生产跟踪（精选7篇）
生产跟踪 篇1
1 引言
轧件跟踪是轧制过程自动控制中的主要功能之一。轧件跟踪的目的是通过确定轧件在轧线上的位置和状态决定是否启动有关的功能程序,对指定的轧件准确地进行各种控制、数据采样、操作指导等。当轧件在生产线上的实际位置与自动控制系统中计算位置不一致时,轧件跟踪系统通过检测器件自动修正或通过操作者人工校准。从而防止事故发生和满足生产的需要。
轧件跟踪的定义一般有两种:第1种是从轧线的角度定义轧件跟踪,即将轧线分成很多的小跟踪区,轧件跟踪系统随时判断小跟踪区内有无轧件;第2种从轧件的角度定义轧件跟踪,即轧件跟踪系统跟踪轧件在任意时刻点在轧线上的位置和状态。本文所讲的轧件跟踪为第2种。
轧件跟踪一般分为宏跟踪和微跟踪。宏跟踪一般用于过程管理,主要由过程计算机来完成,微跟踪一般用于过程控制,主要由基础自动化(例如:PLC)来实现。在多数系统中轧件跟踪是由宏跟踪和微跟踪共同完成,一般微跟踪为主、宏跟踪为辅。
从某种程度上轧件跟踪是自动控制的基础。例如在带钢热连轧中,辊缝设定、温度控制、飞剪控制、活套的起落控制和卷取的踏步控制(AJC)等都离不开轧件跟踪。轧件跟踪功能的高低(准确度)直接影响着自动化(特别是基础自动化)的水平。
2 轧件的属性
生产线上的每一个轧件都具有若干属性,在计算机中轧件可以抽象地看成一个拥有很多属性的数据体,轧件在生产线上的移动过程,就是轧件数据体属性形成、更新、剔除的过程。
2.1 轧件的属性分类和形成
轧件属性分类有多种方法,一般可按属性的生命周期、活动能力、数据来源等进行划分。按生命周期分为中间属性和最终属性;按活动能力可分为静态属性和动态属性;按数据来源可分录入属性和自动形成属性。
中间属性较多地存在于每个小的跟踪区中,主要服务对象为微跟踪,它的生命周期从轧件进入本跟踪区开始,离开本跟踪区结束。最终属性一般在轧件离开跟踪区时形成,一般来源于中间属性和上一跟踪区属性的继承。最终属性即可以是多个中间属性的简单叠加,也可以是中间属性的综合。
轧件的很多属性从诞生的开始就静止不动,如轧件的钢号、材质等,这些属性为静态属性。同时轧件的很多属性是随时变化的,如时间、空间、电流、温度等属性,这些属性为动态属性。
轧件的属性数据来源主要有两大途径即人工录入和控制系统自动形成。人工录入的属性如钢号、合同号等为录入属性,录入属性多为轧件的原始数据;控制系统自动形成的属性为自动形成属性。
轧件的属性是可继承的。当轧件在生产线上从一个跟踪区移到另一个跟踪区,轧件的很多属性也要传承下去,从而保证轧制的连续性。
轧件的某一属性不是一成不变的,其具有阶段性。例如轧件的电流属性,其在某跟踪区的轧制过程中是实时变化的,显然具有动态属性;而当轧件离开此跟踪区时一般要对电流进行平均计算并保存,此时电流属性是静态属性。轧件属性的多寡和内容显然也不是一成不变的。不同的生产线轧件的属性内容不尽相同,同一生产线轧件的属性内容也会由于工艺要求的差异会略有差异,即使在同一生产线不同的跟踪区轧件的属性内容和多少由于控制要求的不同也会有变化。
2.2 轧件最基本的属性
轧件跟踪中的每一个轧件都应具有两个最基本的属性:时间属性和空间属性。
时间属性顾名思义是指轧件跟踪开始后(一般是在轧件上轧线后),轧件在时间轴上的坐标值。在宏跟踪中轧件的时间分辨率一般为s级,而在微跟踪其时间分辨率一般为ms级。
轧件的空间属性是指轧件跟踪开始后(一般是在轧件上轧线后),轧件在空间X,Y,Z轴上的坐标值。确定轧件的空间属性的一个重要工作是坐标原点的确立,原则上每个跟踪区只有一个坐标原点。在实际中每个跟踪区原点可能是不同的,这就要求控制系统在轧件跨区时给予轧件空间属性的调整。
