張成龍，李少波，陳偉興

(貴州大學(xué) a.大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院；c.現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

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面向離散制造物聯(lián)車間的UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張成龍a，李少波b，陳偉興c

(貴州大學(xué) a.大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院；c.現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

離散型制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜多變，制造資源具有更為廣泛的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)行有效的制造資源管理控制，實(shí)現(xiàn)制造物聯(lián)車間實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)的采集，基于制造物聯(lián)事件主動(dòng)感知技術(shù)架構(gòu)，提出了一種離散制造物聯(lián)車間資源定位管理模型，設(shè)計(jì)了一種基于超寬帶技術(shù)的制造資源定位系統(tǒng)，改進(jìn)了一種基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法并實(shí)現(xiàn)，能夠有效降低外界因素的干擾，減少定位誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)離散制造車間制造資源的實(shí)時(shí)定位，有效獲取人員、物料、物流車輛等制造資源的位置數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行資源感知和調(diào)度管理，從而提升管理標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品品質(zhì)。

超寬帶技術(shù)；實(shí)時(shí)定位；離散型制造業(yè)；制造物聯(lián)；信息系統(tǒng)

0 引言

制造物聯(lián)[1-2](Internet of Manufacturing Things，IoMT)作為一種新型制造模式，高度集成與融合了電子信息技術(shù)、智能傳感技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)，有利于制造過(guò)程的智能化提升和改造，促進(jìn)“智慧制造”的實(shí)現(xiàn)。離散型制造企業(yè)具有產(chǎn)品品種多、工藝過(guò)程復(fù)雜、供應(yīng)商和客戶眾多等特點(diǎn)[3]，其生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜多變，原材料、設(shè)備、工裝模具、場(chǎng)地、操作人員等制造資源具有廣泛的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)行有效的制造資源感知管理控制，保障企業(yè)安全生產(chǎn)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，推進(jìn)離散型制造企業(yè)“智能化”發(fā)展，實(shí)時(shí)有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)位置信息采集變得十分必要。

傳統(tǒng)的定位應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)受到制造車間場(chǎng)景限制、安裝成本等因素影響，無(wú)法有效解決離散型制造車間定位問(wèn)題。目前應(yīng)用于離散型制造企業(yè)定位的技術(shù)主要有RFID定位技術(shù)、WIFI定位技術(shù)、Zigbee定位技術(shù)等，但是上述技術(shù)在制造車間環(huán)境電磁干擾和制造資源等障礙物影響下，存有定位精度偏低，實(shí)時(shí)性較差以及定位故障率較高等問(wèn)題。

超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高傳輸速率、不易被截獲、高穿透性等優(yōu)點(diǎn)[4]，在變電站作業(yè)環(huán)境[5]、危險(xiǎn)化學(xué)物品倉(cāng)儲(chǔ)[6]、礦井人員機(jī)車定位[7]等方面得到廣泛應(yīng)用，但是超寬帶脈沖易受到噪聲干擾，影響定位精度。為降低噪聲影響，設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法，并基于數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，更加精確、穩(wěn)定、有效進(jìn)行噪聲去除。

離散制造物聯(lián)車間實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)以離散型制造車間資源位置信息的感知與傳輸為目標(biāo)，基于離散型制造物聯(lián)車間定位感知模型，進(jìn)行感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位算法，基于DSP實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)濾波處理，降低了信號(hào)強(qiáng)弱造成的影響，減弱了外界對(duì)其的干擾，使定位誤差減小，填補(bǔ)了離散型制造企業(yè)高精度定位的空白。

1 離散型制造物聯(lián)車間定位感知模型

1.1 離散型制造業(yè)現(xiàn)狀分析

離散型制造企業(yè)產(chǎn)品形態(tài)復(fù)雜、產(chǎn)品種類多樣、物料需求多樣，決定了離散型制造企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的多變性、不可預(yù)測(cè)性；生產(chǎn)任務(wù)繁多、產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)、人員設(shè)備以及物料等制造資源具有廣泛的動(dòng)態(tài)特性導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程管理控制水平較低，增加企業(yè)管理成本。

離散型制造企業(yè)自身特點(diǎn)決定了其產(chǎn)能與流程型制造企業(yè)不同，流程型制造企業(yè)主要由硬件設(shè)備產(chǎn)能決定，而離散型制造企業(yè)其產(chǎn)能主要以軟件決定。因而離散型制造企業(yè)有必要通過(guò)軟件方面的改進(jìn)來(lái)提高加工要素的配置合理性，從而提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力挖掘潛力。

