CN104085638B - 钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，属于工业物联网应用领域。由于钢铁生产环境影响，射频识别定位会出现一定的非故障偏差，库区垛位的物理位置也可能发生偏移，影响作业垛位关联效率，进而造成末端物流动态跟踪过程中信息流与物质流的不同步。本发明给出了一种基于运行数据的射频识别定位位置拟合方法，可以对垛位关联及垛位物理位置偏移进行拟合与校正。该方法基于系统历史作业数据进行分析，能够在不增加硬件设备的情况下，有效提高射频识别定位系统的准确性和自动化程度，使得钢铁生产末端物流跟踪系统可靠性更高，适应性更强。

Description

钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法

技术领域

本发明涉及一种钢铁生产末端物流射频识别定位技术，特别是射频识别定位中基于数据的位置拟合方法，属于工业物联网应用领域。

背景技术

在钢铁生产制造执行系统中，为实现末端成品物流库存的精细化管理，需要实时掌握物料在库区的动态变化过程，如物料入库、出库和倒垛等。由于钢铁生产物料具有高温、重量大和抗电磁等特点，目前还缺乏有效技术手段对其进行直接的跟踪识别。一种方法是对桥式起重机等物料贮运工具的运行位置进行定位，当操作人员驾驶起重机执行吊运作业时，将桥式起重机的吊钩位置与库区物料垛位关联起来，结合起重机的吊起或放下等吊运状态，实现库区物料作业跟踪，进而将物料的物理位置变化与库存系统中物料信息自动同步起来。

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，在桥式起重机的大车和小车移动轨道边铺设射频识别电子标签，在大车和小车上配置射频识别读写器，当大车或小车移动时，读写器识别电子标签，通过电子标签与轨道实际位置的映射关系，可以实现桥式起重机在大车和小车轨道方向上的位置检测。由于系统实施简单，环境适应性强，射频识别定位非常适宜于钢铁企业桥式起重机的定位。

在基于桥式起重机射频识别定位的末端物流跟踪系统中，一方面，需要及时维护库区垛位的物理位置，另一方面，当桥式起重机执行作业时，所检测的位置需要有一定的可信度，并与库区物料垛位位置进行有效的关联。

然而，由于制造工艺或生产设备老化，桥式起重机的轨道一般不严格平整，会出现轨道变形等问题，导致桥式起重机在行驶过程中出现振动或滑动。振动带来的位移改变了射频识别读写器和电子标签的电磁耦合环境，给电子标签信号读取带来干扰，比如，造成读写器漏读或重读等。实际应用中，尤其关心桥式起重机执行吊运作业时的吊钩位置，如果在某一段时间到执行吊运作业时漏读电子标签，则会导致无法准确确定吊运作业时吊钩位置，影响物料垛位识别和匹配的效率。

对于射频识别定位可靠性问题，一种方法是在应用底流水线层对获取的电子标签数据进行处理。比如在基于可扩展的原始电子标签数据流清洗方法中，根据数据时空关联特性，对获取的电子标签数据流进行处理。在基于概率统计的电子标签数据自适应平滑方法中，基于统计采样理论对原始的标签数据采用自适应统计平滑方法进行处理。在通过底层的数据处理解决标签不可靠问题基础上，可以从应用层以较小的代价来进一步纠正与补偿不可靠的数据，比如伴随约束方法基于应用业务逻辑，建立应用层完整性约束规则和条件，如对象运动路径、对象之间的相互关系等，以此检测、校正和补偿底层的不可靠数据。采用射频识别的桥式起重机定位属于一种离散式绝对位置检测，根据识别的标签可以将起重机定位于一个可信的位置区域内，当出现瞬时非故障性检测偏差时，需要新的有效机制将起重机位置与库区物料垛位的物理位置关联起来。

库区中物料垛位用于堆放生产物料，垛位支架底部一般为石砾铺成的路碴，为垛位提供弹性。由于物料的挤压，起重机吊运物料时的撞击等因素，容易造成垛位支架横向或纵向滑动，使垛位支架偏离初始位置，物理位置发生改变。若不及时更新垛位物理坐标，则物料在库区中的堆放物理位置产生误差，此时即使起重机位置可信，如果仍按照原物理位置进行关联，则有可能会造成垛位匹配错误。由于库区中垛位数量比较多，且垛位支架偏移具有不确定性，如果人工实时检测并维护，则工作量会很大，因此，在人工盘库之间，需要一种自动维护和修正方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其可以提高末端物流跟踪的准确性，保证物质流与信息流的同步。

