智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)方案

TOC\o"1-5"\h\z項目概述3背景3目標與意義3設(shè)計依據(jù)4工作原理4系統(tǒng)優(yōu)勢5智能調(diào)度系統(tǒng)6系統(tǒng)框架6系統(tǒng)功能7全局化定位監(jiān)控7人員、物資與運輸工具信息管理8運輸工具導航9重點區(qū)域與危險區(qū)域管理10無線傳輸系統(tǒng)10實時搜索11視頻聯(lián)動12報表統(tǒng)計分析12解決方案13識別系統(tǒng)13裝配工具自動化控制13質(zhì)量檢測流程的優(yōu)化13設(shè)備實時定位14防撞系統(tǒng)141項目概述背景中國正在成為世界汽車制造工業(yè)的集聚中心，新世紀以來，我國汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，成績舉世矚目。從產(chǎn)量來看，從2000年207萬輛，大幅增至2015年2450萬輛，增長將近12倍，并從2009年開始位居世界第一位，2015年更是創(chuàng)下全球歷史新高；從產(chǎn)值來看，2015年我國汽車產(chǎn)業(yè)工業(yè)銷售產(chǎn)值達6.63萬億元，相比2000年增長超過10倍，占GDP的比重超過10%。單從規(guī)模上講，我國已經(jīng)成為汽車制造大國毋庸置疑。然而經(jīng)過十多年的高速發(fā)展，中國汽車產(chǎn)業(yè)在2015年出現(xiàn)了拐點，中國汽車協(xié)會數(shù)據(jù)表明，2015年汽車行業(yè)總營業(yè)收入盡管仍然保持著3%以上的增長，但是增長速度迅速下降了超10%，而利潤總額近十年來首次出現(xiàn)了下滑的情況。在營業(yè)收入和銷量上漲的情況下，整體利潤的下滑無疑是一個異常的信號。目標與意義汽車模型的需求數(shù)量是年年飆升，從2012年到2019年，可用汽車模型的數(shù)量預計增長幅度超過20%。我國大約提供300左右的不同種類的車型，而且每種車型都有多個定制選項，相當于幾百萬億的變化可能。在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同的汽車模型，而管理這種產(chǎn)品復雜變化將有大量的挑戰(zhàn)。如何防止工人在每輛車有不同組合的情況下出現(xiàn)錯誤？如何保證運輸?shù)奈镔Y是組裝所需要的物資？如何確保資產(chǎn)工具正確的時間在正確的位置，誤差為零？等等問題不勝枚舉。一家汽車制造廠的汽車裝配線上，每輛汽車需要在流水線上移動到達不同的裝配點，傳統(tǒng)管理辦法是工人輸入數(shù)據(jù)終端或者用條形碼掃描分配到裝載點，如果在生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)錯誤，在最后質(zhì)量檢測階段又需要大量人力與物力來糾正。利用定位標簽固定在車輛、工人的操作工具和所需要的物資上，就可以實時感知工人的裝配是否正確，并監(jiān)控整個操作過程，大大減少了人為操作失誤帶來的損失。智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)能夠在傳統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境中達到15cm的定位精度，并具有很好的穩(wěn)定性；借助該系統(tǒng)，汽車制造廠能夠?qū)崿F(xiàn)人員、物資與車輛的實時定位，避免等待浪費，優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍時間；有利于降低生產(chǎn)制造過程的人為失誤，并提升工廠生產(chǎn)線管控能力可以根據(jù)監(jiān)控狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析出潛在的低效率環(huán)節(jié)，并加以改進；提供自適應(yīng)和自動化應(yīng)對多種變化的生產(chǎn)線；還可以與工廠現(xiàn)有的系統(tǒng)集成；輔助工廠的5s管理，提高效率、質(zhì)量和降低生產(chǎn)單位成本。圖1-1工廠生產(chǎn)線2設(shè)計依據(jù)2工作原理智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)主要是采用超寬帶定位技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備的精準定位，超寬帶技術(shù)是近年來新興一項全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1~7.0GHz量級的帶寬。