一汽物流青島公司基于UWB技術的室內調度系統構建

文/蔡文晶 鄭可心 韓強 林琳 史磊 崔皓 薛步飛

近年來，國內各大車企為降低成本，紛紛推行精益生產和精益供應鏈模式，如何降低物流成本也成為關注的重點。隨著科技進步，智能化與自動化成為了汽車企業降本增效的重要手段。本文主要結合一汽物流（青島）有限公司（簡稱“一汽物流青島公司”）的具體實踐，介紹了一種基于UWB技術的室內調度系統，對于庫房管理的增效和物流成本的降低都有所幫助。

一、技術背景

當前，各種各樣的新手段均可完成區域內的定位，主要技術手段如下：

1.UWB射頻定位技術

UWB定位系統是通過UWB電子標簽與基站之間的交互，實現位置狀態的測算，從而實現目標的位置捕捉。

2.藍牙定位技術

藍牙自動定位技術是基于使用各種藍牙信號作為每個傳輸端的信號，基于接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)自動定位計算原理，根據傳輸信號的增加衰減衰弱程度不同，來精確計算其輸出到各個通信定位端和基站之間的定位距離，然后精確計算出具體的定點位置，根據每個定位端的不同，分為通信網絡側自動定位和通信終端側自動定位兩種。

圖1 總體設計框架

圖2 定位原理

3.UWB 定位技術

超寬帶(Ultra Wideband，UWB)載波通信傳輸技術的超寬帶通信，是一種基于無線電的正弦載波通信數據傳輸技術，它不同于需要直接采用任何一個正弦載波，而是直接通過一個高于納秒載波頻率數量級的非正弦波，利用窄帶的一個脈沖載波頻率進行傳輸數據，因此其自身所能提供獨占的正弦載波通信頻譜及其應用領域范圍很寬。

UWB系列發射技術核心產品主要具有：發射系統軟件設計過程復雜度低，發射信號通道接收信號射頻濾波發射功率高和譜數據采集系統密度低，對接收發射通號信道濾波功率譜的衰落不敏感，截獲發射信號干擾能力低，定位精度高等主要優點，尤其適用于室內等密集多徑無線發射通道場所的高速無線電波信號發射接入。

二、總體設計

傳統的倉儲庫房使用較多的人車資源，WMS提示員工操作并進行賬實管理，加之少量的自動化設備進行輔助。在無系統支持的管理狀況下，必須使用較多的管理人員進行現場管理。傳統的倉儲模式，主要存在以下不足：

1.管理人員的浪費。管理人員必須在現場實時監控，導致數量較多，造成浪費；

2.改善方式落后，改善點統計困難。以往的改善，往往需要對每個崗位進行重復跟蹤，大量的時間測量，來確定員工的實際負荷；

3.重點零件監管困難。對于部分價格高、易丟失的零件，設置專崗人員進行管理，管理成本增加。

針對以上現狀，一汽物流青島公司擬開發倉庫動態管理監控系統，其主要包括：倉儲管理系統（WMS）、室內定位系統、室內廣播系統等，并共同匯集到核心監控系統中。其中，核心監控系統提供數據云服務、綜合可視化服務與遠程管理等幾個功能，如圖1。

按照圖1總體設計框架，下面分別介紹各分系統的功能要求。

圖3 定位模式

圖4 庫房布局及倉庫定位示意圖

三、倉庫動態管理系統

UWB定位技術，在汽車定位精度控制方面具有獨特的技術優勢。近年來，隨著UWB定位技術快速發展，在各個領域均取得有重大突破，為我們有效使用UWB定位技術對進行人、車、物的定位監控管理，提供了寶貴的技術理論知識基礎和實踐經驗。

1.設計目標

通過UWB技術應用，加強對倉庫庫存的智能化管理，完善管理機制，杜絕人為操控。系統實現人員管理、物品庫存管理、領用交接記錄等業務數據電子化，業務數據采集自動化，杜絕人為因素影響所造成的憑證偽造等現象，保證物品庫存管理的安全性和準確性。