轧件的时间属性和空间属性的精度往往直接影响着控制精度,在控制系统允许的情况下应尽可能提高这二者的精度值。
3 轧件跟踪的方法
在轧件跟踪中时间属性和空间属性是密不可分的,轧件跟踪过程的实质是时间属性和空间属性不断更新的过程。例如,既可讲在某一时间点上,轧件的空间坐标是多少,又可讲在某一空间点上,轧件的时间坐标值是多少。当然上述两种讲法也是有区别的,前者的空间坐标值主要是通过轧件速度对时间的积分获得(计算值),而后者的时间值则通过轧件过某空间点上的检测仪表时的检测获得(实测值)。在实际应用中往往要通过实测值不断校准计算值。
在现代化的轧制生产线上,通过设置冷金属检测器(CMD)、热金属检测器(HMD)、光栅(LD)、激光测速(SD)等高精度、高灵敏度的检测器件和负载观测器(LR)等软件手段来进行轧件位置的检测。检测仪表的检测精度和轧线上设置的检测仪表的多寡会直接影响跟踪的精度。
由于成本和位置的限定,检测器件的设置是有限的。一般参与控制的空间点需要设置检测器件,而其它地方则可根据跟踪的精度要求在轧线安装位置允许的情况下进行设置。
在实际控制过程中,为了保证跟踪的实时性和准确性,微跟踪是由PLC完成的。但是由于PLC本身的特点,不易实现复杂的数据管理,特别是在可逆轧制区有多块钢坯出现时,PLC实现微跟踪是一个复杂的过程。本文以某带钢热连轧的粗轧区轧件跟踪为例,具体说明跟踪的方法。
本例中设备布置、跟踪区划分以及检测器件(热检)的位置如图1所示。粗轧区本身为一个大的跟踪区,此区根据工艺要求和控制需要又被分成7个小跟踪区(区号1～7),共设8个检测点检测有钢信号,其中有7个检测点设置热金属检测器(HMD),余下1个则使用负载观测器。1HMD的空间坐标为本区所有跟踪区坐标原点(只需要X轴)。本例的轧件跟踪是由西门子PLC S7-400实现的,此套PLC的CPU为416-2DP,轧件跟踪的数据采样时间为10ms。
在此轧区,轧件的轧制是可逆的,且在极限情况下会同时有3块轧件出现在生产线上。根据这种情况PLC开辟了3块内容相同的数据区,用于每个轧件的跟踪 。数据区的内容见表1。其中状态字的含义:Bit0为生命标识(使用时为“1”);Bit1为生命终结允许;Bit2为轧件处于恢复等待状态。
由于3个轧件的跟踪是相同的,现只给出1个轧件的跟踪算法。在算法中不管轧制方向如何轧件的头部都定义为在X轴上坐标值大的一头为头部,另一头为尾部。
3.1 数据区的激活
图2给出了轧件进入粗轧区后,PLC开始采取的初始化动作。每根钢使用1块数据区,3块数据区要按顺序先激活前面未曾使用过的数据区。
本例中,1HMD有钢信号的上升沿代表有新的钢坯进入本轧件跟踪区。1HMD信号的有效性是十分关键的,为了保证这一点采取以下的措施。
1)此处设置2个热金属检测器,提高硬件的可靠性。
2)软件对两个检测信号进行进一步甄别处理。当两个热检都检测到有钢信号时认为此处有钢;只有一个热检检测到有钢时,则看轧件预测位置是否在此处附近,只有二者基本相符时才确认此处有钢。
本例中,此处轧件位置的预测是通过对除鳞辊道速度积分来获得,预测启动的条件为:出钢机完成一次出钢动作,出钢动作完成3s内除鳞前热检信号检测到有钢信号。
3.2 数据区释放
当轧件离开轧区时,其对应的数据表应立即释放,图3给出数据表释放算法。轧制过程中需要剔除轧件时一般有手动和自动(需要人工确认)两种。轧件剔除的处理方式,在系统正常和非正常情况下是有区别的,在非正常情况下轧件剔除主要靠手动,而在正常情况下轧件剔除可以自动实现(需要人工确认)。
