CN106940713A - 基于rfid和uwb的大型离散制造车间全息地图及实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，包括车间数据采集模块（1）、实时定位模块（2）、车间可视化模块（3）、全息地图模块（4）。所述的车间数据采集模块（1）用于实时采集生产要素属性数据、生产状态数据、制造过程数据和车间环境数据；所述的实时定位模块（2）提供各类要素的实时位置坐标；所述的车间可视化模块（3）用于构建车间的三维可视化模型和制造过程的仿真模型。本发明可以有效提升有效提高大型离散制造车间的智能化管控水平，为车间生产人员和管理人员提供模型化、可视化的制造现场地图，对于大型离散制造车间智能化建设具有很高的应用推广价值。

Description

基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图及实现方法

技术领域

本发明涉及一种电子地图，尤其是一种基于室内实时定位技术的车间可视化系统，具体地说是一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间位置服务系统及全息环境地图及实现方法。

背景技术

目前，新一代信息通信技术的快速发展，正引发全球制造业发展理念、制造模式和技术体系的重大变革，传统的制造模式已经很难满足制造产品的复杂性和用户需求的多样性对研制周期提出的高效性需求，智能制造日益成为未来制造业发展的重要趋势和核心内容，作为智能车间的关键组成部分，建立智能化、透明化、可视化的新型车间地图意义重大。

对于大型离散制造车间而言，其多从事混流生产，具有产品结构复杂、零部件众多、生产环节长、车间面积大等特点，当前的大型离散制造车间一般可视化水平较低，管理存在较大问题，原因多归结于车间数据采集困难、生产现场信息不透明、缺乏实时控制能力、车间可视化程度低等方面，该类问题已成为影响众多复杂产品延迟交付的关键问题之一。为此将室内实时定位技术引入到大型离散制造车间中，建立车间全息地图，以位置信息为核心为车间生产和管理人员提供各类基于定位的服务，全面提升大型离散制造车间的可视化和信息化管理水平。

RFID和UWB技术的应用，为大型离散制造车间生产要素的实时定位和数据采集提供了有效的技术支持，使大型离散制造车间的实时管控成为可能。RFID和UWB技术能够有效地获取大型离散车间位置节点生产装配、物料配送等各类制造活动相关要素的实时位置、活动时间、运动轨迹和工作状态等信息，为制造系统提供实时、精确的现场数据，将这些数据在可视化界面中进行实时显示，便构成了大型离散制造车间全息地图。

基于RFID和UWB的大型离散车间全息环境地图具有较大的应用价值：一是提供车间实时定位、查找追踪、轨迹追溯、定点导航等基本位置服务功能；二是基于RFID和UWB的复合定位方法，可实时获取车间中物料、人员、工具、在制品等各类制造要素的位置信息，全面提高车间的精细化管理水平；三是基于车间各类物料和配套零部件的实时位置、状态、运输/生产时间、行走路线等数据，可实现车间生产和物流活动的实时监控与动态调整，全面提升车间制造现场的可视化和可控性水平。

鉴于此，设计实现一种可供车间生产和管理人员使用的大型离散制造车间全息地图，对全面提升车间管控能力、构建智能车间具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对目前大型离散制造车间存在的位置与生产数据获取困难、生产要素管理混乱、车间定位服务能力弱、制造现场可视化水平低等问题，提供一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，同时提供一种其实现方法，以位置信息为核心为车间生产和管理人员提供各类基于定位的服务，全面提升大型离散制造车间的可视化和信息化管理水平。

本发明的技术方案之一是：

一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是它包括：

一车间数据采集模块1，该数据采集模块1用于完成大型离散制造车间中生产要素属性数据、生产状态数据、制造过程数据、车间物流数据、车间环境数据等的实时采集，为车间全息地图的功能实现提供基础数据；

一实时定位模块2，该实时定位模块2用于实时获取大型制造车间内物料、人员、工装、在制品、配送车辆等各类生产要素的实时位置信息，为定位追踪各类生产要素提供实时位置坐标数据；

一车间可视化模块3，该车间可视化模块3用于完成大型离散制造车间布局、实体模型及生产过程在可视化界面中的映射，构建车间的三维可视化模型和制造过程的仿真模型，并通过与车间数据采集模块1和实时定位模块2的集成，实现车间生产数据、位置数据的实时可视化显示；

一全息地图服务模块4，该全息地图模块4依托车间可视化模块3提供车间基础位置服务，在上位机端提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送、导航追溯等各类功能。