1.2 離散型制造物聯(lián)車間資源定位架構(gòu)

離散型制造企業(yè)目前存在的主要問(wèn)題包括：實(shí)時(shí)制造信息采集技術(shù)落后；生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控能力薄弱；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管控水平低下；生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享與反饋機(jī)制不靈活等。

針對(duì)離散型制造企業(yè)現(xiàn)存問(wèn)題，通過(guò)制造物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間自動(dòng)控制設(shè)備和制造執(zhí)行系統(tǒng)的互聯(lián)，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程人機(jī)、物料、生產(chǎn)計(jì)劃及任務(wù)執(zhí)行情況和在制品質(zhì)量信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并與企業(yè)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用，提出了如圖1所示的制造物聯(lián)事件感知技術(shù)架構(gòu)。

圖1 制造物聯(lián)事件主動(dòng)感知技術(shù)架構(gòu)

以基于UWB的智能車間定位數(shù)據(jù)采集終端為平臺(tái)，提出了如圖2所示的離散型制造物聯(lián)車間定位感知模型，針對(duì)制造物聯(lián)車間制造資源進(jìn)行有效的標(biāo)簽匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間制造資源的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集分析，并與企業(yè)資源管理系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行/控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。通過(guò)采集有效的實(shí)時(shí)定位信息，完善制造數(shù)據(jù)的完整性，加強(qiáng)對(duì)制造數(shù)據(jù)的管理及業(yè)務(wù)應(yīng)用，達(dá)到對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行事件預(yù)測(cè)、監(jiān)控與分析，為生產(chǎn)管理者提供決策依據(jù)。

圖2 離散型制造物聯(lián)車間定位感知模型

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

離散型制造物聯(lián)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中硬件系統(tǒng)主要包括標(biāo)簽、讀寫器、本安型不間斷電源、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、管理服務(wù)器和終端，用于識(shí)別和采集車間人員、物料等制造資源的位置信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)有線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到定位軟件系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。軟件系統(tǒng)主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、展示和存儲(chǔ)，并通過(guò)數(shù)據(jù)集成接口與企業(yè)資源管理系統(tǒng)、車間制造執(zhí)行/控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，便于車間管理人員通過(guò)軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到制造資源的活動(dòng)范圍，確定制造資源位置信息。制造車間環(huán)境下電磁干擾較強(qiáng)，而且數(shù)據(jù)采集點(diǎn)分布范圍很廣，根據(jù)這些實(shí)際情況，從系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性出發(fā)，本文提出了基于UWB技術(shù)構(gòu)建車間制造資源定位系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 UWB系統(tǒng)組成與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 UWB系統(tǒng)組成

UWB技術(shù)，是一種無(wú)載波、時(shí)間間隔納秒級(jí)甚至微秒級(jí)的通信技術(shù)，利用的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。具備功率低、抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、存儲(chǔ)容量大、多徑分辨能力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)離散型制造車間資源精準(zhǔn)定位，本文設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)主要構(gòu)成如下：

(1)UWB定位標(biāo)簽

UWB定位標(biāo)簽作為信息交互的載體由脈沖元件和芯片組成，標(biāo)簽具有唯一的ID用來(lái)標(biāo)識(shí)車輛、設(shè)備、人員等制造資源。

(2)定位基站

定位基站由接收天線和Reader兩部分組成，其中Reader包含信號(hào)接收器、DSP、定位測(cè)量電路和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，通過(guò)接收UWB標(biāo)簽發(fā)出的脈沖信號(hào)，進(jìn)行DSP濾波處理，采用TDOA算法，來(lái)確定標(biāo)簽的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(3)同步控制器

同步控制器用來(lái)連接定位基站和以太網(wǎng)完成對(duì)整個(gè)制造車間定位網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制，將Reader接收的TDOA數(shù)據(jù)包發(fā)送到定位服務(wù)器，使定位基站和定位服務(wù)端協(xié)同工作，保障定位網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)有效性。

(4)定位服務(wù)器

定位服務(wù)端是將通過(guò)同步控制器接收的TDOA數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理分析，來(lái)確定標(biāo)簽的位置，將標(biāo)簽位置實(shí)時(shí)的顯示在系統(tǒng)界面上。