2.基本方案

（1）定位原理

如圖2所示，信號發射源發射信號，在倉儲空間內安裝信號接收機，并且3個信號接收機的坐標位置已經知曉。

信號發射源（即人員或車載定位標簽）發射的信號到達 3 個接收機的時間分別為 T1、T2、T3，信號速度已知，通過計算即可得出發射源至3個接收機的距離 L1、L2、L3，以3個距離為半徑畫圈，圓圈相交范圍處就是信號發射源的位置，該原理為三角定位原理，衛星定位也采用類似的原理。

（2）定位模式

如圖3所示，根據不同的檢測行業應用場景和在應用中的需求，UWB自動隨機定位系統還可以具有三種不同位置的檢測模式：三維位置存在的特性位置自動檢測、一維手動隨機定位、二維自動隨機定位。

存在性檢測：指的是在或不在的檢測，空間區域內僅有一個基站，如圖3中的基站 7、 8 所示，檢測目標對象是否在某空間內，不確認具體的位置。

一維定位：指線性方向的位置檢測，典型的就是高速公路定位檢測，不確認目標對象在寬度方向位置，通過安裝 2 個基站實現定位，如圖3中的基站1、2，確認在線性方向上的具體位置。

二維定位：指具體平面坐標位置的確認，就需要在定位區域至少安裝 3 臺基站實現二維定位效果，如圖3中的基站3、4、5、6所示。

（3）具體方案

如圖4所示，區域一、區域二為開闊區，做二維平面定位；區域三為貨架區，視貨架高度及排布，初步考慮做一維定位，并使用IP技術，確認接收機所在貨道，即可間接完成庫內定位。

定位基站選擇：根據場景特點，可以選用室內型或吸頂型基站。考慮到施工的條件，選擇無線回傳方式基站。

定位標簽選擇：根據需要可以選擇不同的標簽佩戴，卡片型標簽可以佩戴在胸前，車載型可以放在車上，物資型可以用于定位物資。

定位軟件：定位軟件是軟件部分的核心，該軟件可以根據定位標簽的物理信息不同確認其位置，軟件的開發需要結合平面布局圖，將平面圖嵌入到軟件之中。此外，我們加入了軌跡、圍欄報警等功能。

（4）定位界面

人員自動定位系統產品采用三維高度空間自動定位系統算法，精準定位作業人員所在位置、車輛、資產等，具有高度實時地點定位、軌跡圖像回放、電子定位圍欄、視頻定位聯動、人員定位統計、一般按鍵自動報警等強大功能。如圖5、圖6。

關于重要資產定位，實現定位系統與倉庫管理系統的互通，共同實現對重要部件資產的位置管理。

四、數字IP廣播系統

數字IP網絡廣播系統，是一套基于標準TCP/IP網絡的純數字化的音頻網絡廣播系統。通過網絡模擬音頻數字化廣播系統，在其物理結構上與傳統的標準IP廣播網絡完全融合，不僅真正實現基于標準TCP/IP網絡的遠程數字化模擬音頻的網絡廣播、直播、點播，并且真正借助標準TCP/IP廣播網絡的技術優勢，突破了傳統的數字化模擬音頻網絡廣播系統的內容結構局限、空間的局限和網絡廣播功能的局限等。

圖5 人員查看統計

圖6 定位數據統計

圖7 數字IP廣播系統結構圖

圖8 能源管理總體架構圖

目前網絡模擬音頻數字化廣播系統，不僅已經能夠完全取代傳統的數字化模擬音頻網絡廣播系統的功能，更是具有各種自主交互式的功能，為遠程數字化廣播音頻網絡應用提供了更廣闊的發展空間。

1.數字IP廣播系統特點

數字IP廣播系統具有如下顯著特點：

（1）傳輸數字化

IP網絡廣播音頻信息廣播信號控制處理系統，主要采用了針對數字化的網絡音頻廣播信號進行處理，避免了許多人在傳統的網絡音頻廣播網絡中對廣播音頻信號進行衰減與轉換產生的音頻噪音，提供高保真音質的音頻網絡廣播聲音。

（2）終端個性化

IP網絡系統的數據網絡視頻廣播基于一個新的IP系統數據網絡，每個系統的數據網絡視頻廣播中的數據終端，都必須是一個可以同時并獨立放在IP數據網絡上的廣播數據地址，支持任意一個單點的網絡播放。即一個操作系統用戶可以對任意一個單點、組群、分區或全部節點進行視頻廣播。一個系統的廣播管理員，通常可以在系統廣播的某個同一時間進行設定任意一組多個系統廣播組群，或同時進行播放一個系統所自行制定的多個廣播系統聲音，或對任意一個同時進入廣播指定系統廣播聲音區域的主持人進行多次廣播講話。