所述的车间数据采集模块1包括RFID数据采集模块、传感器数据采集模块和ZigBee无线通信模块，RFID数据采集模块由部署在车间工位区域的读写器、天线和附着在物料、人员、在制品等生产要素上的标签组成，读写器可实时读取其感知范围内的标签信息，采集生产要素属性数据和生产状态数据；传感器数据采集模块由部署在设备或车间的各类型传感器实时感知设备运行数据、检测数据及环境数据，并由ZigBee无线通信模块传输至上位机。

所述的实时定位模块2包括基于RFID的区域定位模块和基于UWB的精确定位模块，RFID区域定位以有规律地部署在车间的RFID读写器和天线感知附着标签的生产要素，通过基于虚拟参考标签的LANDMARK算法获得定位目标的区域位置坐标；UWB精确定位以安装在车间的Ubisense读写器来接收待定位物体上附着的定位标签发射的UWB信号，并由Ubisense定位引擎平台通过TOA算法计算定位目标的精确位置坐标。

所述的车间可视化模块3包括车间三维模型、车间布局与三维模型的映射、制造过程仿真模型，以Plant Simulation平台为基础，通过数据通信接口集成车间数据采集模块1和实时定位模块2，实现车间实体和车间数据的可视化。

所述的全息地图服务模块4为地图上位机功能实现模块，该地图以车间可视化模块3为基础，通过车间数据采集模块1和实时定位模块2提供的生产数据和位置数据对生产要素模型进行驱动，全面反应生产要素的实时位置和状态信息，提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送、导航追溯等各类功能。

本发明的技术方案之二是：

一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图的实现方法，其特征是以PlantSimulation软件为基础平台，结合实时定位系统、数据采集系统以及数据库实现大型离散制造车间全息地图的构建，它包括以下步骤：

首先，构建大型离散制造车间物理模型，根据车间测量数据绘制车间二维布局图，准确反映车间生产要素布置情况；以车间二维布局图为基础，将生产要素三维模型导入PlantSimulation建立车间三维可视化场景，对制造车间全景进行全方位映射；以车间通道分布、连通情况为基础，建立车间区域间的拓扑连接图，反应制造车间中的空间约束；

其次，对生产要素信息进行封装，建立生产要素信息与三维模型的关联关系，描述生产要素在制造过程中的状态变化；以产品的生产工艺路线信息为基础，建立在制品及各类生产要素在工位间的加工逻辑；

最后，通过Socket接口实现服务器与车间全息地图间的通信，完成与实时定位模块与数据采集模块的集成，由数据采集模块和实时定位模块提供的实时数据对车间全息地图模型进行在线驱动，实时反映生产要素在车间中的位置和状态信息变化，全面映射制造车间整体运行情况，并提供定位服务功能。

本发明的有益效果：

1）本发明通过基于RFID和UWB的复合定位方法，实现了大型离散制造车间现场不同生产要素的实时定位及精细化管理。

2）本发明将大型离散制造车间现场模型化并映射到全息地图中，集成了制造过程仿真模型，全面提高大型离散制造车间的可视化和信息化管理水平。

3）本发明基于实时定位技术，可在上位机端提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送、导航追溯等各类位置服务功能。

4）本发明为大型离散制造车间生产人员和管理人员提供模型化、可视化的制造现场地图，对于大型离散制造车间智能化建设具有很高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的车间全息地图实现过程示意图。

图3是本发明的实时定位平台结构图。

图4是本发明的实时定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-4所示。

一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，总体结构框架如图1所示，它包括：车间数据采集模块1、实时定位模块2、车间可视化模块3和全息地图服务模块4。车间数据采集模块1由RFID数据采集系统和传感器为车间全息地图提供实时的生产要素属性、生产状态、制造过程、车间物流、车间环境等数据，其中，RFID读写器和天线用于感知附着在识别物体上的电子标签信息，从而采集与该标签绑定的生产要素的相关数据，部署在设备或车间的多种传感器用于实时感知设备运行数据、检测数据及环境数据，并由ZigBee无线通信模块完成数据的无线传输；实时定位模块2通过基于RFID的区域定位和基于UWB的精确定位完成大型制造车间内物料、人员、工装、在制品、配送车辆等各类生产要素的实时位置数据的获取，为车间全息地图的实现提供驱动力；车间可视化模块3是车间全息地图的基础，用于完成实际的大型离散制造车间与虚拟模型之间的相互映射，实现车间制造现场的多维度实时可视化显示；全息地图服务模块4则依托车间可视化模块3，在上位机提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送、导航追溯等各类地图服务。

