發(fā)布時間：2021-09-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:生產(chǎn)現(xiàn)場物流配送AGV自動導(dǎo)引車主要用于配料工位、裝配生產(chǎn)線各作業(yè)工位、檢測工位、各返修工位等之間的物料柔性移送和分發(fā)。AGV與5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，用5G代替當(dāng)前WiFi網(wǎng)絡(luò)，有效解決通訊頻點切換數(shù)據(jù)丟包和信號盲區(qū)的問題;改造安裝5G網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過5G
摘要:生產(chǎn)現(xiàn)場物流配送AGV自動導(dǎo)引車主要用于配料工位、裝配生產(chǎn)線各作業(yè)工位、檢測工位、各返修工位等之間的物料柔性移送和分發(fā)。AGV與5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，用5G代替當(dāng)前WiFi網(wǎng)絡(luò)，有效解決通訊頻點切換數(shù)據(jù)丟包和信號盲區(qū)的問題;改造安裝5G網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過5G網(wǎng)絡(luò)采集AGV小車數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)行控制，通訊性能滿足毫秒級的低時延，確保現(xiàn)場物流運(yùn)輸準(zhǔn)確、安全;支持調(diào)度系統(tǒng)下沉至工廠邊緣云，支撐生產(chǎn)現(xiàn)場物料運(yùn)輸有序調(diào)度，實現(xiàn)離散制造物流自動化。
關(guān)鍵詞:AGV自動引導(dǎo)車;5G網(wǎng)絡(luò);WIFI網(wǎng)絡(luò);MEC多接入邊緣計算
0引言
隨著智能制造不斷推進(jìn)，工廠的生產(chǎn)模式也正在經(jīng)歷著一場變革，由傳統(tǒng)的人工操作向無人化演進(jìn)。在這個過程中，越來越多類似于AGV小車的移動工業(yè)機(jī)器人，用于替代工人執(zhí)行一些特定的工作，從而減輕工人勞動強(qiáng)度，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。
AGV(AutomatedGuidedVehicle，簡稱AGV)自動導(dǎo)引車[1]，通常也稱為AGV小車，是一種自主移動機(jī)器人，裝有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，進(jìn)行非接觸式導(dǎo)引，能沿規(guī)劃路徑行駛，自動避開障礙物安全駛向指定目標(biāo)，從而完成各種給定任務(wù)[2]。AGV是智能制造和智能物流的重要終端，具有實施簡單、路徑靈活、不占空間、移動性較好、柔性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)和立體倉庫。
5G是當(dāng)前具有代表性、引領(lǐng)性的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]，是實現(xiàn)萬物泛在互聯(lián)、人機(jī)深度交互、支撐實體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施。2019年6月正式頒發(fā)5G牌照，進(jìn)入5G商用階段[4]，5G應(yīng)用場景貫穿工業(yè)制造的全過程，實現(xiàn)供應(yīng)鏈管理、AGV、柔性制造、生產(chǎn)過程控制、機(jī)器協(xié)作、庫存管理、產(chǎn)品交付管理等各個環(huán)節(jié)的融合應(yīng)用，顯著降低企業(yè)運(yùn)營成本，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化制造資源配置，提升裝備數(shù)字化、產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)化和生產(chǎn)智能化水平，推動制造業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵驅(qū)動力。
1基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的不足
人工智能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，首先必須依托無線通信技術(shù)，目前一般使用WiFi來傳輸AGV運(yùn)行信息，在傳統(tǒng)WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，存在幾個比較明顯的不足:
(1)覆蓋范圍窄，用戶接入量有限:單個AP的有效覆蓋范圍大約是50m左右，網(wǎng)絡(luò)承載能力差，使得1個AP下的用戶數(shù)量只有數(shù)十個而已，為了滿足車間的網(wǎng)絡(luò)需求，實現(xiàn)信號無死角覆蓋，AP的布點數(shù)量就很多，自然造成系統(tǒng)故障幾率增大;