2.2 工作流程

系統(tǒng)工作具體流程如圖4所示，標(biāo)簽進(jìn)入定位網(wǎng)絡(luò)后接收到同步控制器發(fā)出的標(biāo)識(shí)信號(hào)被喚醒，接收工作信號(hào)進(jìn)入工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)發(fā)出UWB信號(hào)，Reader通過(guò)天線接收到標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)首先進(jìn)行濾波處理，然后將不同信號(hào)的到達(dá)時(shí)間做處理，產(chǎn)生時(shí)間到達(dá)差數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)線傳到同步控制器中，最終定位服務(wù)端通過(guò)同步控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包來(lái)計(jì)算確定標(biāo)簽的位置。

圖4 系統(tǒng)工作具體流程圖

3 DSP濾波算法設(shè)計(jì)

UWB技術(shù)抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)可以在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，但是信號(hào)發(fā)送接收過(guò)程中極易受到噪聲影響，從而降低實(shí)時(shí)定位精度。DSP作為專用的數(shù)字信號(hào)處理器，其接口簡(jiǎn)單、易于集成，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法運(yùn)算，高速實(shí)時(shí)完成數(shù)字信號(hào)處理[8]。本文設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)充分利用DSP精度高、穩(wěn)定性高、運(yùn)行速度快的優(yōu)越性能，通過(guò)TMS320VC5416芯片實(shí)現(xiàn)一種基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法，針對(duì)定位基站接收的UWB信號(hào)進(jìn)行濾波處理，降低了制造車間環(huán)境下噪聲對(duì)UWB信號(hào)影響。

3.1 改進(jìn)小波閾值去噪算法

小波變換在時(shí)域和頻域具有良好的局部化特性，通過(guò)小波變換進(jìn)行信號(hào)噪聲去除，能夠最大限度地保留原始信號(hào)中的有用部分[9]。在諸多經(jīng)典小波變換去噪方法中，小波閾值去噪法因?yàn)槠渚哂袑?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小且降噪效果好等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[10]。其中，小波閾值去噪主要流程如圖5所示。

圖5 小波閾值去噪流程圖

小波閾值去噪算法的關(guān)鍵是：選取最合適的小波基；確定最優(yōu)小波分解層數(shù)；根據(jù)相應(yīng)準(zhǔn)則準(zhǔn)確的估計(jì)閾值；選取合適的降噪準(zhǔn)則。其中閾值和降噪準(zhǔn)則的選取直接關(guān)系到算法去噪的品質(zhì)。

(1)改進(jìn)的閾值

針對(duì)通用閾值固定，不能隨著分解層數(shù)變化的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的閾值選取方式以彌補(bǔ)其不足，新閾值自適應(yīng)性強(qiáng)，更加符合實(shí)際情況下噪聲在各層的分布，新閾值如下：

(1)

式中，σ是噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方差，N是信號(hào)長(zhǎng)度，j代表分解尺度。

(2)改進(jìn)的閾值函數(shù)

傳統(tǒng)閾值函數(shù)存在不連續(xù)性、存在恒定偏差、算法復(fù)雜度高等缺陷和不足影響重構(gòu)信號(hào)的精度。

為克服傳統(tǒng)閾值函數(shù)的不足，提出一種具有自適應(yīng)能力的閾值函數(shù)，如式(2)所示。

(2)

3.2 改進(jìn)算法仿真驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Win10/MATLAB(R2010b)，所用計(jì)算機(jī)配置為：Intel(R) Core(TM) i3-3240 CPU @3.40GHz，4.00GB RAM，64位操作系統(tǒng)。

3.2.1 設(shè)計(jì)算法描述

改進(jìn)的小波閾值去噪算法描述如下：

(1)信號(hào)小波分解：

①選擇合適的sym8小波基；

②確定分解層次N為6；

③進(jìn)行分解計(jì)算。

(2)小波分解高頻系數(shù)的閾值量化：

①選擇本文改進(jìn)閾值式(1)；

②選擇本文改進(jìn)閾值函數(shù)式(2)。

(3)小波重構(gòu)：根據(jù)小波分解的系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，以便恢復(fù)原始信號(hào)。

3.2.2 算法對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)流程描述如下：

①隨機(jī)產(chǎn)生原始信號(hào)；

②針對(duì)①中產(chǎn)生原始信號(hào)中加入噪聲，生成含噪信號(hào)；

③針對(duì)②中含噪信號(hào)進(jìn)行噪聲去除，選取本文設(shè)計(jì)算法與文獻(xiàn)[11]算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；