基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图具体实现过程如图2所示，该发明以Plant Simulation软件为基础平台，结合实时定位系统、数据采集系统以及数据库实现大型离散制造车间全息地图的构建。首先，构建大型离散制造车间物理模型，根据车间测量数据绘制车间二维布局图，准确反映车间生产要素布置情况；以车间二维布局图为基础，将生产要素三维模型导入Plant Simulation建立车间三维可视化场景，对制造车间全景进行全方位映射；以车间通道分布、连通情况为基础，建立车间区域间的拓扑连接图，反应制造车间中的空间约束。其次，对生产要素信息进行封装，建立生产要素信息与三维模型的关联关系，描述生产要素在制造过程中的状态变化；以产品的生产工艺路线信息为基础，建立在制品及各类生产要素在工位间的加工逻辑。最后，通过Socket接口实现服务器与车间全息地图间的通信，完成与实时定位模块与数据采集模块的集成，由数据采集模块和实时定位模块提供的实时数据对车间全息地图模型进行在线驱动，实时反映生产要素在车间中的位置和状态信息变化，全面映射制造车间整体运行情况，并提供定位服务功能。

实时定位模块是大型离散制造车间全息地图实现的核心，所搭建的定位平台如图3所示，主要由RFID区域定位模块和UWB精确定位模块两部分组成。对于工装、物料、人员等长在工位间流动的生产要素，通常只需提供区域级的位置信息，便可实现其快速的查找使用，基于RFID的区域定位方法可满足其定位需求；对于车间物料配送车辆、关重件等需要精确导引或精准管理的生产要素，通常需要控制其定位精度达到分米甚至厘米级，因此采用基于UWB的精确定位方法。基于RFID的区域定位模块由超高频RFID读写器、天线、中间件和电子标签组成，超高频RFID读写器与天线可远距离感知电子标签信息，RFID中间件用于实现对RFID定位数据的过滤和删减，并完成规定系统数据格式的封装。基于UWB技术的精确定位模块由UWB传感器、UWB定位引擎和UWB主动式标签组成，UWB传感器通过接收UWB标签发出的脉冲信号计算当前标签的三维坐标位置， UWB定位引擎完成对UWB传感器的配置，并通过与UWB传感器的通信过滤波动较大的定位数据，UWB主动式标签可定时发送UWB脉冲给UWB传感器，以实现自身的精确定位。

基于RFID和UWB的大型离散制造车间复合定位实现过程如图4所示。首先，判断待定位生产要素的定位需求，针对性地选择定位方法，对于具有精确定位需求的生产要素粘贴UWB标签，对于具有区域定位需求的生产要素粘贴RFID标签。其次，安装在车间的Ubisense传感器能够接收待定位物体上附着的UWB标签发射的UWB信号，定位引擎通过各传感器的坐标和各传感器接收到的信号到达时间，可直接计算各接收机与定位目标的距离，以此获得待定位生产要素的位置坐标；部署在车间的RFID读写器通过获取参考标签和待定位标签的RSSI（接收的信号强度指示）值计算目标位置的坐标，其中为了减少实际参考标签的个数，引入了虚拟参考标签，虚拟参考标签的RSSI值由拉格朗日插值法计算得出，再根据LANDMARK算法便可获得待定位生产要素的区域位置坐标。最后，验证获取的区域定位和精确定位数据是否与实际位置相符合，进行数据存储，并在车间全息地图中进行可视化操作。具体实施时， RFID读写器和天线无需在全车间进行全部范围覆盖，根据大型离散车间的布局特点，将RFID天线部署在每个工位的待加工区、已加工区、质检区、车间出入口和通道等位置，当附着RFID标签的生产要素在某天线识别区域内运动时，至少可以被一个RFID天线检测识别到，从而可以确定待定位标签所处的位置区域。UWB定位系统的部署需要按照蜂窝单元的形式进行，一个蜂窝单元所覆盖的空间区域为35m×35m×30m，在大型离散制造车间每一个蜂窝单元的四角分别由支架安装三或四个Ubisense传感器，其中一个为UWB主读写器，其余的UWB从传感器通过时间同步线与主UWB传感器相连，最后将所有UWB传感器通过信号输出线连接到交换机，并将数据传递到定位引擎服务平台，当待定位生产要素上的UWB标签发出UWB 信号时，UWB传感器接收该信号并传输至定位引擎，通过TOA算法计算出待定位生产要素的位置坐标，从而驱动车间全息地图的有效运行。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可以采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是它包括：

