基于UWB的离散智能车间可视化监测平台的研究及应用

王芸轩 袁逸萍 余耀涵 孙雪峰

（新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830000）

随着社会的不断进步和科技的不断发展，制造系统日益复杂，生产要素不断增多，仅通过人工调度难以实现高效率生产，造成时间成本和人工成本的浪费。离散智能制造车间在传统制造车间的基础上，除了应用加工中心和天车等设备，还应用了立体仓库和自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）等智能设备，提高生产效率的同时增加了管理难度。所以，需要一个集成监测系统来辅助管理，而监测系统中的室内定位是最关键的问题。

当前，室内高精度定位需求处于高速增长期，比较常见的室内定位技术有Wi-Fi、无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、ZigBee、蓝牙以及超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）等[1]。日益复杂的车间环境，为UWB定位技术的快速发展提供了机遇。UWB位置信息技术的位置精确度高（一般小于1 m）、低功耗、对通道衰落（如多经、非视距等通道）不敏感、抗干扰力量强、不会对相同环境条件下的任何设施造成影响以及透过性较强[2]。通过定位系统可以准确了解车间生产过程中人员、设备的位置以及状态信息。

基于实时高精度的定位数据，建立实时的车间可视化监控系统。通过该系统可实现车间人员和设备的定位及预警，为管理人员提供决策依据。例如，及时分配关键或急需物资，从仓库调配物资，减少生产过程的空档期，提高生产效率。随着UWB定位理论、技术和方法的不断突破与完善，室内应用场景服务将实现更高精度、更高便捷性及更高可靠性。

1 基于UWB的监测平台可视化设计

1.1 离散智能车间组成

离散智能制造车间拥有传统的加工设备，如加工中心和数控机床等，还有立体仓库和AGV等智能设备，同时布置了多种数据采集设备，力求最大化车间的利用率。车间结构如图1所示。

图1 车间结构

在离散制造企业的生产车间系统中，数据每隔几秒钟采集一次。使用这些数据能够快速进行大数据分析，包括设备的开工率、故障率、产量、零件的合格率以及质量百分比等。在生产与工艺的改进等方面，能够及时准确了解掌握企业各个生产环节的各种实际生产状况，及时发现各种错误点与技术问题，并及时予以解决。

1.2 总体设计

客户端使用C#语言编译，内嵌基于Unity3D的可视化平台完成制造车间内的监测、分析及调度。在室内部署UWB硬件设备，采集的位置数据通过SQL Server软件存储至数据库，通过C#脚本调用数据库数据驱动平台活动，并可以自动分析显示图表。客户端能够快速直观了解厂内的人员位置和资源，通过对人员位置进行追踪，可以对已经处于或即将进入危险区域的人员进行报警提醒。平台基于UWB技术采集数据，极大地提高了数据采集的速度和精度，降低了管理成本。系统框架结构如图2所示。

图2 系统框架结构

2 硬件设计及选型

2.1 硬件设计

在厂内部署3～6台设备，其中一台设备为主机，其余几台设备为副机。设备之间呈环形依次连接，是一个封闭多边形，多边形区域内为数据采集区域。通过设置数据采集接口与UWB硬件设备进行交互，可以获取实时数据，再将获得的实时数据储存到数据库中。UWB软硬件交互示意图如图3所示。

图3 UWB软硬件交互示意图

2.2 硬件选型

通过分析复杂环境下UWB定位平台的性能，发现Ubisense系列定位系统采用到达时差法（Time Diあerence of Arrival，TDoA）和到达角度法（Angle of Arrival，AoA）2种算法进行融合解算得到三维坐标数据，对非视距环境下产生的误差具有一定抗性，定位精度较好。因此，采用Ubisense Dimension4系统作为UWB实时定位平台，包括定位基站阵列和Compact型有源标签。基站工作频段为6～8 GHz，标签发出2.4 GHz的脉冲序列信号与基站相互通信，基站接收后通过算法计算定位信息，以“标签编号-定位时间-X坐标-Y坐标-Z坐标”的数据格式，利用有源以太网（Power Over Ethernet，POE）交换机，通过传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）传输至服务器平台进行数据交互。

3 软件功能设计

3.1 软件设计

使用3D Max软件建模，在Unity3D软件中仿照实际车间进行1∶1布置，通过C#语言编译脚本，调用UWB设备实时采集数据并将其保存在数据库中，实现实时数据驱动人员、AGV及天车的移动，以达到数据可视化的目的。在平台对人员、设备及区域设定标签和阈值，当超过某一阈值时触发函数，使得报警物体高亮显示，实现实时预警。客户端采用客户机/服务器（Client/Server，C/S）架构，同样使用C#语言编译，集监测和统计功能于一体，可提供快速便捷的服务。

3.2 软件功能

客户端功能包括状态查询、仿真追踪和数据统计。

3.2.1 状态查询

客户端拥有简易的可视化界面，能够查询车间内的基础信息。Unity3D自身无法建立复杂模型，因此采用3D Max软件作为建模工具，可完成加工中心、人员以及AGV等模型的建立，调整可移动关节以优化模型，减少对系统内存的占用。将模型文件以FBX格式导入Unity3D的Assets文件中，通过调整位置实现需要的效果。状态查询模块通过C#语言编译实现，能够读取和显示结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）数据库中存储的各种数据。

3.2.2 仿真追踪

该模块内嵌基于Unity3D的可视化界面。界面设计制作使用Unity3D的次世代界面（Next-Gen User Interface，NGUI）插件完成。NGUI组件包括Canvs、Even-System、Text、Image、Button以 及 Panal等多种元素[3]，在界面中先后设置Canvs、Image及Button组件，在按钮中添加Active函数和flag值，通过点按的方式实现界面设计（User Interface，UI）的开关和追踪物体的切换。

平台内可以观察到厂内人员、设备的实时位置、坐标信息以及厂区内物流状态。平台设置具有预警和报警功能，能及时提示已经或即将处于危险区域的人员。在驱动物体或人员移动的C#脚本中，给监测物体和危险区域添加Tag，设定对应的阈值。当脚本监测到带有特殊Tag的物体和区域重叠时会触发阈值函数，使其对物体施以红色高亮显示，并及时将信息反馈给管理员[4]。

3.2.3 数据统计

交互动作主要通过C#语言编译的脚本程序实现，与SQL Sever数据库和服务器对接完成信息存储功能。该模块在后台对SQL数据库内的数据进行调取和分析，并通过图表形式显示，可以获得设备的使用效率和违规次数等信息，给管理者进行动态调整提供了极大便利。

4 系统实施效果

智能离散车间可视化监测平台集成了状态查询、仿真追踪和数据统计功能，通过实时状态可视化，对整个生产过程进行监测、调度和优化，完成可视化车间的现场管理[5]。

通过客户端系统，管理人员可以了解生产进程，发现生产问题，并可针对关键问题进行资源调度和优化改善，实现了现场信息的实时采集与反馈，实现了车间管理的可视化、实时化及协同化，提高了生产效率和资源利用率，降低了管理难度和成本。

5 结语

基于UWB的制造车间实时定位系统，针对制造资源的差异性，能够灵活采集有效的实时定位信息，帮助管理者实时追踪各种制造资源的状态信息。它也可在生产过程中合理分配不同的制造资源，解决资源浪费问题，利用实时定位的优点，监控并及时解决制造资源分配不均匀的问题，提高生产效率。