王亚利，于继明

（1.济源职业技术学院，河南济源459000；2.金陵科技学院，南京211169）

物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段，其发展的浪潮已经渗透到现今社会的各行各业。物联网技术即通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理[1]。近些年来，我国政府高度重视物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的发展，大力促进新技术、新业态的广泛应用，物联网正进入跨界融合、集成创新和规模化发展的新阶段，迎来重大的发展机遇[2]。

当前大中型厂矿的装运与计量管理系统计量节点多，工作强度大，工作环境差，人力成本高，存在一定的安全和管理隐患。鉴于此，提出一种基于物联网技术的无人值守抓斗智能装运系统的设计方案，在充分利用和改造已有硬件资源的基础上，运用RFID无线射频技术、无线通信技术、雷达技术等物联网关键技术[3]，综合自动控制、人工智能算法与物资仓储运行管理方法和技术手段的结合，对数据进行综合分析与管理，研发实施无人值守抓斗智能装载货物，从而实现厂矿远程无人值守自动装运发货的目的。

1 总体设计

1.1 设计思路

本研究来源于作者近年来参与的产学研合作项目，就某矿业公司汽车人工发货模型为基础，研究基于物联网技术的无人值守抓斗智能装运系统，即通过物联网技术的运用及项目建设，建立起无人值守装运计量系统和无人值守智能仓库。其中，无人值守抓斗智能装运系统是利用抓斗自动装货、自动称重、视频监控、音频对讲、环境监测、数据库管理，同计算机网络技术相结合，建立集图像、数据、现场设备控制于一体的远程抓斗自动装货管理系统[4]；智能仓库则由WMS仓库管理系统、WCS仓库控制系统、仓库移动作业系统等子系统组成，通过与物资系统对接，结合物联网技术，实现仓库现场出入库的智能化管理[5-6]。

项目结合实际需求进行调研分析和论证，确立系统总体设计方案、具体目标及任务框架。研发周期主要分为系统详细技术方案论证、关键设备确定、关键技术实验与仿真、硬件设备研发、软件系统开发、集成测试等阶段。

通过本系统的研究设计，能够实现厂矿计量装运业务数据的智能化、标准化、电子化和集成化，构建一种无人值守智能仓库的自助应用模式，不但能使装运计量的数据信息及时准确，还能有效防止计量过程的作弊行为，进而实现优化企业资源配置，降低生产运营成本，提高管理效率，提升物资运行管理能力和管理水平，提升企业的市场竞争力，这也是物联网应用的重要实践性探索案例。

1.2 系统架构

整个应用系统由实时通信及控制系统、实时发货及备货系统组成，系统核心架构如图1所示。业务模型有自动模式和人工模式两种。

系统通过交互操作台将操作命令发布给中控服务器，服务器接受后转换为电控指令经实时通信传输到电控系统，进行数据处理，完成实时采集行车坐标值（X,Y）；同时毫米波雷达扫描采集抓斗高度值（H），精确定位抓斗高度信息，将上述数据信息一并发送至中控服务器，经过中控联动，完成抓斗自动装载货物及备货操作。系统还可通过射频识别模块完成对IC卡车辆信息的读取，通过通讯模块实现实时接收与传输数据，实现联动分析[7]。整个系统可以完成车辆信息传输，定位信息、抓斗自动装载货物以及计量信息的上传，调度信息的读取等服务。

图1 无人值守抓斗装运系统核心构架图

2 系统模型

2.1 业务模型

在整体系统架构的基础上，重点对无人抓斗系统进行改造，使其能实现无人值守装货发货，并对关键技术需求及性能参数做出预估。建立现场业务模型如图2所示。

图2 现场业务模型图

2.2 关键模块

无人值守抓斗智能装运系统项目实施范围主要包括矿仓抓斗研发与改造、雷达设计与研发、中控系统研发等关键模块，其实现的主要技术难点之一是研发精确控制的抓斗：抓斗放到什么高度发出指令信号，让抓斗合并，否则会出现抓早抓空或抓晚，其后果是抓少或出现翻斗。

研究设计精确控制的抓斗，需完成四个主要动作：大车运动，小车运动，抓斗合并，抓斗提升。进一步确定项目关键模块有：扫描、定位，运动控制，集成中控。

系统研发模块主要包括：雷达成套、安装、调试；行车成套，包括研制行车、定位、上位机、故障检测、控制、安装测试等；集成中控、服务器等系统开发、相关硬件调试等[9]。

2.3 研究方案

在上述研究工作基础上，形成系统可行性研究方案，重点是对工作现场，需进一步划分抓斗工作区域，明确其交互条件、模式转换流程和标准等，并根据实际现场做数学模型仿真，进一步开展业务模型算法研究。主要包含以下研究与实验方案。

1）高度测量技术研究与实验。对抓斗升降的高度测量技术进行研究。针对当前可用的高度测量技术主要有激光雷达、电磁波雷达、超声波等三种[8]，本文结合业务需要和实际情况，分别对三种不同的技术进行调研、论证和实验，从性能、成本、可靠性、效率、安装与维护难度等指标，来进行研究、测试与分析，从而确定采用哪种雷达技术进行测量高度。

