物品库存管理的安全性和准确性。

2.基本方案

（1）定位原理

如图2所示，信号发射源发射信号，在仓储空间内安装信号接收机，并且3个信号接收机的坐标位置已经知晓。

信号发射源（即人员或车载定位标签）发射的信号到达 3 个接收机的时间分别为 T1、T2、T3，信号速度已知，通过计算即可得出发射源至3个接收机的距离 L1、L2、L3，以3个距离为半径画圈，圆圈相交范围处就是信号发射源的位置，该原理为三角定位原理，卫星定位也采用类似的原理。

（2）定位模式

如图3所示，根据不同的检测行业应用场景和在应用中的需求，UWB自动随机定位系统还可以具有三种不同位置的检测模式：三维位置存在的特性位置自动检测、一维手动随机定位、二维自动随机定位。

存在性检测：指的是在或不在的检测，空间区域内仅有一个基站，如图3中的基站 7、 8 所示，检测目标对象是否在某空间内，不确认具体的位置。

一维定位：指线性方向的位置检测，典型的就是高速公路定位检测，不确认目标对象在宽度方向位置，通过安装 2 个基站实现定位，如图3中的基站1、2，确认在线性方向上的具体位置。

二维定位：指具体平面坐标位置的确认，就需要在定位区域至少安装 3 台基站实现二维定位效果，如图3中的基站3、4、5、6所示。

（3）具体方案

如图4所示，区域一、区域二为开阔区，做二维平面定位；区域三为货架区，视货架高度及排布，初步考虑做一维定位，并使用IP技术，确认接收机所在货道，即可间接完成库内定位。

定位基站选择：根据场景特点，可以选用室内型或吸顶型基站。考虑到施工的条件，选择无线回传方式基站。

定位标签选择：根据需要可以选择不同的标签佩戴，卡片型标签可以佩戴在胸前，车载型可以放在车上，物资型可以用于定位物资。

定位软件：定位软件是软件部分的核心，该软件可以根据定位标签的物理信息不同确认其位置，软件的开发需要结合平面布局图，将平面图嵌入到软件之中。此外，我们加入了轨迹、围栏报警等功能。

（4）定位界面

人员自动定位系统产品采用三维高度空间自动定位系统算法，精准定位作业人员所在位置、车辆、资产等，具有高度实时地点定位、轨迹图像回放、电子定位围栏、视频定位联动、人员定位统计、一般按键自动报警等强大功能。如图5、图6。

关于重要资产定位，实现定位系统与仓库管理系统的互通，共同实现对重要部件资产的位置管理。

四、数字IP广播系统

数字IP网络广播系统，是一套基于标准TCP/IP网络的纯数字化的音频网络广播系统。通过网络模拟音频数字化广播系统，在其物理结构上与传统的标准IP广播网络完全融合，不仅真正实现基于标准TCP/IP网络的远程数字化模拟音频的网络广播、直播、点播，并且真正借助标准TCP/IP广播网络的技术优势，突破了传统的数字化模拟音频网络广播系统的内容结构局限、空间的局限和网络广播功能的局限等。

图5 人员查看统计

图6 定位数据统计

图7 数字IP广播系统结构图

图8 能源管理总体架构图

目前网络模拟音频数字化广播系统，不仅已经能够完全取代传统的数字化模拟音频网络广播系统的功能，更是具有各种自主交互式的功能，为远程数字化广播音频网络应用提供了更广阔的发展空间。

1.数字IP广播系统特点

数字IP广播系统具有如下显著特点：

（1）传输数字化

IP网络广播音频信息广播信号控制处理系统，主要采用了针对数字化的网络音频广播信号进行处理，避免了许多人在传统的网络音频广播网络中对广播音频信号进行衰减与转换产生的音频噪音，提供高保真音质的音频网络广播声音。

（2）终端个性化

IP网络系统的数据网络视频广播基于一个新的IP系统数据网络，每个系统的数据网络视频广播中的数据终端，都必须是一个可以同时并独立放在IP数据网络上的广播数据地址，支持任意一个单点的网络播放。即一个操作系统用户可以对任意一个单点、组群、分区或全部节点进行视频广播。一个系统的广播管理员，通常可以在系统广播的某个同一时间进行设定任意一组多个系统广播组群，或同时进行播放一个系统所自行制定的多个广播系统声音，或对任意一个同时进入广播指定系统广播声音区域的主持人进行多次广播讲话。

（3）前端网络化

IP广播网络远程在线广播，将一个基于前端的视频音源播放扩展文件连接发送到整个网络广播播放网络，定时视频音源播放时均可以通过网络在线远程广播或者网络远程连接进行广播操作。通过这种网络化的音源管理，还有在线视频广播系统，可以为不同的网络用户分别同时设置不同的网络音源视频播放器和权限。

（4）监听一体化

除了网络广播监听功能，IP网络广播系统还提供一个可设任意的网络广播终端，它可以作为网络广播系统实时监听的终端使用，实现了单点选择实时监听网络广播功能，实现机房或者办公室领导对各个点进行实时网络广播监控。

2.数字IP广播系统组成

数字IP广播系统主要包括以下几个组成部分：

（1）系统服务器

系统服务器提供了系统管理、用户服务器管理、终端用户管理、节目管理、任务管理等多种管理系统的功能，是整个系统的管理核心。远程系统管理服务器主要是提供服务给系统管理员使用，同时也是系统语音和音频文件资源库的主要存放点。远程系统管理用户服务器可以通过远程访问系统客户端，或者远程管理APP，对放在系统服务器上的文件和音频进行间接播放或者直接进行讲话，已经可以达到日常的手段。