目前，包括美國、日本、加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。超寬帶技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達1000Mbps以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標簽和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標簽發(fā)射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。2.2系統(tǒng)優(yōu)勢和傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)相比，U-Loc室內(nèi)厘米級實時定位系統(tǒng)主要有以下幾個優(yōu)勢：高實時性基于IR-UWB技術(shù)的無線實時高精度定位平臺，依靠由多個強大的數(shù)據(jù)采集傳感器組成的集成網(wǎng)絡(luò)來即時發(fā)送信號，相當于室內(nèi)的GPS，更精準，動態(tài)地告訴你“現(xiàn)在正在發(fā)生什么”。厘米級定位精度優(yōu)化的定位算法，保證在室內(nèi)等多徑效應(yīng)顯著的應(yīng)用場合的高精度定位，能夠同步、精準、實時地提供給定區(qū)域內(nèi)的人員和設(shè)備的瞬間位置和運動信息，便于管理者直觀、全局化地把握現(xiàn)場情況，從而做出決策。強抗多徑干擾能力U-Loc系統(tǒng)采用超寬帶(UWB)技術(shù)，利用無載波的超短脈沖進行通信，納秒級的極窄脈沖具有較高的時間分辨率，能將直達信號和多徑信號分離，具有較強的抗多徑干擾能力。高穩(wěn)定性極窄脈沖間的時隙容易識別，結(jié)合到達時間差定位法(TDOA)定位目標，與基于接收信號強度的傳統(tǒng)定位技術(shù)相比，對應(yīng)用環(huán)境的電磁、物理干擾不敏感，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度。布設(shè)簡便自組網(wǎng)的無線連接架構(gòu)，使系統(tǒng)部署更簡單、穩(wěn)定可靠。高安全性輻射極小，不到手機輻射的1%。3智能調(diào)度系統(tǒng)3系統(tǒng)框架圖3-1系統(tǒng)框架智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)主要分為：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層三部分構(gòu)成，形成一套完整的管理系統(tǒng)平臺。＞數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)采集層是人員定位的基礎(chǔ)硬件層，具有獲取人員定位信息的作用。主要包括定位標簽和定位基站。定位標簽發(fā)送UWB脈沖信號（包括用于標簽定位的信息和屬性信息），基站接收到標簽發(fā)送的定位信號后，經(jīng)過簡單處理以后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層將信號傳輸至定位引擎進行位置解算。＞網(wǎng)絡(luò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)傳輸層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，將標簽發(fā)送的定位信息發(fā)送到定位引擎，起到連接數(shù)據(jù)采集層和應(yīng)用層的作用。U-Loc包括無線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问?，考慮到現(xiàn)場機械和鋼架等比較多，現(xiàn)場環(huán)境復雜，為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和定位效果，采用超五類網(wǎng)線進行數(shù)據(jù)的傳輸，這種傳輸方式可以同時解決定位基站供電的問題。＞應(yīng)用層應(yīng)用層可以說是整個調(diào)度系統(tǒng)的核心層，包括定位引擎和定位平臺。定位引擎用于解算目標的位置，根據(jù)數(shù)據(jù)采集層傳回的定位信息，定位引擎根據(jù)事先寫入的定位算法解算目標的位置，并進行后續(xù)的處理，得到最優(yōu)的位置信息；然后將位置數(shù)據(jù)在定位平臺上展示出來與用戶的業(yè)務(wù)進行交互形成一套定位管理系統(tǒng)。