④實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6表明：本文算法與文獻(xiàn)[11]中算法對(duì)比重構(gòu)信號(hào)更加光滑，更高程度保留了原始信號(hào)的細(xì)節(jié)信息，算法更具有優(yōu)越性。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

面向離散制造物聯(lián)車間的UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是以Visual Studio 2015為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C#為編程語(yǔ)言，基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)來(lái)進(jìn)行定位場(chǎng)景構(gòu)建，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)包括界面、數(shù)據(jù)庫(kù)以及具體功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其中功能模塊主要分為信息管理模塊、實(shí)時(shí)定位模塊、管理調(diào)度模塊以及在崗追蹤模塊，可視化顯示采集的實(shí)時(shí)定位信息，并成功應(yīng)用于某高校制造物聯(lián)實(shí)驗(yàn)室，其中部分系統(tǒng)應(yīng)用界面如圖7所示。

圖7 部分系統(tǒng)應(yīng)用界面

4.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

定位精度與信號(hào)延時(shí)信息是評(píng)價(jià)UWB定位系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，但是在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，無(wú)法通過(guò)有效的測(cè)量方式獲取位置信息與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)定位信息進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

為進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)，將20個(gè)定位標(biāo)簽隨機(jī)置放于實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取定位標(biāo)簽在2016年8月27日11時(shí)18分至2016年8月27日11時(shí)19分之間的產(chǎn)生的位置坐標(biāo)信息，共計(jì)1218條。其中數(shù)據(jù)庫(kù)中部分定位標(biāo)簽信息如表1所示。

表1 部分定位標(biāo)簽數(shù)據(jù)

測(cè)試流程：

(1)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)試時(shí)間段內(nèi)定位標(biāo)簽坐標(biāo)信息，并按照不同標(biāo)簽ID進(jìn)行分類；

(2)計(jì)算不同ID標(biāo)簽平均位置坐標(biāo)(x,y);

(3)計(jì)算同一ID標(biāo)簽所有位置坐標(biāo)與平均位置坐標(biāo)(x,y)的方差s2；

(4)計(jì)算定位標(biāo)簽位置坐標(biāo)更新頻率f；

(5)結(jié)果分析。

通過(guò)計(jì)算得出s2=0.098，f=1.015，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)定位坐標(biāo)較為穩(wěn)定且具有較快的定位頻率生成位置坐標(biāo)。

5 小結(jié)

本文在提出離散制造物聯(lián)車間資源定位感知模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一種基于UWB的制造資源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出并應(yīng)用了一種基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)UWB無(wú)線定位接收器獲取人員位置信息，車間管理人員通過(guò)軟件的圖形界面或文字列表直觀了解到制造資源的活動(dòng)范圍，確定了制造資源位置信息，完善了制造數(shù)據(jù)的完整性。

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(編輯 李秀敏)

Real-time Positioning System Based on UWB Design for Discrete Manufacturing Group Workshop

ZHANG Cheng-longa，LI Shao-Bob，CHEN Wei-xingc

(a.College of Big Data and Information Engineering; b.School of Mechanical Engineering;c.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology, Ministry of Education, GuiZhou University, Guiyang 550025, China)

The manufacturing process of discrete manufacture is complex and varied, manufacturing resources have a wider dynamic characteristics, in view of control management manufacturing resources effectively, realization gathering real-time location data of IoMT-based workshop, A management system of resources-locating for IoMT-based discrete plant was established based on an active perception technical framework of manufacturing data, and designed a positioning system for Manufacturing resources based on UWB, improve a wavelet threshold de-noising algorithm based on adaptive threshold function and realized, can reduce the interference of external factors effectively, reduce the error of positioning, and could gathering real-time location of IoMT-based workshop, access the location of the manufacturing resources effectively, such as the staff, material, logistics vehicles, convenient for awareness and scheduling management, Finaly improve the management standard and product quality.

UWB; real-time positioning; discrete manufacturing; IoMT; information system

1001-2265(2017)06-0086-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.022

2016-08-27；

2016-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(51475097)；工信部智能制造示范項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2016]213號(hào))；貴州省重大基礎(chǔ)研究(黔科合JZ字[2014]2001)

張成龍(1992—)，男，山東棗莊人，貴州大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字通信與信息系統(tǒng)，(E-mail)995010174@qq.com。

TH122;TG506

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