(2)重疊區(qū)域多，丟包率大:多點布設(shè)的AP之間就會存在重疊區(qū)域(交接區(qū))，當(dāng)AGV小車運(yùn)行于重疊區(qū)域時，小車會有一個斷線和重新注冊的過程，在這個過程中，即便是802.11k/v/r協(xié)議制式以及同一個SSID，WiFi網(wǎng)絡(luò)在頻點切換時，丟包幾乎是不可能避免的事情，這就會導(dǎo)致小車與管理平臺的通訊中斷，造成小車定位失敗，使得小車出現(xiàn)站點停靠不準(zhǔn)或中途停車等應(yīng)用問題;
(3)擴(kuò)展性較差，維護(hù)不便:AP及前端設(shè)備需要通過有線網(wǎng)絡(luò)接入，當(dāng)車間擴(kuò)容甚至設(shè)備擴(kuò)容時，增加的無線信號發(fā)射點位都需要通過有線接入;生產(chǎn)車間內(nèi)的AP一般都布置在相對較高的墻體或支架上，車間內(nèi)有很多的貨架和生產(chǎn)設(shè)備，一旦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障，維護(hù)非常不方便。
25G+MEC邊緣計算
5G基站的有效覆蓋范圍大約是150m～200m左右，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下一般還會在工廠現(xiàn)場部署室分用以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，用戶接入量呈幾何式增加，同時5G也具有網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性能，可在不同基站之間頻點軟切換，實現(xiàn)無縫銜接。
5G的底層通信應(yīng)用，給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出了更高的要求，帶來了新的問題，特別是增強(qiáng)帶寬(eMBB)會使無線回傳網(wǎng)絡(luò)壓力劇增，高可靠低延時通信(uRLLC)對網(wǎng)絡(luò)提出端到端99.999%的超高可靠性和1ms級的超低時延要求。因而[5]，在實際5G組網(wǎng)時，將業(yè)務(wù)盡可能下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸和多級業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)帶來的網(wǎng)絡(luò)時延[6]。
MEC(Multi-AccessEdgeComputing)的部署，在更靠近現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用提供云計算能力和IT服務(wù)環(huán)境，是5G網(wǎng)絡(luò)算力下沉和數(shù)據(jù)分流必不可少的網(wǎng)元，為邊緣計算提供云服務(wù)、IT服務(wù)環(huán)境和云計算能力。應(yīng)用如圖2所示。
MEC平臺實現(xiàn)本地局域網(wǎng)通信[7]，邊緣服務(wù)在終端設(shè)備上運(yùn)行，反饋更迅速，時延更低;計算內(nèi)容與計算能力下沉，智能化的流量調(diào)度，將業(yè)務(wù)本地分流緩存，使區(qū)域性業(yè)務(wù)能夠在本地終結(jié)，減少對骨干傳輸網(wǎng)以及上層核心網(wǎng)的資源占用，同時本地局域網(wǎng)通信，保障了系統(tǒng)的安全性。
3基于5G網(wǎng)絡(luò)AGV應(yīng)用系統(tǒng)
基于5G網(wǎng)絡(luò)的AGV應(yīng)用系統(tǒng)由AGV小車、5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻、5G基站等設(shè)備，以及MEC平臺、NMS網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)、AGV小車運(yùn)營管理系統(tǒng)等軟件共同構(gòu)成。
3.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
基于5G通信網(wǎng)絡(luò)，搭配5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)和各類管理系統(tǒng)，為AGV聯(lián)網(wǎng)控制提供網(wǎng)絡(luò)鏈路和指令傳輸通道。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)采集終端AGV的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過5G無線網(wǎng)絡(luò)和專網(wǎng)通道上傳到管理平臺，同時配備NMS網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)對系統(tǒng)所有網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置管理，實現(xiàn)AGV運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測管理，并依托MEC平臺的數(shù)據(jù)隔離功能確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的私密性和安全性。