32系統(tǒng)功能系統(tǒng)根據(jù)標簽回傳的定位信息，實時解算出來目標的位置信息，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)人員、物資與運輸工具的定位和管控。系統(tǒng)充分考慮到現(xiàn)場的特殊性以及實際的需求，實現(xiàn)的功能有：全局化定位監(jiān)控；人員、物資與運輸工具信息管理；運輸工具導航；重點區(qū)域與危險區(qū)域管理；無線傳輸系統(tǒng)；實時搜索；視頻聯(lián)動;報表統(tǒng)計分析。智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)圖3-2系統(tǒng)功能全局化定位監(jiān)控在定位系統(tǒng)二維地圖中，可以精準顯示出人員、物料、工具、運輸車的位置信息，實時顯示運動軌跡，做到全局化地圖顯示；可以通過定位和運動軌跡查看各個人員是否在各自的區(qū)域作業(yè)；查看運輸?shù)奈锪鲜欠竦竭_正確裝配區(qū)域。裝配工作中，常常需要了解特種作業(yè)人員與裝配工具在某一段時間內(nèi)去過哪些地方，或者在某一段時間內(nèi)某一區(qū)域有哪些人員與工具在作業(yè)，這就需要進行軌跡回放，第一種稱為單目標回放，第二種稱為多目標回放（區(qū)域回放）。目標在實時定位時，定位結(jié)果除了在顯示平臺上顯示外，還會以日志的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，當系統(tǒng)收到回放請求時，平臺會向數(shù)據(jù)庫中請求歷史定位數(shù)據(jù)，同時結(jié)合報表統(tǒng)計來呈現(xiàn)回放結(jié)果。這種回放形式相比于攝像頭來講，具有多維度整體性，攝像頭的回放形式智能從單一維度，一個視角對事件進行還原，無法確定人員與工具在整個區(qū)域的相對位置，利用軌跡回放的形式可以從多個維度來整體上顯示人員與工具在整個區(qū)域的位置，結(jié)合報表統(tǒng)計功能，能夠直觀地顯示歷史信圖3-3定位信息處理平臺定位標簽位置的軌跡顯示人員、物資與運輸工具信息管理用戶管理：管理員可以對系統(tǒng)設(shè)置多個用戶名，不同用戶名設(shè)置不同的管理權(quán)限，做到信息權(quán)限統(tǒng)一管理。物資管理：管理員可以對物資信息進行實時修改、查詢，確保物資在正確的時間出現(xiàn)在正確的位置，減少了人為錯誤和昂貴的重復勞動。運輸工具管理：可以查詢某個區(qū)域內(nèi)叉車、平板車、無人搬運車等的數(shù)量、工作情況、電量及可以到達的哪些裝配點等信息，實時調(diào)度運輸，減少等待浪費。標簽管理：每個標簽對應(yīng)一個唯一ID，將定位標簽與對應(yīng)的人員、物資等信息進行綁定一同錄入數(shù)據(jù)庫中，在標簽管理界面上可以對標簽進行增加、修改、刪改、查詢等操作；這樣在管理系統(tǒng)中就可以實時查看人員、物資與運輸工具的屬性信息及定位數(shù)據(jù)。圖3-4標簽信息綁定示意圖運輸工具導航與工廠現(xiàn)有的導引系統(tǒng)進行集成，可動態(tài)規(guī)劃路線以達到最小等待、最少空駛、最優(yōu)路徑的目的；計算“實時交通狀況”與運輸時間以確保物料能與汽車同時到達裝配區(qū)域，減少生產(chǎn)線停工的情況；計算各運輸工具的工作量，分析其潛在的低效率環(huán)節(jié)，為生產(chǎn)線的整體智能化管理提供有力的數(shù)據(jù)保障；計算行駛路徑上與人員、物體的距離，當?shù)竭_一定距離（可通過后臺設(shè)定）時將自動停止并發(fā)出報警信息。導航特點如下：（1）自動化程度高；當應(yīng)用平臺接收到生產(chǎn)計劃后，將動態(tài)計算運輸工具位置、運輸時間、運輸距離等信息，實時調(diào)配運輸工具，確保物料能與車輛同時到達裝配區(qū)域。（2）充電自動化；當運輸工具的電量即將耗盡時，它會向系統(tǒng)發(fā)出請求指令，請求充電，在系統(tǒng)允許后自動到充電的地方“排隊”充電。（3）美觀，提高觀賞度，從而提高企業(yè)的形象。（4）生產(chǎn)車間的運輸工具可以在被定位系統(tǒng)覆蓋的各個車間穿梭往復。重點區(qū)域與危險區(qū)域管理工廠作業(yè)時存在很多重點區(qū)域與危險區(qū)域，只有授權(quán)操作人員才允許進入作業(yè)，因此需要嚴格限制非授權(quán)人員的進入，加大對重點區(qū)域與危險區(qū)域的管控力度。利用智慧工廠調(diào)度系統(tǒng)可以隨時在后臺圈定電子圍欄標為重點區(qū)域與危險區(qū)域，當非相關(guān)人員靠近或者進入這些區(qū)域的時候，后臺會接收到標簽的存在信號和標簽屬性信息，當發(fā)現(xiàn)被定位人員并未得到授權(quán)，調(diào)度系統(tǒng)會回發(fā)報警信息至標簽，進而觸發(fā)標簽上的蜂鳴器來提醒相關(guān)人員或者區(qū)域負責人，整個過程歷時不足一秒。