一车间数据采集模块（1），该数据采集模块（1）用于完成大型离散制造车间中生产要素属性数据、生产状态数据、制造过程数据、车间物流数据、车间环境数据等的实时采集，为车间全息地图的功能实现提供基础数据；

一实时定位模块（2），该实时定位模块（2）用于实时获取大型制造车间内物料、人员、工装、在制品、配送车辆等各类生产要素的实时位置信息，为定位追踪各类生产要素提供实时位置坐标数据；

一车间可视化模块（3），该车间可视化模块（3）用于完成大型离散制造车间布局、实体模型及生产过程在可视化界面中的映射，构建车间的三维可视化模型和制造过程的仿真模型，并通过与车间数据采集模块（1）和实时定位模块（2）的集成，实现车间生产数据、位置数据的实时可视化显示；

一全息地图服务模块（4），该全息地图模块（4）依托车间可视化模块（3）提供车间基础位置服务，在上位机端提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送、导航追溯等各类功能。

2.根据权利要求1所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是所述的车间数据采集模块（1）包括RFID数据采集模块、传感器数据采集模块和ZigBee无线通信模块，RFID数据采集模块由部署在车间工位区域的读写器、天线和附着在生产要素上的标签组成，读写器能实时读取其感知范围内的标签信息，采集生产要素属性数据和生产状态数据；传感器数据采集模块由部署在设备或车间的各类型传感器实时感知设备运行数据、检测数据及环境数据，并由ZigBee无线通信模块传输至上位机。

3.根据权利要求2所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是所述的生产要素包括设备、物料、人员、工装夹具、配送车辆和在制品。

4.根据权利要求1所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是所述的实时定位模块（2）包括基于RFID的区域定位模块和基于UWB的精确定位模块，RFID区域定位以有规律地部署在车间的RFID读写器和天线感知附着标签的生产要素，通过基于虚拟参考标签的LANDMARK算法获得定位目标的区域位置坐标；UWB精确定位以安装在车间的Ubisense读写器来接收待定位物体上附着的定位标签发射的UWB信号，并由Ubisense定位引擎平台通过TOA算法计算定位目标的精确位置坐标。

5.根据权利要求1所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是所述的车间可视化模块（3）包括车间三维模型、车间布局与三维模型的映射和制造过程仿真模型，以Plant Simulation平台为基础，集成车间数据采集模块（1）和实时定位模块（2），实现车间实体和车间数据的可视化。

6.根据权利要求1所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图，其特征是所述的全息地图服务模块（4）为地图上位机功能实现模块，该地图以车间可视化模块（3）为基础，通过车间数据采集模块（1）和实时定位模块（2）提供的生产数据和位置数据对生产要素模型进行驱动，全面反应生产要素的实时位置和状态信息，提供可视化的定位追踪、实时监控、信息推送和导航追溯。

7.一种权利要求1所述的基于RFID和UWB的大型离散制造车间全息地图的实现方法，其特征是以Plant Simulation软件为基础平台，结合实时定位系统、数据采集系统以及数据库实现大型离散制造车间全息地图的构建，它包括以下步骤：

首先，构建大型离散制造车间物理模型，根据车间测量数据绘制车间二维布局图，准确反映车间生产要素布置情况；以车间二维布局图为基础，将生产要素三维模型导入PlantSimulation建立车间三维可视化场景，对制造车间全景进行全方位映射；以车间通道分布、连通情况为基础，建立车间区域间的拓扑连接图，反应制造车间中的空间约束；

其次，对生产要素信息进行封装，建立生产要素信息与三维模型的关联关系，描述生产要素在制造过程中的状态变化；以产品的生产工艺路线信息为基础，建立在制品及各类生产要素在工位间的加工逻辑；

最后，通过Socket接口实现服务器与车间全息地图间的通信，完成与实时定位模块与数据采集模块的集成，由数据采集模块和实时定位模块提供的实时数据对车间全息地图模型进行在线驱动，实时反映生产要素在车间中的位置和状态信息变化，全面映射制造车间整体运行情况，并提供定位服务功能。