（2）中继服务器

可选择的网络方式组建。当一个新的网络中继电视广播服务系统，可能需要同时连接或自动跨越多个符合物理或数学逻辑的网络子网时，需要手动组建或直接使用一个相应的网络中继广播网络或连接服务器。

（3）分控点（远程客户端）

分点监控和节点控制，是构成现代国际网络无线通信广播系统的一大必然技术特点。分控点也就是可以将其看作是任意的网络计算机，通过远程网络服务器或者登录到的网络端来进行无线广播系统控制。

（4）广播终端

系统通过服务器上的语音播放处理任务，将语音数据以IP报文的方式发送到相应的广播终端，在相应广播终端上对其进行音频解码并还原为前级的音频数据流，再对后级的功放或音响控制系统进行驱动，以提供高保真的音质和效果。

（5）监听终端

用于对系统中其他任意一个广播终端的视频播放情况，或者系统任意的位置播放情况，进行实时监听。

五、能源管理系统

1.设计目标

能源管理系统主要是一套采用能源自动化、信息化的技术和能源集中管理的模式，对工业园区自动化能源管理系统的生产、输配和利用能源消耗等各个环节的能源，实施几种扁平化的能源动态监控和智能化管理，从而改进和完善优化的能源平衡，实现能源系统性管理和节能降耗的管控和服务一体化的系统。

（1）能源“管家”

实现全数据（电、水、气、热）的自动远程采集、存储，并对数据进行整理、统计、分析，全面掌握用能数据，解决“能耗去哪了”、“如何节能”的问题，达到明明白白用能，实现管理节能与技术节能的协调优化运营。

自动采集：自动采集能耗数据，实现三级计量及重点用能设备的监控，实现分类、分项、分楼、分层、分区域统计，减少工作量及人员支出。

“源——网——荷——储”：实现“源——网——荷——储”全过程能源监测、统计、分析，减少能源运行管理成本，优化能源平衡，推动节能降耗，提高能源利用水平。

运行调整：通过用能数据的统计分析，依据电费政策，为动态优化用电方式提供辅助决策。

空调管控：对空调温控器及室内温度实时监控，根据建筑内总负荷情况，动态控制空调系统的制冷主机出水温度、水泵流量，做到按需供冷。

生产调度：通过生产用能分析，结合峰谷电价，优化调度作业安排；实时监控各工序负荷，监测空机运行。

（2）能源“专家”

基于大数据构建诊断分析模型，及时发现用能异常以及能效管理的问题，为动态优化运营提供辅助决策，做能源管理的“专家”。

通过工业园能源管理互联网平台，将工业园信息流、能源互联网流和设备管理流三者相互连接为统一的互联网整体，实现信息无缝共享和传递，同时针对不同区域和角色的工业园能源管控服务目标，对系统运行过程中的能耗从不同维度进行用能的分析和诊断，实时对工业园能源互联网的能源运行状况数据进行“体检”，达到工业园能源健康管理水平的数据可量化，辅助工业园区的智慧企业优化能源管理，实现以工业园能源系统运行安全、节能环保为主要目的的工业园能源互联网优化管理和运营。

在对园区进行节能改造时，系统评估改造前后的用能数据，对用能、费用数据做详细的统计分析报告，打造节能监管、技术节能改造、管理节能“三位一体”的能源管控平台。

（3）能源“保安”

依托监控系统的智能主动预警监控引擎，将服务由传统的“被动服务”进一步转变为“主动服务”，系统7×24小时不间断主动实时进行监控，基于“集中监控＋异常推送”的监控方式，充分发挥了系统保安的综合管理职能，消除了传统的周期性需要人工的值守巡检，提高效率、防患未然。

异常主动推送：通过对采集到的数据进行巡检，基于预设规则，当发生安全异常时，主动通过短信、邮件等方式进行通知。

运行安全：通过实时负载感知变压器运行状况（负载率、变压器温度），保障变压器经济、合理运行。

用能设备安全：对中央空调、波峰焊等重要用能设备的关键指标数据实时监测，通过阀值预警，将安全隐患（温度过高、电流过大等）提前排除。

运行环境安全：实时监控配电室内温度、电缆温度、配电柜温度、烟感、明火等环境数据，保障供电安全。

平衡分析：基于多级计量体系，自动计算各环节的能源平衡情况，偏差过大时，自动预警，杜绝“跑冒滴漏”。

2.总体架构

平台分三层架构设计，从上到下依次为：数据监控中心、通讯网络、现场采集。如图8。

数据监控中心：数据监控中心由两部分组成，为数据中心和监控中心。数据中心主要包括数据服务器，服务器放置在公司机房，安装数据采集及分析程序，为整个平台的数据核心。监控中心设置在一楼展厅旁，配置拼接屏、值班工作站、办公桌椅等设备。

通讯网络：通讯网络采用公司内部局域网络。

现场采集：现场数据源主要有新增设备和第三方系统两部分。

（1）配电室监控设备主要包括烟感、水浸、多功能表、温湿度传感器等计量器具。配电室监控侧重实时数据监测，因此计量器具的监测数据通过通讯管理机上传到管理平台。

（2）办公楼及生产楼的计量设备主要是智能电能表、远传水表、热量表、温湿度传感器等设备。楼内的计量侧重于电能数据，因此数据是通过能耗集中器传输到管理平台。

（3）外部第三方系统主要为暖通空调系统、充电桩系统、安防系统。暖通空调系统分为机房、温控器监控系统和多联机（VRV）空调监控系统。目前管理平台已经实现了与机房监控系统的对接，下步需要实现多联机系统的接入；充电桩系统需要重新部署，支撑手机支付功能，并接入到管理平台；安防系统已经独立建设完毕，需要增加视频服务器接入到管理平台。