基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)研究

王亞利，于繼明

（1.濟源職業(yè)技術(shù)學院，河南濟源459000；2.金陵科技學院，南京211169）

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時代的重要發(fā)展階段，其發(fā)展的浪潮已經(jīng)滲透到現(xiàn)今社會的各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理[1]。近些年來，我國政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，大力促進新技術(shù)、新業(yè)態(tài)的廣泛應用，物聯(lián)網(wǎng)正進入跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段，迎來重大的發(fā)展機遇[2]。

當前大中型廠礦的裝運與計量管理系統(tǒng)計量節(jié)點多，工作強度大，工作環(huán)境差，人力成本高，存在一定的安全和管理隱患。鑒于此，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)的設(shè)計方案，在充分利用和改造已有硬件資源的基礎(chǔ)上，運用RFID無線射頻技術(shù)、無線通信技術(shù)、雷達技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)[3]，綜合自動控制、人工智能算法與物資倉儲運行管理方法和技術(shù)手段的結(jié)合，對數(shù)據(jù)進行綜合分析與管理，研發(fā)實施無人值守抓斗智能裝載貨物，從而實現(xiàn)廠礦遠程無人值守自動裝運發(fā)貨的目的。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

本研究來源于作者近年來參與的產(chǎn)學研合作項目，就某礦業(yè)公司汽車人工發(fā)貨模型為基礎(chǔ)，研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)，即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運用及項目建設(shè)，建立起無人值守裝運計量系統(tǒng)和無人值守智能倉庫。其中，無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)是利用抓斗自動裝貨、自動稱重、視頻監(jiān)控、音頻對講、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫管理，同計算機網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合，建立集圖像、數(shù)據(jù)、現(xiàn)場設(shè)備控制于一體的遠程抓斗自動裝貨管理系統(tǒng)[4]；智能倉庫則由WMS倉庫管理系統(tǒng)、WCS倉庫控制系統(tǒng)、倉庫移動作業(yè)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，通過與物資系統(tǒng)對接，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)倉庫現(xiàn)場出入庫的智能化管理[5-6]。

項目結(jié)合實際需求進行調(diào)研分析和論證，確立系統(tǒng)總體設(shè)計方案、具體目標及任務框架。研發(fā)周期主要分為系統(tǒng)詳細技術(shù)方案論證、關(guān)鍵設(shè)備確定、關(guān)鍵技術(shù)實驗與仿真、硬件設(shè)備研發(fā)、軟件系統(tǒng)開發(fā)、集成測試等階段。

通過本系統(tǒng)的研究設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)廠礦計量裝運業(yè)務數(shù)據(jù)的智能化、標準化、電子化和集成化，構(gòu)建一種無人值守智能倉庫的自助應用模式，不但能使裝運計量的數(shù)據(jù)信息及時準確，還能有效防止計量過程的作弊行為，進而實現(xiàn)優(yōu)化企業(yè)資源配置，降低生產(chǎn)運營成本，提高管理效率，提升物資運行管理能力和管理水平，提升企業(yè)的市場競爭力，這也是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要實踐性探索案例。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

整個應用系統(tǒng)由實時通信及控制系統(tǒng)、實時發(fā)貨及備貨系統(tǒng)組成，系統(tǒng)核心架構(gòu)如圖1所示。業(yè)務模型有自動模式和人工模式兩種。

系統(tǒng)通過交互操作臺將操作命令發(fā)布給中控服務器，服務器接受后轉(zhuǎn)換為電控指令經(jīng)實時通信傳輸?shù)诫娍叵到y(tǒng)，進行數(shù)據(jù)處理，完成實時采集行車坐標值（X,Y）；同時毫米波雷達掃描采集抓斗高度值（H），精確定位抓斗高度信息，將上述數(shù)據(jù)信息一并發(fā)送至中控服務器，經(jīng)過中控聯(lián)動，完成抓斗自動裝載貨物及備貨操作。系統(tǒng)還可通過射頻識別模塊完成對IC卡車輛信息的讀取，通過通訊模塊實現(xiàn)實時接收與傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)聯(lián)動分析[7]。整個系統(tǒng)可以完成車輛信息傳輸，定位信息、抓斗自動裝載貨物以及計量信息的上傳，調(diào)度信息的讀取等服務。

圖1 無人值守抓斗裝運系統(tǒng)核心構(gòu)架圖

2 系統(tǒng)模型

2.1 業(yè)務模型

在整體系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，重點對無人抓斗系統(tǒng)進行改造，使其能實現(xiàn)無人值守裝貨發(fā)貨，并對關(guān)鍵技術(shù)需求及性能參數(shù)做出預估。建立現(xiàn)場業(yè)務模型如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場業(yè)務模型圖

