周 紅， 季 銘， 顧曉波

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著船舶、海工裝備制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，船廠內(nèi)的生產(chǎn)物流越來越受到造船企業(yè)的重視，對產(chǎn)品的制造周期、生產(chǎn)效率和企業(yè)運轉(zhuǎn)成本都發(fā)揮著重要的影響。在維持當(dāng)前生產(chǎn)資料投入的條件下，船企通過優(yōu)化廠內(nèi)物流計劃制訂、完善物資定置定位管理、提高廠內(nèi)物流效率，可在很大程度上節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)開銷，在保障縮短工期的同時可有序完成生產(chǎn)任務(wù)[1]。目前，已有相關(guān)單位開發(fā)出基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System， GNSS)的船廠物流解決方案。這些方案大多根據(jù)衛(wèi)星定位終端，追蹤物流位置信息，僅適用于室外，鋼結(jié)構(gòu)的廠房車間內(nèi)成為定位盲點，難以滿足企業(yè)對室內(nèi)物流定位的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，基于超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)、藍(lán)牙、射頻識別(Radio Frequency Identification， RFID)等的無線定位技術(shù)成為研究熱點，而UWB技術(shù)擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括標(biāo)簽、定位基站、解算引擎和客戶端。標(biāo)簽用于周期性廣播報文，與基站相互通信，使其被定位；基站用于接收來載標(biāo)簽的報文，并通過網(wǎng)絡(luò)將收到的報文上傳至解算引擎；解算引擎依據(jù)收到的報文信息，按照相關(guān)算法，計算出待定位標(biāo)簽(車輛、托盤)的坐標(biāo)并錄入數(shù)據(jù)庫；客戶端用于呈現(xiàn)車間道路、工位、車輛、托盤等生產(chǎn)要素的相對位置關(guān)系。由于定位基站和解算引擎間采用以太網(wǎng)連接，因此還需要增設(shè)必要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如交換機(jī)、光收發(fā)器(光纖)等。

2 硬件設(shè)計

2.1 基站設(shè)計

基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)，其標(biāo)簽與定位基站的共同核心為DW1000芯片，遵循IEEE 802.15.4-2011:UWB標(biāo)準(zhǔn)，抗多徑效應(yīng)能力強[2]，功耗低，定位精度高。

DW1000芯片采用低功耗設(shè)計，其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射功率只有-42 dBm/MHz。若按照傳統(tǒng)電路設(shè)計，標(biāo)簽與基站間最遠(yuǎn)可靠測距距離只有約50 m，勢必造成車間需要部署大量基站以彌補單基站探測范圍小而帶來的覆蓋不足，進(jìn)而產(chǎn)生巨額部署成本。因此需要對基站的射頻電路做進(jìn)一步優(yōu)化，采取適當(dāng)?shù)拇胧鰪姲l(fā)射功率并提高接收靈敏度[3]，擴(kuò)大單基站的覆蓋范圍。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

定位基站針對傳統(tǒng)基于DW1000的模塊進(jìn)行電路改進(jìn)，增加低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、功率放大器(Power Amplifier，PA)、衰減器和射頻開關(guān)，基站采用以太網(wǎng)供電(Power Over Ethernet，POE)。電路原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定位基站電路結(jié)構(gòu)

DW1000的射頻信號由發(fā)射路徑與接收路徑組成，并通過2個射頻開關(guān)控制。添加PA可增強發(fā)射功率，提升單基站的覆蓋范圍。在接收路徑上添加LNA可降低接收噪聲系數(shù)從而改善基站接收標(biāo)簽信號的靈敏度。采用POE可改善現(xiàn)場的布線環(huán)境，易于安裝和管理。

2.2 標(biāo)簽設(shè)計

UWB標(biāo)簽部署在車輛等載具上可由電瓶供電，而部署在托盤上則必須使用電池供電，因此優(yōu)化標(biāo)簽功耗、提升其續(xù)航就顯得較為重要。由于待測對象通常處于運動或靜止?fàn)顟B(tài)，運動位置探測需求大，靜止位置探測需求低，因此可在標(biāo)簽上添加運動傳感器芯片，根據(jù)檢測到的加速度，動態(tài)調(diào)整UWB標(biāo)簽射頻電路的工作時間，合理優(yōu)化報文發(fā)送頻次，降低標(biāo)簽的功耗，延長標(biāo)簽續(xù)航。標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽電路結(jié)構(gòu)

3 定位算法

目前，常見的UWB定位算法有到達(dá)時間(Time of Arrival，TOA)和到達(dá)時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)。TOA定位通過基站和標(biāo)簽之間的多次通信實現(xiàn)，基本流程[4]如下：

