船舶中間產品標識定位系統設計與實現

李楊梅， 侯 星， 董家琛， 續愛民， 周 清

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統工程有限公司，上海 200032)

0 引 言

隨著信息化技術的發展，船舶行業面臨著現有生產技術補短板和智能制造技術推進并行的狀況。從現有國內船舶工業平均水平看，首要工作是補短板，特別是對加工過程中間產品的基礎信息采集。在船舶修造過程中，中間產品信息是在船舶車間中進行倉儲、物流、生產計劃、質量等管控的數據支撐。以船舶修造過程中的中間產品為研究對象，研究適用于船舶中間產品的標識定位系統。

1 船舶車間標識技術

船舶中間產品是按照不同制造階段構成船舶某一部分的實物，如零部件分段、單元、模塊等，也包括船舶車間中的托盤。在船舶車間生產現場，以中間產品為信息采集對象，可采用條碼識別、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、人工輸入、傳感器識別等信息采集方式。目前適用于船舶車間的常用標識技術包括條形碼(一維)、二維碼、RFID、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)定位標簽等，這些技術大幅優化信息的統計和識別工作，有效提高計算機識別效率，增強其靈活性和準確性[1]。標識技術對比如表1所示。

表1 標識技術對比

2 定位算法

考慮船舶車間中的生產實際情況、成本限制、可實現程度等具體要求，采用二維碼標識技術實現船舶中間產品的標識，采用UWB定位技術實現船舶車間托盤、單元、模塊等的定位，通過數據整理分析可得到中間產品的加工、物流、倉儲等信息。UWB作為一種無線載波通信技術，與藍牙、RFID、Wi-Fi、ZigBee技術等室內定位技術相比，具有定位精度高、傳輸效率高、功耗低、抗干擾能力強、安全性高等特點，適用于船舶車間[2]。

UWB技術常用的主流定位測量方法包括接收信號強度(Received Signal Strength，RSS)分析法、飛行時間(Time of Flight，TOF)定位法、到達角度(Angle of Arrival，AOA)定位法、到達時間(Time of Arrival，TOA)定位法、到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)定位法等。不同算法對應的定位精度不同[2]：TOA算法對時間同步要求較高，硬件尺寸、價格、能耗等要求高；TDOA算法降低TOA算法的高精度要求，但在室內環境復雜時該算法實現難度較大；AOA算法硬件設備復雜，且需要節點間視距傳輸，不適用于船舶車間；RSS算法簡單、成本低，但精度一般，容易受多徑衰落和陰影效應的影響；TOF算法與TOA算法在本質上一致，沒有時鐘同步偏差產生的誤差，但測量精度仍受非視距和復雜室內環境的影響[3]。綜合上述算法優缺點和船舶車間環境，通過TOF算法計算定位坐標，采用交互式多模型(Interacting Multiple Model，IMM)卡爾曼濾波法對測距算法進行優化處理，可降低測距噪聲，減少非視距環境的影響[4]。

采用不對稱雙向測距的TOF，即

(1)

式中：TL往返為標簽信號往返時間，TL往返=(TR2-TS1)，其中TR2為信號第二次到達標簽時間，TS1為信號第一次離開標簽時間；TB往返為基站信號往返時間，TB往返=(TR3-TS2)，其中TR3為信號第二次到達基站時間，TS2為信號第二次離開基站時間；TB反應為基站反應時間，TB反應=(TS1-TR1)，其中TR1為信號第一次到達基站時間；TL反應為標簽反應時間，TL反應=(TS3-TR2)，其中TS3為信號第三次離開標簽時間。

TOF算法不依賴基站與標簽的時間同步，沒有時鐘同步偏差產生的誤差，但TOF算法的時間取決于時鐘精度，時鐘偏差會帶來誤差。為減少時鐘偏移量造成的測距誤差，通常采用正反2個方向的測量方法，即遠端基站發送測距信息，標簽接收測距信息并回復，然后再由標簽發起測距信息，遠端基站回復，通過求取TOF平均值，減少兩者之間的時間偏移，從而提高測距精度[4]。TOF算法雙邊雙向測距如圖1所示。