2.2 關(guān)鍵模塊

無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)項目實施范圍主要包括礦倉抓斗研發(fā)與改造、雷達設(shè)計與研發(fā)、中控系統(tǒng)研發(fā)等關(guān)鍵模塊，其實現(xiàn)的主要技術(shù)難點之一是研發(fā)精確控制的抓斗：抓斗放到什么高度發(fā)出指令信號，讓抓斗合并，否則會出現(xiàn)抓早抓空或抓晚，其后果是抓少或出現(xiàn)翻斗。

研究設(shè)計精確控制的抓斗，需完成四個主要動作：大車運動，小車運動，抓斗合并，抓斗提升。進一步確定項目關(guān)鍵模塊有：掃描、定位，運動控制，集成中控。

系統(tǒng)研發(fā)模塊主要包括：雷達成套、安裝、調(diào)試；行車成套，包括研制行車、定位、上位機、故障檢測、控制、安裝測試等；集成中控、服務器等系統(tǒng)開發(fā)、相關(guān)硬件調(diào)試等[9]。

2.3 研究方案

在上述研究工作基礎(chǔ)上，形成系統(tǒng)可行性研究方案，重點是對工作現(xiàn)場，需進一步劃分抓斗工作區(qū)域，明確其交互條件、模式轉(zhuǎn)換流程和標準等，并根據(jù)實際現(xiàn)場做數(shù)學模型仿真，進一步開展業(yè)務模型算法研究。主要包含以下研究與實驗方案。

1）高度測量技術(shù)研究與實驗。對抓斗升降的高度測量技術(shù)進行研究。針對當前可用的高度測量技術(shù)主要有激光雷達、電磁波雷達、超聲波等三種[8]，本文結(jié)合業(yè)務需要和實際情況，分別對三種不同的技術(shù)進行調(diào)研、論證和實驗，從性能、成本、可靠性、效率、安裝與維護難度等指標，來進行研究、測試與分析，從而確定采用哪種雷達技術(shù)進行測量高度。

2）變頻驅(qū)動改造方案設(shè)計與仿真。系統(tǒng)對抓斗的運行精度進行測量、軟硬件設(shè)計和改造，結(jié)合項目要求，增加對起升、開閉機構(gòu)鋼絲繩長度檢測，同時要對大小車進行變頻驅(qū)動改造，設(shè)計詳細方案并仿真。在軟件研發(fā)環(huán)節(jié)，主要進行下位機軟件開發(fā)，包括精確定位F（x,y）采集，指令接收與協(xié)議轉(zhuǎn)換，抓斗作業(yè)動作控制，抓斗狀態(tài)、執(zhí)行結(jié)果反饋回中控機。

3）中控集成系統(tǒng)掃描研究與設(shè)計。中控集成系統(tǒng)是整修系統(tǒng)的核心，通過有線、無線方式，通過實時通信設(shè)備，接收現(xiàn)場采集的抓斗、車位等信息，根據(jù)業(yè)務模型，結(jié)合現(xiàn)場情況，確定是否發(fā)貨及備貨[9-10]。系統(tǒng)要能夠?qū)崟r接收來自電控的平面位置參數(shù)F（x,y），同時將業(yè)務點位置下1平方米左右的平均高度h檢測并處理，得到業(yè)務點位置P（x,y,h），發(fā)送給中控集成系統(tǒng)。

4）系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研究確定及使用技術(shù)方案。根據(jù)方案涉及的技術(shù)重難點來確定關(guān)鍵設(shè)備，主要包括：掃描模塊的電磁波雷達、電控模塊的安川變頻器、S7-300自動控制系統(tǒng)，中控采用研華i7系列工控機等，發(fā)貨算法通過仿真確定能按規(guī)則發(fā)貨[11]。

3 系統(tǒng)實驗與仿真

3.1 雷達掃描實驗論證

系統(tǒng)進行雷達掃描試驗論證，進一步確定實驗技術(shù)方案。

雷達掃描試驗論證方案由如下幾個部分組成：微型計算機、激光掃描雷達、三軸云臺、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和各類通信、電源線纜。如圖3所示。

圖3 雷達掃描測量技術(shù)研究圖

分別對激光雷達、電磁波雷達、超聲波不同設(shè)備進行掃描實驗論證，如圖4所示。經(jīng)過多次實驗，分析研究在霧霾、揚塵等干擾因素下哪種設(shè)備能夠滿足精度要求，實現(xiàn)現(xiàn)場高度掃描功能。