为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

A.当检测到桥式起重机吊钩执行吊起或放下作业动作时，射频识别定位系统采集此时大车和小车射频识别读写器识别的电子标签值，如果采集到了电子标签值，则转到步骤C，如果大车和小车射频识别读写器没有返回电子标签值，则转到步骤B；

B.查找最后一次大车和小车射频识别读写器采集到的电子标签值，由桥式起重机运行速度及运行方向预估起重机当前位置，确定其作业垛位区域。根据垛位对应的滑动数据窗口，计算该垛位历史作业吊钩坐标的平均值，作为当前桥式起重机吊钩坐标(x',y')，转到步骤D；

C.根据采集的当前电子标签值得到大车和小车射频识别读写器在轨道上的位置，计算得到桥式起重机吊钩坐标(x',y')，根据吊钩坐标确定起重机当前作业垛位；

D.根据当前作业垛位对应的滑动数据窗口，计算垛位历史作业坐标检测值相对垛位坐标(x_i,y_j)的平均方差和

E.计算当前作业吊钩坐标x'和y'相对当前作业垛位坐标的实时方差σ′_x和σ′_y，σ′_x＝(x′-x_i)²，σ′_y＝(y′-y_j)²；

F.根据当前作业吊钩坐标x′和y'与作业垛位坐标x_i和y_j之间的偏差范围，确定历史作业垛位坐标检测值的平均方差和与当前作业实时方差σ′_x和σ′_y的加权系数α_x和α_y，得到方差估计值和

G.由当前作业吊钩坐标偏离垛位坐标的方向，得到垛位坐标估计值若吊钩坐标正向偏离垛位，则 若吊钩坐标反向偏离垛位，则

H.将当前作业吊钩坐标写入相应垛位的滑动数据窗口，将计算得到的垛位坐标估计值赋予垛位坐标(x,y)，用于下一次垛位坐标估计。

上述射频识别定位系统是在桥式起重机的大车和小车移动轨道边等间隔或不等间隔铺设射频识别电子标签，在大车和小车相应位置配置射频识别读写器及天线，并建立各电子标签与轨道坐标的一一映射关系表。射频识别读写器采用主动工作模式，即主动连续地识别电子标签，通过通信接口将电子标签发给定位系统计算机，电子标签值被定位系统计算机采集后即从读写器中清除。定位系统采集射频识别读写器识别的电子标签值，查找映射关系表得到大车和小车射频识别读写器相对轨道的坐标。

上述根据桥式起重机运行速度及运行方向估计桥式起重机当前位置的方法是，根据最后一次采集到大车和小车射频识别读写器电子标签的时间到当前时间的时间间隔，以及离线测量得到的桥式起重机平均运行速度，得到起重机位移估计值，如果起重机正方向运行，则位移估计值为正，如果反方向运行，则位移估计值为负。

上述坐标是位置检测点到大车轨道(记为x轴)和小车轨道(记为y轴)设定起点的距离。垛位坐标以垛位区域在x轴和y轴上的几何中心点的坐标来表示，即垛位D_ij(x_i,y_j)表示其几何中心点坐标为(x_i,y_j)。吊钩坐标指吊钩在x轴与y轴平面上投影点的坐标。计算方法为：吊钩的x轴坐标为大车读写器x轴坐标加上投影点在x轴上相对大车读写器的偏移，y轴坐标为小车读写器的y轴坐标加上投影点在y轴上相对小车读写器的偏移。如果投影点比读写器远离轨道设定起点，则偏移为正，反之为负。

上述根据吊钩坐标确定垛位坐标的方法是：记垛位D_ij(x_i,y_j)在x轴上与其相邻垛位的中心点间距为d_xi，在y轴上与其相邻垛位的中心点间距为d_yj，如果和则吊钩坐标处于垛位D_ij(x_i，y_j)。

上述垛位对应的滑动数据窗口用于记录该垛位历史作业时吊钩坐标值，由x轴坐标分量和y轴坐标分量组成，滑动数据窗口长度为M，垛位D_ij(x_i，y_j)第w次吊运作业时x轴坐标滑动数据窗口为y轴坐标滑动数据窗口为和分别为垛位第m次吊运作业时吊钩x轴和y轴坐标。

上述当前作业位置正向偏离垛位是指其x轴坐标或y轴坐标比垛位x轴坐标或y轴坐标大，反向偏离垛位是指其x轴坐标或y轴坐标比垛位x轴坐标或y轴坐标小。

上述当前作业吊钩坐标x′和y′与作业垛位坐标x_i和y_j之间的偏差是指|x′-x_i|和|y′-y_j|，所述加权系数0≤α_x≤1和0≤α_y≤1，如果表明偏离位置较小，则给予α_x较小的值，选择0.2≤α_x≤0.4，如果|x′-x_i|较大，说明最新吊运操作中吊钩坐标测量数据与垛位中心偏移比较大，则给予α_x较大的权重，选择0.6≤α_x≤0.8，以进行垛位修正，α_y根据同样规则得到。α_x和α_y具体参数根据实际系统选择。