（3）前端網絡化

IP廣播網絡遠程在線廣播，將一個基于前端的視頻音源播放擴展文件連接發送到整個網絡廣播播放網絡，定時視頻音源播放時均可以通過網絡在線遠程廣播或者網絡遠程連接進行廣播操作。通過這種網絡化的音源管理，還有在線視頻廣播系統，可以為不同的網絡用戶分別同時設置不同的網絡音源視頻播放器和權限。

（4）監聽一體化

除了網絡廣播監聽功能，IP網絡廣播系統還提供一個可設任意的網絡廣播終端，它可以作為網絡廣播系統實時監聽的終端使用，實現了單點選擇實時監聽網絡廣播功能，實現機房或者辦公室領導對各個點進行實時網絡廣播監控。

2.數字IP廣播系統組成

數字IP廣播系統主要包括以下幾個組成部分：

（1）系統服務器

系統服務器提供了系統管理、用戶服務器管理、終端用戶管理、節目管理、任務管理等多種管理系統的功能，是整個系統的管理核心。遠程系統管理服務器主要是提供服務給系統管理員使用，同時也是系統語音和音頻文件資源庫的主要存放點。遠程系統管理用戶服務器可以通過遠程訪問系統客戶端，或者遠程管理APP，對放在系統服務器上的文件和音頻進行間接播放或者直接進行講話，已經可以達到日常的手段。

（2）中繼服務器

可選擇的網絡方式組建。當一個新的網絡中繼電視廣播服務系統，可能需要同時連接或自動跨越多個符合物理或數學邏輯的網絡子網時，需要手動組建或直接使用一個相應的網絡中繼廣播網絡或連接服務器。

（3）分控點（遠程客戶端）

分點監控和節點控制，是構成現代國際網絡無線通信廣播系統的一大必然技術特點。分控點也就是可以將其看作是任意的網絡計算機，通過遠程網絡服務器或者登錄到的網絡端來進行無線廣播系統控制。

（4）廣播終端

系統通過服務器上的語音播放處理任務，將語音數據以IP報文的方式發送到相應的廣播終端，在相應廣播終端上對其進行音頻解碼并還原為前級的音頻數據流，再對后級的功放或音響控制系統進行驅動，以提供高保真的音質和效果。

（5）監聽終端

用于對系統中其他任意一個廣播終端的視頻播放情況，或者系統任意的位置播放情況，進行實時監聽。

五、能源管理系統

1.設計目標

能源管理系統主要是一套采用能源自動化、信息化的技術和能源集中管理的模式，對工業園區自動化能源管理系統的生產、輸配和利用能源消耗等各個環節的能源，實施幾種扁平化的能源動態監控和智能化管理，從而改進和完善優化的能源平衡，實現能源系統性管理和節能降耗的管控和服務一體化的系統。

（1）能源“管家”

實現全數據（電、水、氣、熱）的自動遠程采集、存儲，并對數據進行整理、統計、分析，全面掌握用能數據，解決“能耗去哪了”、“如何節能”的問題，達到明明白白用能，實現管理節能與技術節能的協調優化運營。

自動采集：自動采集能耗數據，實現三級計量及重點用能設備的監控，實現分類、分項、分樓、分層、分區域統計，減少工作量及人員支出。

“源——網——荷——儲”：實現“源——網——荷——儲”全過程能源監測、統計、分析，減少能源運行管理成本，優化能源平衡，推動節能降耗，提高能源利用水平。

運行調整：通過用能數據的統計分析，依據電費政策，為動態優化用電方式提供輔助決策。

空調管控：對空調溫控器及室內溫度實時監控，根據建筑內總負荷情況，動態控制空調系統的制冷主機出水溫度、水泵流量，做到按需供冷。

生產調度：通過生產用能分析，結合峰谷電價，優化調度作業安排；實時監控各工序負荷，監測空機運行。

（2）能源“專家”