圖4 多種設(shè)備掃描測量實驗論證

根據(jù)模擬與實測，進一步對比數(shù)據(jù)和效果，確認采用電磁波雷達技術(shù)，能夠在數(shù)據(jù)處理時間、反射距離等方面達到距離、抗干撓的要求。

之后再進一步實驗確定精度，經(jīng)過現(xiàn)場測量和計算研究，結(jié)合業(yè)務需求，得出了精度在10cm的誤差范圍內(nèi)，能滿足業(yè)務需求。

最后進行電磁波雷達掃描仿真，即設(shè)計毫米波雷達測距精度小于10cm，得出可行方案，將硬件研制完成的情況下，進一步測量精度與優(yōu)化改進，本文不再贅述。電磁波雷達測量仿真結(jié)果如圖5所示。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實驗與仿真

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實驗與仿真主要涉及S7-300仿真、中控聯(lián)動識別等相關(guān)技術(shù)的試驗與仿真。

本文以S7-300仿真為重點，進行試驗與仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)現(xiàn)場三個模擬的通信連接，編寫仿真模塊，采用OPC軟件仿真，確定采用S7方式連接的通訊控制可行。

3.3 發(fā)貨算法仿真

根據(jù)公司貨物倉庫的發(fā)貨備貨要求來進行算法模擬，從而確定發(fā)貨業(yè)務模型。發(fā)貨模型可以采用三種方式：1）按行優(yōu)先算法設(shè)計，2）按列優(yōu)先算法設(shè)計，3）按高度優(yōu)先算法設(shè)計。根據(jù)不同算法模擬仿真的結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示：

生成的數(shù)據(jù)關(guān)系如圖7所示。

圖5 電磁波雷達技術(shù)測量高度仿真

圖6 S7-300仿真及雷達連接仿真

表1 不同算法仿真結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖7 數(shù)據(jù)關(guān)系對比圖

結(jié)合現(xiàn)場情況，確定采用行優(yōu)先（南北方向）發(fā)貨算法，提高發(fā)貨效率。

4 硬軟件研發(fā)與測試

系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上進行硬軟件研發(fā)與集成測試。

4.1 硬件研發(fā)與測試

本研究相關(guān)的硬件研發(fā)項目主要有：1）網(wǎng)絡車牌識別攝像頭與IC卡聯(lián)動硬件。系統(tǒng)結(jié)合實際需求研發(fā)具有網(wǎng)絡傳輸功能的軟、硬件接口，并就現(xiàn)場功能進行測試。2）安全預警模塊研制及測試。安全預警模塊使用西門子200研發(fā)，測試達到預期設(shè)計目標[12]。3）雷達的研制及測試，實驗環(huán)境誤差10CM以內(nèi)，達到預期目標。

4.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

項目結(jié)合實際需求進行軟件系統(tǒng)開發(fā)，相繼開發(fā)基于VC的中控系統(tǒng)，基于WINCC的嵌入式電機控制系統(tǒng)，基于C的雷達嵌入式系統(tǒng)。三個系統(tǒng)分別完成測試。

之后進行集成測試，并進一步做系統(tǒng)調(diào)整后任務。

5 結(jié)束語

本文通過應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究設(shè)計無人值守抓斗智能裝運系統(tǒng)，實現(xiàn)無人值守智能倉庫發(fā)貨備貨功能。經(jīng)過前期需求分析調(diào)研、系統(tǒng)總體方案設(shè)計，進一步確定關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)方案，并提出系統(tǒng)構(gòu)架和業(yè)務模型；之后進行關(guān)鍵技術(shù)實驗和仿真，進行技術(shù)論證，從而確定發(fā)貨業(yè)務模型；后期進行軟硬件研發(fā)，集成測試，系統(tǒng)仿真和現(xiàn)場實驗，最終實現(xiàn)無人值守抓斗智能裝運貨物功能。本系統(tǒng)涉及到自動控制、人工智能（算法）、無線通信、雷達技術(shù)、硬件聯(lián)動等關(guān)鍵技術(shù)，工程設(shè)計與研發(fā)量較大，現(xiàn)場測量及標定工作難度較大，多種應用技術(shù)均為首次聯(lián)合應用，開發(fā)難度較大。

本文的后繼工作將對前期的工作及問題進行總結(jié)與梳理，在辦好流程、做好詳細準備的情況下，安裝行車到位，進一步完成對行車、抓斗的測試，以及中控與其它系統(tǒng)的測試。根據(jù)項目的實際運行和需求情況，完成最后階段自動化系統(tǒng)的測試及多個業(yè)務系統(tǒng)的測試聯(lián)調(diào)工作。