上述将当前作业垛位吊钩坐标写入滑动数据窗口时，如果窗口未满，将数据窗口内数据顺序前移，并将当前作业垛位吊钩坐标写入数据窗口尾部，如果数据窗口已满，则首先舍去数据窗口内第一个数据，然后将数据窗口内数据顺序前移，并将当前作业垛位的吊钩坐标写入数据窗口尾部。

本发明未特别说明的技术均为现有技术。

本发明给出的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其有益效果是可以提高末端物流跟踪的准确性，保证物质流与信息流的同步。在基于桥式起重机定位的末端物流跟踪中，存在两方面的问题，一是由于射频识别定位属于离散式绝对位置检测，所检测的位置是与电子标签值相关的一个可信区域，在钢铁生产现场恶劣环境中，往往会出现短时的非故障性的检测偏差，比如，标签正好处于读写器盲区，或者由于钢铁环境或电磁干扰影响读写成功率。从而在吊运作业时无法获得位置信息，造成作业位置与垛位信息无法关联。本发明基于历史作业数据，当出现检测丢失时，首先根据运行情况将位置限定在一个预估范围内，并以垛位历史作业位置的平均值作为当前位置。这种位置近似可以提高数据可信度。本发明解决的另一个问题是垛位物理位置偏移问题，实际分析表明，操作人员在吊运物料时，起重机吊钩位置检测值在垛位区域内符合一定的概率分布，如果检测值与垛位中心偏移较大，则垛位物理位置发生偏离的概率比较大，本发明基于历史作业滑动数据窗口，计算偏移的方差，并对历史方差与实时方差进行加权计算，对垛位物理位置进行修正，该方法可以在库区人工维护期间，一定程度的提高垛位物理位置的可信度。

附图说明

图1是本发明涉及的钢铁生产末端物流射频识别定位系统平面示意图；

图2是本发明所公开的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例：

如图1所示的是钢铁生产末端物流射频识别定位库区平面示意图。桥式起重机沿着大车轨道(x轴)和小车轨道(y轴)移动，采用射频识别技术对桥式起重机定位，在大车和小车轨道边需要位置检测的区域等间隔或不等间隔铺设射频识别电子标签，在大车和小车相应位置配置射频识别读写器及天线，建立各电子标签与轨道位置的一一映射关系表。射频识别读写器采用主动工作模式，即主动连续地检测识别区域中的电子标签，通过通信接口将检测的电子标签值发给定位系统，电子标签值被定位系统采集后即从读写器中清除。当大车或小车移动时，如果读写器识别到电子标签，表明读写器与电子标签的位置处于可识别区域内，将电子标签对应位置近似为读写器位置。

比如，在大车和小车轨道上等间隔为r＝25cm铺设电子标签，设定大车和小车轨道位置起点，各电子标签值和实际轨道位置的映射关系表如下表所示，由序号、电子标签序列号和轨道位置组成，一一对应。当定位系统采集到电子标签内唯一的序列号时，即可查询映射表确定读写器所处位置，或者相反，当计算得到坐标位置时，通过查询映射表可以得到对应的电子标签序列号或序号。由于定位属于离散式绝对位置检测，而通过计算得到的位置可能位于两个电子标签之间。如果得到的位置在(n-1/2)r到(n+1/2)r之内，则可认为位置对应于第n个电子标签。

在库区中分布若干垛位，用于堆放钢铁物料。垛位之间相隔一定的距离，记垛位为D_ij(x_i,y_j)，垛位的坐标以垛位区域在x轴和y轴上的几何中心点的坐标来表示，如垛位D₀₀(x₀,y₀)表示库区内第一个垛位的几何中心点坐标为(x₀,y₀)。当桥式起重机执行吊运作业时，起重机位于垛位上方，其吊钩一般在垛位几何中心附近，吊钩坐标为吊钩在x轴与y轴平面上投影点的坐标，等于读写器坐标加上投影点到读写器的偏移。当读写器位置固定后，吊钩到读写器的偏移是确定的。如图1所示，如果在x轴(y轴)上读写器位于吊钩投影点右方(上方)，则偏移为负，反之为正。

