仓储物流中UWB技术的应用

UWB (Ultra Wide Band, 超宽频技术) 是一种高速、低成本和低功耗的无线通信技术。它不用载波, 而采用时间间隔极短 (纳秒或纳秒级以下) 的非正弦波窄脉冲进行通信, 也称作脉冲无线电 (Impulse Radio) 、时域 (Time Domain) 或无载波 (Carrier Free) 通信。通过在较宽的频谱 (暂时限制在3.1～10.6GHz) 上传送极低功率的信号, 能在10米左右的范围内实现超过100Mbps/s的数据传输速率。UWB具有带宽极宽、低功耗、传输速率高、抗干扰性强, 保密性好等特点。

UWB技术最初是被作为军用雷达技术开发的, 早期主要用于雷达技术领域, 并一直是美国军方使用的作战技术之一。2002年2月, 美国FCC批准了UWB技术用于民用, UWB技术的发展步伐开始逐步加快。UWB技术的一个重要应用是精确地理定位。在UWB定位系统中, 位置可从一个移动终端至多个固定参考点的信号传输时间推算出来。UWB定位估算的精度受限于交叉曲线的宽度, 而曲线宽度又是信号抵达参考点的时间不确定性的函数。有多种机制可以用来提供此参数中小的不确定性。由于UWB系统的脉冲持续时间极短, 具有较强的时间、空间分辨率, 因此可以有效地对抗多径衰落, 可以在测距、定位和跟踪方面实现很高的精度, 在无线定位中具有突出的特点和优势。有资料表明, UWB技术在某些方面具有比GPS更高的定位精度。

Ubisense 7000系统是由英国Ubisense公司利用UWB技术 (Ultra Wide Band, 超宽频技术) 构建的精确实时无线定位系统。其运用到达时间差 (TODA) 和到达时间角度 (AOA) 的混合定位算法, 利用三维坐标将定位误差降到最小。相比基于RFID技术、Wi-Fi技术等的定位系统, 该系统具有很好的稳定性, 在典型应用环境中可达到15cm的较高的定位精度。

Ubisense 7000系统包含三部分:电池供电的活动标签 (Ubisense tag) , 能够发射UWB信号来确定位置;位置固定的传感器 (Ubisense Sensor) , 能够接收并估算从标签发送过来的信号;综合所有位置信息的软件平台, 能够获取、分析并传输信息给用户和其他相关信息系统。

图1 系统定位原理图示  下载原图
 

在该系统中, 标签发射极短的UWB脉冲信号, 传感器接收此信号, 并根据脉冲到达的时间差分和脉冲到达的角度计算出标签的精确位置, 如图1所示。由于采用了UWB技术, 加上传感器内部有一个UWB接收器阵列, 从而可以很高的精度计算出角度, 确保了较高的定位精度和室内应用环境的可靠性。传感器通常按照蜂窝单元的形式进行组织, 典型的划分方式是矩形单元, 附加的传感器根据其几何覆盖区域进行增加。每个定位单元中, 主传感器配合其他传感器工作, 并与单元内所有检测到位置的标签进行通讯。通过类似于移动通讯网络的蜂窝单元组合, 能够做到较大面积区域的覆盖。同时, 传感器也支持双向的标准射频通讯, 允许动态改变标签的更新率, 使交互式应用成为可能。

标签的位置通过标准以太网线或无线局域网, 发送到定位引擎软件。定位引擎软件将数据进行综合, 并通过API接口传输到外部程序或Ubisense定位平台, 实现空间信息的处理以及信息的可视化。由于标签能够在不同定位单元之间移动, 定位平台能够自动在一个主传感器和下一个主传感器之间实现无缝切换。在建立系统时, 需要对整体的多单元空间结构指定3D参考坐标系。当标签在参考坐标系内的多个单元中移动时, 可视化模块能够实时显示标签位置。

上世纪90年代以后, 世界仓储物流业快速发展, 持续10年保持了每年20%～30%的高速增长, 从而一举上升为与高科技、金融业并驾齐驱的三大朝阳产业之一。在西方发达国家, 现代仓储物流业已高度发达, 并成为国民经济的重要支柱。而我国仓储物流业尚处于起步发展初期, 与发达国家相比, 我国仓储物流业的发展水平相当滞后, 管理效率低下, 这同时也从另一个角度反映出我国仓储物流业有着巨大的发展空间和潜力。