基于大數據構建診斷分析模型，及時發現用能異常以及能效管理的問題，為動態優化運營提供輔助決策，做能源管理的“專家”。

通過工業園能源管理互聯網平臺，將工業園信息流、能源互聯網流和設備管理流三者相互連接為統一的互聯網整體，實現信息無縫共享和傳遞，同時針對不同區域和角色的工業園能源管控服務目標，對系統運行過程中的能耗從不同維度進行用能的分析和診斷，實時對工業園能源互聯網的能源運行狀況數據進行“體檢”，達到工業園能源健康管理水平的數據可量化，輔助工業園區的智慧企業優化能源管理，實現以工業園能源系統運行安全、節能環保為主要目的的工業園能源互聯網優化管理和運營。

在對園區進行節能改造時，系統評估改造前后的用能數據，對用能、費用數據做詳細的統計分析報告，打造節能監管、技術節能改造、管理節能“三位一體”的能源管控平臺。

（3）能源“保安”

依托監控系統的智能主動預警監控引擎，將服務由傳統的“被動服務”進一步轉變為“主動服務”，系統7×24小時不間斷主動實時進行監控，基于“集中監控＋異常推送”的監控方式，充分發揮了系統保安的綜合管理職能，消除了傳統的周期性需要人工的值守巡檢，提高效率、防患未然。

異常主動推送：通過對采集到的數據進行巡檢，基于預設規則，當發生安全異常時，主動通過短信、郵件等方式進行通知。

運行安全：通過實時負載感知變壓器運行狀況（負載率、變壓器溫度），保障變壓器經濟、合理運行。

用能設備安全：對中央空調、波峰焊等重要用能設備的關鍵指標數據實時監測，通過閥值預警，將安全隱患（溫度過高、電流過大等）提前排除。

運行環境安全：實時監控配電室內溫度、電纜溫度、配電柜溫度、煙感、明火等環境數據，保障供電安全。

平衡分析：基于多級計量體系，自動計算各環節的能源平衡情況，偏差過大時，自動預警，杜絕“跑冒滴漏”。

2.總體架構

平臺分三層架構設計，從上到下依次為：數據監控中心、通訊網絡、現場采集。如圖8。

數據監控中心：數據監控中心由兩部分組成，為數據中心和監控中心。數據中心主要包括數據服務器，服務器放置在公司機房，安裝數據采集及分析程序，為整個平臺的數據核心。監控中心設置在一樓展廳旁，配置拼接屏、值班工作站、辦公桌椅等設備。

通訊網絡：通訊網絡采用公司內部局域網絡。

現場采集：現場數據源主要有新增設備和第三方系統兩部分。

（1）配電室監控設備主要包括煙感、水浸、多功能表、溫濕度傳感器等計量器具。配電室監控側重實時數據監測，因此計量器具的監測數據通過通訊管理機上傳到管理平臺。

（2）辦公樓及生產樓的計量設備主要是智能電能表、遠傳水表、熱量表、溫濕度傳感器等設備。樓內的計量側重于電能數據，因此數據是通過能耗集中器傳輸到管理平臺。

（3）外部第三方系統主要為暖通空調系統、充電樁系統、安防系統。暖通空調系統分為機房、溫控器監控系統和多聯機（VRV）空調監控系統。目前管理平臺已經實現了與機房監控系統的對接，下步需要實現多聯機系統的接入；充電樁系統需要重新部署，支撐手機支付功能，并接入到管理平臺；安防系統已經獨立建設完畢，需要增加視頻服務器接入到管理平臺。

六、核心監控系統

核心監控系統提供網絡云服務，在倉庫本地提供大屏可視化顯示，并提供遠程登錄功能，用戶經過安全認證后可以隨時遠程登錄系統，進行倉庫狀態查詢。

七、系統效益

該系統是倉庫智能化的核心，功能較為繁雜，但系統的投入可產生直接經濟效益。主要效益有以下幾點：

1.減少管理人員的數量。該系統直接優化現場的底層管理人員，優化比例為每班1人，可直接減少管理成本。

2.節能降耗。系統化地對能源進行管理，可有效減少能源的浪費。

3.精益自動化生產。系統對人、車的質量，以及勞動工作時間和效率，可以方便地進行自動統計，作為企業進行精益自動化生產的重要依據，可以應用在勞動效率水平提升、操作人員使用率優化等企業精益自動化生產中，減少浪費。

4.重點關注。對于價格昂貴的零件，采用定位跟蹤的方式，降低零件丟失的風險。