采用桥式起重机定位实现末端物流跟踪的方法是，当操作人员驾驶起重机执行吊运作业时，将检测得到的桥式起重机吊钩坐标与库区垛位关联起来，结合起重机的吊起或放下等吊运状态，及可实现物料作业的动态跟踪，进而将垛位位置变化与库存管理系统中的物料信息关联起来，则可实现物质流与信息流的同步。

为了提高系统可靠性及吊钩坐标与库区垛位关联的有效性，采用的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法流程如图2所示：

首先确定桥式起重机当前位置，将其与物料垛位进行关联。当检测到桥式起重机吊钩执行吊起或放下作业动作时，射频识别定位系统采集此时大车和小车射频识别读写器识别的电子标签。如果采集到了电子标签值，查询位置映射表得到大车和小车射频识别读写器坐标，由射频识别读写器与吊钩之间的偏移计算得到桥式起重机吊钩坐标(x′，y′)。根据 $x_i-\frac{d_{xi}}{2}\≤x^{\′}\≤x_i+\frac{d_{xi}}{2},$ 和 $y_j-\frac{d_{yj}}{2}\≤y^{\′}\≤y_j+\frac{d_{yj}}{2},$ 计算满足约束的垛位坐标x_i和y_i，则吊钩位于垛位D_ij(x_i，y_j)区域内。其中d_xi为x轴上相邻垛位的中心点间距，d_yj为y轴上相邻垛位的中心点间距，一般库区中垛位在x轴和y轴上的间距是相等的，即d_xi和d_yj为常数，在本实例中，桥式起重机吊运时，检测到的大车和小车读写器标签，计算得到吊钩坐标为(80.5，11.25)，d_xi＝4m，d_yj＝2.2m，根据约束关系x_i-2≤x′≤x_i+2，y_j-1.1≤y′≤y_j+1.1，可得到桥式起当前垛位坐标为(80，11)，在垛位D_20.5进行吊运。

取出当前作业垛位对应的滑动数据窗口，取滑动数据窗的长度为M＝6，过去6次吊运作业中x轴吊钩坐标为X_w＝[79.25，79.75，80.5，80.75，78.75，81.25]，y轴吊钩坐标为Y_w＝[10.25，10.75，11，11.5，11.25，12]。计算垛位历史作业吊钩坐标相对垛位坐标(80,11)的均方差和 同时计算当前作业吊钩坐标(x'，y')相对垛位坐标(x_i,y_j)的实时方差σ′_x和σ′_y，σ′_x＝(x′-x_i)²＝0.25，σ′_y＝(y′-y_j)²＝0.0625。

根据当前作业吊钩坐标(x'，y')与垛位坐标(x_i,y_j)的偏差|x′-x_i|和|y′-y_j|，确定加权系数α_x和α_y。由于|x′-x_i|＝0.5，|y′-y_j|＝0.25表明偏离位置较小，选择α_x＝0.3，α_y＝0.3。计算方差估计值和由此得到垛位坐标估计值将当前吊钩坐标写入垛位的滑动数据窗口，X_w＝[79.75,80.5,80.75,78.75,81.25,80.5]，Y_w＝[10.75,11,11.5,11.25,12,11.25]。新的垛位坐标估计值为(79.39,10.75)。

上述流程是在吊运作业时正常检测到电子标签值的情况，如果由于干扰等因素出现短时的非故障检测偏差时，则首先需对位置检测值进行近似拟合。查找最后一次大车和小车射频识别读写器采集到的电子标签序列号，由桥式起重机运行速度和运行方向，以及上次采集时刻到当前的时间间隔，预估起重机当前位置，根据估计值确定其作业垛位区域，由垛位对应的滑动数据窗口，计算该垛位历史作业吊钩测量值的平均值，将其作为当前吊钩坐标检测值。然后和正常检测时流程相同，进行垛位关联及垛位偏移校正。

需要说明的是，以上所述者仅为用以解释本发明之较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上之限制，是以，凡有在相同之发明精神下所作有关本发明之任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护之范畴。

Claims (9)

1.一种钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于包括如下步骤：

A.当检测到桥式起重机吊钩执行吊起或放下作业动作时，射频识别定位系统采集此时大车和小车射频识别读写器识别的当前电子标签值，如果采集到了电子标签值，则转到步骤C，如果大车和小车射频识别读写器没有返回电子标签值，则转到步骤B；

B.查找最后一次大车或小车射频识别读写器采集到的电子标签值，由桥式起重机运行速度和运行方向预估起重机当前位置，并初步确定其垛位区域，根据垛位对应的滑动数据窗口，计算该垛位历史作业吊钩坐标的平均值，作为当前桥式起重机吊钩坐标(x'，y')，转到步骤D；