(1)標(biāo)簽廣播1個帶有自身編號的輪詢包，記錄發(fā)送時間戳并進(jìn)入接收模式。

(2)基站接收標(biāo)簽發(fā)過來的輪詢包，記錄各標(biāo)簽編號和到達(dá)時間戳。

(3)基站進(jìn)入發(fā)送模式，為避免標(biāo)簽接收沖突，各基站分別延時一定時隙，依次向標(biāo)簽回復(fù)響應(yīng)包，并進(jìn)入接收模式。

(4)標(biāo)簽收到響應(yīng)包，記錄時間戳，然后立即回復(fù)1個包含發(fā)送、接收時間戳及延時信息的結(jié)束包給相應(yīng)基站，隨后進(jìn)入接收模式。

(5)基站收到結(jié)束包并作預(yù)處理后上傳至解算引擎，然后回復(fù)報告包給標(biāo)簽，表明1次測距通信結(jié)束。

為1次定位，每個基站和標(biāo)簽之間需要進(jìn)行4次通信，因此將這種定位方法稱為雙向測距(Two-way-ranging，TWR)。該方法既占用信道又消耗標(biāo)簽電能，實際應(yīng)用起來可行性不佳。

TODA由多個時鐘完全同步的基站同時接收來自1個標(biāo)簽的報文，對于不同位置的基站，同一個標(biāo)簽的廣播報文到達(dá)的時間是不同的。定位算法的主要思想是：1組基站測量的時間差能確立1對雙曲線，其焦點就是兩基站，而待測標(biāo)簽就是在雙曲線上的某點。在二維情況下的TDOA定位模型[5]如圖4所示。

圖4 TDOA定位模型

假設(shè)標(biāo)簽的坐標(biāo)是(x,y)，第n(n=1, 2, 3)個基站的坐標(biāo)是(xn,yn)，因此可得到二維模型標(biāo)簽的位置為

(1)

式中：r1、r2、r3分別為標(biāo)簽至各基站的距離。

TDOA最終展現(xiàn)出來的是雙曲線定位模型，但該模型是非線性方程組。非線性方程組的求解過程比較困難，目前的求解算法主要有Fang算法、Chan算法及Taylor算法[6]等。TOA與TDOA的算法設(shè)計對比如表1所示。

4 業(yè)務(wù)邏輯

基于UWB的船廠車間物流定位系統(tǒng)，配合船廠制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)及GNSS，可實現(xiàn)對船舶制造流程中生產(chǎn)資料運輸環(huán)節(jié)的閉環(huán)追蹤，提高運輸效率，增強管理水平，亦可應(yīng)用于托盤集配，使企業(yè)能更好地把控船舶制造周期，降低物流成本。

以運輸環(huán)節(jié)為例簡述定位系統(tǒng)參與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)邏輯(見圖5)：(1)船廠MES系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計劃指派運輸任務(wù)；(2)駕駛?cè)藛T接收運輸任務(wù)；(3)室內(nèi)和室外的物流定位系統(tǒng)，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)車輛、貨物位置關(guān)系及道路占用情況，規(guī)劃行駛路線；(4)車輛行至場地1，待運貨物裝車，駕駛?cè)藛T在客戶端(手機(jī)或個人數(shù)字助手(Personal Digital Assistant，PDA)端)確認(rèn)(上傳)實際裝車貨物信息，此時貨物信息在系統(tǒng)中與車輛坐標(biāo)綁定；(5)室內(nèi)和室外的物流定位系統(tǒng)，根據(jù)廠區(qū)內(nèi)車輛、貨物位置關(guān)系及道路占用情況，規(guī)劃行駛路線；(6)車輛行至場地2，卸下貨物，駕駛?cè)藛T在客戶端確認(rèn)(上傳)實際卸貨信息，此時貨物信息在系統(tǒng)中與車輛坐標(biāo)解除綁定。

表1 TOA與TDOA的算法設(shè)計對比

圖5 定位系統(tǒng)參與生產(chǎn)環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)邏輯

5 結(jié) 語

闡述基于UWB的船廠物流室內(nèi)定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件電路結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計思路及業(yè)務(wù)流程邏輯。該系統(tǒng)契合船舶與海工制造企業(yè)的廠內(nèi)物流信息化、可視化、智能化需求，配合企業(yè)的MES，可實現(xiàn)各業(yè)務(wù)部門對物流信息的共享，增強計劃制訂部門與基層執(zhí)行部門間的聯(lián)動，提高基層執(zhí)行部門信息反饋的主動性和時效性，有利于提升廠內(nèi)物流的管理水平。