由于传统仓储物流操作所采用的设备和技术较落后, 因此其操作与管理过程中存在很多缺点, 如入库验收时间长, 在库盘点乱且数量不准, 出库拣货时间长且经常拣错货, 有些货物会因为不正确的拣货顺序而导致保质期到期不能再用等。仓储公司和物流公司希望有一套系统能够自动定位货物的存放位置、记录货物出入仓库的时间, 节省搜索货品所花费的人力成本, 也能有效地解决一些货物损坏、丢失或过期等索赔问题。

在仓储物流业中使用Ubisense 7000定位系统, 能很好地解决以上问题。Ubisense 7000定位系统采用UWB技术, 构建了革命性的RTLS系统 (Real-time Location System, 实时定位系统) , 该系统在典型的应用环境中能达到15cm的3D定位精度, 并具有很好的稳定性。借助该系统, 仓储物流企业能够完成货物的进出管理, 准确快捷地盘点仓库物品, 方便迅速地查询仓库物品, 高效精确地找出货物位置, 同时, 还能解决防盗等货物安全问题。

基于UWB技术的仓储物流系统以Ubisense 7000定位系统为底层硬件平台, 结合了UWB技术和RFID技术, 利用以太网 (采用有线或无线方式) 为骨干传输网, 将仓库等仓储物流场所划分为多个监控单元。其网络结构如图2所示。

图2 仓储物流系统网络结构示意图  下载原图
 

该系统的具体工作流程是:每件货物都附加了RFID标签, 提供货物的ID号, 相应地在仓库各入口的通道处设置RFID阅读器。货物在进出仓库通过阅读器时, 阅读器即可读取标签, 获得货物的ID号、进出时间和运送该货物的叉车ID号等相关信息, 并通过无线局域网连接, 利用UWB信号将货物信息发送到后端Ubisense 7000定位平台。仓库内部根据具体环境布置一定数量的阅读器, 每个阅读器同时也是一个传感器节点, 节点通过UWB信号将标签的位置信息发送到传感器汇聚节点上。阅读器与一个振动传感器相互配合, 通常节点处于睡眠状态, 一旦振动传感器检测到振动信号时, 节点被唤醒并开始发送UWB信号。传感器汇聚节点接收到UWB信号, 即可获知哪个阅读器被使用, 其读取到的货物信息也一并传入后台。在阅读器没有使用时, 节点处于休眠状态, 从而延长节点电池寿命。一般在货物进出仓库时都经过阅读器扫描, 当货物转移地点时, 阅读器也会再次扫描。在运载货物的叉车臂上也安装标签, 当叉车安放货物的时候, 通过标签向节点发送信号, 便可记录下该货物存放的位置。

Ubisense 7000定位系统的传感器节点是集2.4G超宽频定位通讯于一体的智能化设备, 可以根据实际情况部署在仓库的周围, 一般安装在墙壁上, 高度以3～5米为宜, 其信号覆盖整体监控区域。系统可以采用有线 (或无线) 方式进行传感器的通讯。各监控区域的传感器运算数据和RFID物品信息均传到装有定位引擎和后台服务软件的终端用户。用户可根据需要定制软件的数据报表等应用功能。

在仓储物流领域中应用Ubisense 7000定位系统, 具有以下基本功能:

(1) 支持2D/3D定位, 在3D模式下, 定位精度达到15cm;

(2) 能对货物的出入库信息、摆放位置、运输路线等进行查询和追踪;

(3) 能够实时查询货位、动态分配货位、实现随机存储, 从而最大限度利用仓储空间;

(4) 能够自动精确地更新各种信息, 实现系统综合盘点、随机抽查盘点;

(5) 实时监控人员工作情况、分析货物调度管理数据, 动态综合分配人力物力资源;

(6) 实时统计报表, 汇总各类信息, 满足关联客户内部数据查询。

在仓储物流中应用基于UWB技术的Ubisense 7000定位系统, 可以有效地减少物品的丢失或损坏, 节约人力物力成本, 提高操作管理效率, 从而大大提高仓储物流领域自动化程度。目前, 制约UWB技术发展的主要问题是其标准化工作还没有完成, 一些技术问题需要不断完善。在定位方面, 与当前流行的短距离无线通信技术相比, UWB技术可以提供更高的定位精度和更快的传输速率, 这一优势是其它短距离无线通信技术无可比拟的。在军事需求和仓储物流市场的推动下, UWB技术将会进一步发展和成熟起来, 其应用必将更加广泛。