C.根据当前电子标签值得到大车和小车射频识别读写器在轨道上的位置，计算得到桥式起重机吊钩坐标(x',y')，根据吊钩坐标确定起重机当前作业垛位；

D.根据当前作业垛位对应的滑动数据窗口，计算垛位历史作业吊钩坐标相对垛位坐标(x_i,y_j)的平均方差和

E.计算当前作业吊钩坐标x'和y'相对当前作业垛位坐标的实时方差σ′_x和σ′_y，σ′_x＝(x′-x_i)²，σ′_y＝(y′-y_j)²；

F.根据当前作业吊钩坐标x′和y'与作业垛位坐标x_i和y_j之间的偏差范围，确定历史作业垛位坐标检测值的平均方差和与当前作业实时方差σ′_x和σ′_y的加权系数α_x和α_y，得到方差估计值和

G.由当前作业吊钩坐标偏离垛位坐标的方向，得到垛位坐标估计值若吊钩坐标正向偏离垛位，则 若吊钩坐标反向偏离垛位，则

H.将当前作业吊钩坐标写入相应垛位的滑动数据窗口，将计算得到的垛位坐标估计值赋予垛位坐标(x,y)，用于下一次垛位坐标估计。

2.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：所述的射频识别定位系统是在桥式起重机的大车和小车移动轨道边间隔铺设射频识别电子标签，在大车和小车相应位置配置射频识别读写器及天线，并建立各电子标签与轨道坐标的一一映射关系表，射频识别读写器采用主动工作模式，主动连续地识别电子标签，并通过通信接口将电子标签发给定位系统，电子标签被定位系统采集后即从读写器中清除，定位系统采集到电子标签值后，查找映射关系表得到大车和小车射频识别读写器的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：桥式起重机当前位置估计方法是，根据最后一次采集时刻到当前时刻的时间间隔，以及离线测量得到的桥式起重机平均运行速度，得到起重机位移估计值，如果起重机正方向运行，则位移估计值为正，如果反方向运行，则位移估计值为负。

4.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：位置坐标指位置检测点到大车轨道x轴和小车轨道y轴设定起点的距离，垛位坐标为垛位区域在x轴和y轴上的几何中心点的坐标，吊钩坐标是吊钩在x轴与y轴平面上投影点的坐标，吊钩的x轴坐标为大车读写器x轴坐标加上投影点在x轴上相对大车读写器的偏移，y轴坐标为小车读写器的y轴坐标加上投影点在y轴上相对小车读写器的偏移，如果投影点比读写器远离轨道设定起点，则偏移为正，反之为负。

5.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：以吊钩坐标(x′，y′)确定垛位坐标的方法是：如果 $x_i-\frac{d_{xi}}{2}\≤x^{\′}\≤x_i+\frac{d_{xi}}{2},$ 和 $y_j-\frac{d_{yj}}{2}\≤y^{\′}\≤y_j+\frac{d_{yj}}{2},$ 则吊钩坐标处于垛位D_ij(x_i，y_j)，其中d_xi为垛位D_ij(x_i，y_j)在x轴上与其相邻垛位的中心点间距，d_yj为垛位在y轴上与其相邻垛位的中心点间距。

6.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：垛位的滑动数据窗口用于记录该垛位历史作业的吊钩坐标值，由x轴坐标分量和y轴坐标分量组成，滑动数据窗口长度为M，垛位D_ij(x_i，y_j)第w次吊运作业时x轴坐标滑动数据窗口为y轴坐标滑动数据窗口为 和分别为垛位第m次吊运作业时吊钩x轴和y轴坐标。

7.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：当前作业吊钩位置正向偏离垛位是指其x轴坐标或y轴坐标比垛位x轴坐标或y轴坐标大，反向偏离垛位是指其x轴坐标或y轴坐标比垛位x轴坐标或y轴坐标小。

8.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：当前作业吊钩坐标x′和y'与垛位坐标x_i和y_j之间的偏差为|x′-x_i|和|y′-y_j|，加权系数0≤α_x≤1和0≤α_y≤1，如果则选择0.2≤α_x≤0.4，如果则选择0.6≤α_x≤0.8，α_y根据同样规则得到，α_x和α_y具体参数根据实际系统选择。

9.根据权利要求1所述的钢铁生产末端物流射频识别定位位置拟合方法，其特征在于：将当前作业垛位吊钩坐标写入滑动数据窗口时，如果数据窗口未满，将数据窗口内数据顺序左移，并将当前作业垛位吊钩坐标写入数据窗口尾部，如果数据窗口已满，则首先舍去窗口内第一个数据，然后将窗口内数据顺序左移，并将当前作业垛位的吊钩坐标写入窗口尾部。