圖1 TOF算法雙邊雙向測距

標簽至基站的距離為TOF×光速(信號傳遞速度)。測量至少3個標簽至基站的距離，使用三邊定位法測量目標位置，原理如圖2所示。通過計算標簽至基站的距離di，可得唯一的標簽位置坐標(x,y)。

圖2 三邊定位法計算原理示例

標簽的位置坐標為

(2)

(3)

z1=(x22-x32+y22-y32+d32-d22)

(4)

z2=(x12-x22+y12-y22+d22-d12)

(5)

通過TOF算法和三邊定位法可得到測量目標的具體位置，但在實際的船舶車間中存在多種影響因素，如非視距、多徑傳播、人體干擾等隨機干擾，在測量數據中存在隨機噪聲，造成定位數據誤差。作為純時域濾波器，卡爾曼濾波器可修正測量數據誤差，該方法廣泛應用于目標定位、跟蹤和導航等工程領域，采用上一時刻位置信息和本時刻觀測值對本時刻位置進行最優估計，使被估計量隨時間變化，這種動態評估的方式非常適合移動設備[5]。但單一模型卡爾曼濾波器無法準確跟蹤動態模型，而IMM卡爾曼濾波器選用多個模型集組合模擬目標的真實軌跡，通過加權綜合處理各模型的輸入，自動切換適合的模型，實現對目標軌跡較好的跟蹤[6]。IMM算法優于單模型卡爾曼濾波算法，經濾波處理，測距精度達100 mm，可滿足船舶車間中的定位精度要求。

3 船舶中間產品標識定位系統設計

系統架構主要分為4層：定位硬件層、網絡連接層、數據解算層和應用層。定位硬件層是無線定位系統實現定位功能的主體部分，包括用于實現托盤定位跟蹤的定位基站和定位標簽，用于實現鋼板和型材定位跟蹤的二維碼標簽打印機和條碼掃描器。網絡連接層用于將定位基站采集的數據回傳至數據解算層處理。數據解算層實現標簽位置計算，通過數據轉換、自適應濾波等過程，輸出可供上層使用的定位信息。應用層根據客戶需求，具體體現產品位置定位、工序進程跟蹤等業務。船舶中間產品標識定位系統架構[7]如圖3所示。

圖3 船舶中間產品標識定位系統架構

4 系統功能應用

4.1 信息識別

在標識信息操作模塊中實現中間產品物流信息的采集和編輯及二維碼的生成、掃描和打碼等操作，在系統主界面中可查閱和修改已標識的零件、鋼板、托盤等中間產品信息，如圖4～圖6所示。

圖4 主界面

圖5 鋼板信息

圖6 零件信息

通過企業的產品編碼結構，可將零部件、鋼板、型材、托盤等信息生成唯一身份識別二維碼，粘貼在相應的產品上，即可在生產中通過掃描二維碼獲取產品加工、基礎信息等。掃描二維碼，軟件顯示該二維碼標識的零部件信息，如圖7所示。

圖7 二維碼信息跟蹤

4.2 實時定位

定位仿真模塊通過UWB定位技術，實現對中間產品的實時定位。根據托盤上的UWB標簽身份信息，對托盤所關聯的零件信息進行索引，實現對中間產品的定位跟蹤，如圖8和圖9所示。定位數據可供物流配送、生產監控、管理調度等系統調用。

圖8 實時定位仿真

圖9 實時定位信息

5 結 語

采用二維碼標識中間產品，通過二維碼存儲中間產品的身份信息、船體位置信息、二維幾何信息、輔助影像數據索引；采用UWB技術進行跟蹤，通過UWB標簽對中間產品位置進行定位，結合關聯的零件、部件等中間產品信息，實現中間產品的位置跟蹤。標識信息可提供備料套料信息；實時定位信息可上傳至船舶車間的生產管控系統、物流跟蹤系統、計劃排產系統等。船舶中間產品標識定位系統為船廠進行備料套料、實時跟蹤產品物流運輸、監控中間產品切割加工和冷彎加工提供有力的數據支撐。