2）变频驱动改造方案设计与仿真。系统对抓斗的运行精度进行测量、软硬件设计和改造，结合项目要求，增加对起升、开闭机构钢丝绳长度检测，同时要对大小车进行变频驱动改造，设计详细方案并仿真。在软件研发环节，主要进行下位机软件开发，包括精确定位F（x,y）采集，指令接收与协议转换，抓斗作业动作控制，抓斗状态、执行结果反馈回中控机。

3）中控集成系统扫描研究与设计。中控集成系统是整修系统的核心，通过有线、无线方式，通过实时通信设备，接收现场采集的抓斗、车位等信息，根据业务模型，结合现场情况，确定是否发货及备货[9-10]。系统要能够实时接收来自电控的平面位置参数F（x,y），同时将业务点位置下1平方米左右的平均高度h检测并处理，得到业务点位置P（x,y,h），发送给中控集成系统。

4）系统关键设备研究确定及使用技术方案。根据方案涉及的技术重难点来确定关键设备，主要包括：扫描模块的电磁波雷达、电控模块的安川变频器、S7-300自动控制系统，中控采用研华i7系列工控机等，发货算法通过仿真确定能按规则发货[11]。

3 系统实验与仿真

3.1 雷达扫描实验论证

系统进行雷达扫描试验论证，进一步确定实验技术方案。

雷达扫描试验论证方案由如下几个部分组成：微型计算机、激光扫描雷达、三轴云台、无线数据传输模块和各类通信、电源线缆。如图3所示。

图3 雷达扫描测量技术研究图

分别对激光雷达、电磁波雷达、超声波不同设备进行扫描实验论证，如图4所示。经过多次实验，分析研究在雾霾、扬尘等干扰因素下哪种设备能够满足精度要求，实现现场高度扫描功能。

图4 多种设备扫描测量实验论证

根据模拟与实测，进一步对比数据和效果，确认采用电磁波雷达技术，能够在数据处理时间、反射距离等方面达到距离、抗干挠的要求。

之后再进一步实验确定精度，经过现场测量和计算研究，结合业务需求，得出了精度在10cm的误差范围内，能满足业务需求。

最后进行电磁波雷达扫描仿真，即设计毫米波雷达测距精度小于10cm，得出可行方案，将硬件研制完成的情况下，进一步测量精度与优化改进，本文不再赘述。电磁波雷达测量仿真结果如图5所示。

3.2 关键技术实验与仿真

系统关键技术实验与仿真主要涉及S7-300仿真、中控联动识别等相关技术的试验与仿真。

本文以S7-300仿真为重点，进行试验与仿真。仿真结果如图6所示。

根据现场三个模拟的通信连接，编写仿真模块，采用OPC软件仿真，确定采用S7方式连接的通讯控制可行。

3.3 发货算法仿真

根据公司货物仓库的发货备货要求来进行算法模拟，从而确定发货业务模型。发货模型可以采用三种方式：1）按行优先算法设计，2）按列优先算法设计，3）按高度优先算法设计。根据不同算法模拟仿真的结果数据如表1所示：

生成的数据关系如图7所示。

图5 电磁波雷达技术测量高度仿真

图6 S7-300仿真及雷达连接仿真

表1 不同算法仿真结果数据表

图7 数据关系对比图

结合现场情况，确定采用行优先（南北方向）发货算法，提高发货效率。

4 硬软件研发与测试

系统在上述基础上进行硬软件研发与集成测试。

4.1 硬件研发与测试

本研究相关的硬件研发项目主要有：1）网络车牌识别摄像头与IC卡联动硬件。系统结合实际需求研发具有网络传输功能的软、硬件接口，并就现场功能进行测试。2）安全预警模块研制及测试。安全预警模块使用西门子200研发，测试达到预期设计目标[12]。3）雷达的研制及测试，实验环境误差10CM以内，达到预期目标。

4.2 软件系统开发

项目结合实际需求进行软件系统开发，相继开发基于VC的中控系统，基于WINCC的嵌入式电机控制系统，基于C的雷达嵌入式系统。三个系统分别完成测试。

之后进行集成测试，并进一步做系统调整后任务。

5 结束语

本文通过应用物联网技术，研究设计无人值守抓斗智能装运系统，实现无人值守智能仓库发货备货功能。经过前期需求分析调研、系统总体方案设计，进一步确定关键设备和技术方案，并提出系统构架和业务模型；之后进行关键技术实验和仿真，进行技术论证，从而确定发货业务模型；后期进行软硬件研发，集成测试，系统仿真和现场实验，最终实现无人值守抓斗智能装运货物功能。本系统涉及到自动控制、人工智能（算法）、无线通信、雷达技术、硬件联动等关键技术，工程设计与研发量较大，现场测量及标定工作难度较大，多种应用技术均为首次联合应用，开发难度较大。

本文的后继工作将对前期的工作及问题进行总结与梳理，在办好流程、做好详细准备的情况下，安装行车到位，进一步完成对行车、抓斗的测试，以及中控与其它系统的测试。根据项目的实际运行和需求情况，完成最后阶段自动化系统的测试及多个业务系统的测试联调工作。