同時，針對某些臨時的危險作業(yè)區(qū)域，管理人員可以臨時圈定電子圍欄，當作業(yè)完成后又可以解除危險區(qū)域，將危險區(qū)域變成普通級別的作業(yè)區(qū)域。圖3-3電子圍欄功能示意圖無線傳輸系統(tǒng)基于超寬帶的高效定位傳感網(wǎng)絡(luò)，該傳感網(wǎng)具有定位精度高（優(yōu)于10cm）、抗干擾性強、傳輸速度快、發(fā)送功率小和安全保密性強的特點，利用它可同時傳送高精度實時定位、現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并實時歸納這些數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，形成一個基于精準位置的高效物聯(lián)網(wǎng)承載平臺。該傳感網(wǎng)絡(luò)上下行鏈路可以高效復用，生產(chǎn)區(qū)內(nèi)不但可以實現(xiàn)厘米級高精度位置服務(wù)，還能實現(xiàn)高效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)運輸工具自主導航和路徑規(guī)劃，實時上傳各個工具位置和數(shù)據(jù)等功能。應(yīng)用平臺圖3-6無線傳輸系統(tǒng)示意圖實時搜索當不清楚某一個設(shè)備是否在使用還是在倉庫里，如果正在使用也無法確認在那一條生產(chǎn)線或者當某人員不在工作區(qū)域內(nèi)時，通過調(diào)度系統(tǒng)查詢各自的ID號或名字等信息，可實時確定各自的歷史運動軌跡、當前位置及工作狀態(tài)。強大的實時搜索功能減少了搜索人員和設(shè)備的時間，從而提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工與設(shè)備的干預視頻聯(lián)動視頻聯(lián)動是通過在定位區(qū)域內(nèi)安裝相應(yīng)的攝像頭，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入到定位綜合管理平臺中，可以實現(xiàn)重點區(qū)域聯(lián)動、視頻跟隨、報警聯(lián)動等。重點區(qū)域聯(lián)動：佩戴定位標簽的人員進入重點區(qū)域以后，實現(xiàn)攝像頭的自動調(diào)取，可以做到人員運動軌跡監(jiān)控及視頻畫面監(jiān)控。視頻跟隨：對于像球型帶有自旋轉(zhuǎn)的攝像頭，可實現(xiàn)特定人員進入視頻監(jiān)控區(qū)域后，系統(tǒng)平臺自動旋轉(zhuǎn)攝像頭跟隨特定人員的運動情況，直至人員離開攝像頭監(jiān)控區(qū)域。報警聯(lián)動：通過火災(zāi)報警傳感器、手動緊急報警按鈕的ID和位置信息進行一一映射關(guān)聯(lián)，同時利用安裝的視頻聯(lián)動高清攝像頭，可以實現(xiàn)報警位置區(qū)域的精確監(jiān)控，實現(xiàn)出現(xiàn)報警信息時管理平臺自動調(diào)取報警該區(qū)域的視頻畫面，以便監(jiān)控人員第一時間察看和了解報警區(qū)域的真實情況。圖3-7視頻聯(lián)動示意圖報表統(tǒng)計分析現(xiàn)場人員眾多，僅僅依靠定位系統(tǒng)來顯示人員的位置信息和時間對象，會使結(jié)果不夠清晰直觀。利用報表統(tǒng)計功能可以彌補這一缺陷，比如人員的出勤統(tǒng)計、危險區(qū)域的人員誤闖統(tǒng)計、區(qū)域工作人員統(tǒng)計等。利用報表統(tǒng)計功能結(jié)合圖形化界面呈現(xiàn)最終的結(jié)果，這種圖文并茂的展現(xiàn)可以更加直觀的呈現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)果。3.3解決方案識別系統(tǒng)工廠現(xiàn)有識別系統(tǒng)需要手動使用掃描儀掃二維碼，每天會有數(shù)百乃至數(shù)千次重復工作。解決方案：生產(chǎn)線上與倉庫的每臺機器都放上標簽，并且它們的數(shù)據(jù)信息會被實時報告。調(diào)度系統(tǒng)自動辨別設(shè)備。結(jié)論：替代傳統(tǒng)的手工識別任務(wù)，節(jié)約成本和生產(chǎn)時間，而且大幅減少錯誤和重復勞動。裝配工具自動化控制生產(chǎn)線上的車輛需要人工用掃碼等方式確認車輛編號，然后由操作員在管理系統(tǒng)中操作工具控制系統(tǒng)。解決方案：UWB實時定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會同時跟