5G專網(wǎng)建設(shè)完成之后，暫時保留原WiFi無線網(wǎng)絡(luò)作為5G無線網(wǎng)絡(luò)的備份鏈路，構(gòu)建兩套空中傳輸網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)接入如圖4所示。
平時AGV的接入網(wǎng)絡(luò)都以5G無線網(wǎng)絡(luò)為主，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)故障時，斷掉5G網(wǎng)絡(luò)接口，接通WiFi模塊數(shù)據(jù)接口通道，可以在短時間內(nèi)切換回原先的WiFi網(wǎng)絡(luò)并恢復(fù)生產(chǎn)。
3.2AGV網(wǎng)關(guān)安裝與配置
5G工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)可安裝于AGV小車車頭控制室內(nèi)，如空間有干涉，也可拆去外殼，直接將裸板固定安裝于小車控制室前端。網(wǎng)關(guān)天線可采用軟天線外拉到車頭或車尾，或者其他不影響小車運(yùn)行和路徑干涉的地方安裝。如果天線安裝位置封閉的話，還需在AGV小車外殼上進(jìn)行開孔安裝，如果小車震動幅度不大的情況下也可以采用磁吸或膠粘的方式安裝。見下圖紅色框所示。
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AGV小車之前的控制方式是用WiFi模塊(192.168.*.*)通過串口收發(fā)指令。現(xiàn)在改用5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)的LAN口直接連接以太網(wǎng)口的方式，5G網(wǎng)關(guān)的LAN口地址默認(rèn)地址為192.168.0.1，需要修改LAN口地址與WiFi模塊同一個網(wǎng)段(192.168.*.1)，先用電腦登錄到網(wǎng)關(guān)管理界面修改LAN口地址。如圖6所示。
因為是SA組網(wǎng)，核心網(wǎng)把SIM卡的地址固定，所以5G網(wǎng)關(guān)插入SIM卡后需要選擇SA模式，并配置APN，重新上電后獲取到的地址是固定的IP地址。
并在網(wǎng)絡(luò)安全中的NAT下再添加DNAT轉(zhuǎn)換規(guī)則。
PC端只需要接入核心網(wǎng)，在SA的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，核心網(wǎng)地址池的地址都可以訪問，因為AGV小車是通過SIM卡獲取的固定地址映射到SA的網(wǎng)絡(luò)中，所以小車的上位機(jī)軟件是訪問卡的地址(10.10.*.*)，從而對小車進(jìn)行下發(fā)指令。
3.3AGV運(yùn)營管理
AGV小車運(yùn)營管理系統(tǒng)收集車間每臺AGV小車的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)以及其他業(yè)務(wù)信息進(jìn)行綜合分析和系統(tǒng)管理，并按照生產(chǎn)作業(yè)計劃通過5G網(wǎng)絡(luò)向AGV發(fā)送作業(yè)指令，完成車間作業(yè)任務(wù)。該系統(tǒng)通過對AGV小車的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集和上傳，并基于5G和邊緣側(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)隔離等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)AGV小車的聯(lián)網(wǎng)功能優(yōu)化。
AGV小車運(yùn)營管理系統(tǒng)基于工廠邊緣云部署，云化調(diào)度AGV多小車運(yùn)營，小車之間能夠互相協(xié)同，支撐生產(chǎn)現(xiàn)場物料運(yùn)輸有序調(diào)度，提高物料收貨出入庫、來料檢測、收貨上架、廠內(nèi)搬運(yùn)等環(huán)節(jié)的工作效率，實現(xiàn)離散制造物流自動化。
4結(jié)束語
用5G網(wǎng)絡(luò)代替WiFi網(wǎng)絡(luò)，為AGV的通信提供高速的網(wǎng)絡(luò)支持，能夠有效解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋面窄、頻點切換盲區(qū)、通訊信號卡頓等問題。5G時代的到來，對于制造業(yè)來說，加快了智能制造建設(shè)步伐，對AGV技術(shù)要求越來越高，推動AGV應(yīng)用更加規(guī)模化、多樣化、柔性化，人機(jī)協(xié)同工作，讓AGV真正地數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展。——論文作者：肖宇亮