本例中,7HMD从有钢变成无钢时,则表示可释放某数据表。由于7HMD信号可能有误动作,为了防止误删数据表则通过带尾跟踪,每个数据表对本身生命进行预判,只有预判和检测信号相符时才进行数据区生命的终结。若某一个数据表已经预判生命结束4s(可通过HMI调整)后, 7HMD信号仍没有从有钢变成无钢时,则给出报警并通过HMI询问操作人员数据表生命是否终结,若无响应3s(可通过HMI调整)强制数据表生命终结。若用户通过HMI确认7HMD有故障时,则数据表预判自己生命结束的同时强制其生命终结。
3.3 属性更新和参数计算
图4中只给出头部更新的算法,尾部跟踪同理。
在上面的算法中,计算轧件头部的位置时需要随时知道轧件的速度。当轧件全部都在辊道上时,轧件头部速度可近似取辊道速度,辊道加减速时要考虑轧件惯性对速度的影响;当轧件进入粗轧机后,轧件头部速度可取轧机速度加上轧机速度与前滑值的乘积。
在轧制过程中,若检测信号在预测时间内还没出现时,发出检测仪表报警信息。若头部(或尾部)发出报警信息后尾部(头部)检测信号在预定时间内还没有在相应的检测点出现时,发出轧件剔除请求。操作人员可根据实际情况对上述情况进行确认。
在实际生产过程中,有可能出现假的有钢信号。在跟踪系统中,若某检测点有钢信号出现的时间不在任何轧件预定的时间内,则认为此信号为假信号;当某检测点出现有钢信号时若此点不在任何轧件预定所在的区间内,则认为此信号为假信号。
4 结束语
随着计算机控制系统和检测仪表的成本的降低和技术水平的提高,轧件跟踪的精度和可靠性越来越高,实时性也越来越强。高水平、高可靠、实时性强的轧件跟踪会给基础自动化和过程自动化等方面带来更大的便利,有助于整体自动化水平的提升。
参考文献
[1]丁修堃.轧制过程自动化[M].北京:冶金工业出版社,2005.
[2]刘玠,杨卫东,刘文仲.热轧生产自动化技术[M].北京:冶金工业出版社,2006.
生产跟踪 篇2
跟踪进度的最简单方法就是报告实际工作正准确地按计划进行，如果有一个为期5个月的项目已经进行了1个月，这个月中所有任务的开始和结束都按日程安排进行，那么就可以快速将这些记录在“更新项目”对话框中。
在电视广告项目中，假设从保存基准起已过一些时日。工作已经开始，而且到目前为止情况良好。在下面的练习中将记录项目的实际值，将工时更新为一具体日期。
(1) 在“视图”菜单中，单击“甘特图”，
“甘特图”视图出现。
(2) 在“工具”菜单中，指向“跟踪”，然后单击“更新项目”。“更新项目”对话框出现。
(3) 确保“将任务更新为在此日期完成”选项为选中状态。在邻近的日期框中，输入或选择“1月16日”，如图6.3所示。
图6.3 “更新项目”对话框
提示 也可单击“将任务更新为在此日期完成”日期框的下箭头，在出现的日历中，选择201月16日。在使用此种弹出式日历的Project界面中有多个日期域。
(4) 单击“确定”。
Project记录在年1月16日之前开始的任务的完成百分率。然后会在甘特条形图中绘制这些任务的进度条以显示进度，如图6.4所示。
图6.4 在甘特条形图中显示进度
在“甘特图”视图中，进度条显示每个任务的完成比例。因为任务2和任务3已经完成，所以这两个任务的“标记”列中出现对钩，而且相应的甘特条形图中的进度条是满格的。
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生产跟踪 篇3
随着汽车行业的竞争越来越激烈, 如何有效提高产品的质量, 合理安排生产计划, 提高汽车产量并增加销售额成为各生产企业关心的重点问题。汽车的冲压、焊接、涂装和总装工艺中, 涂装最为复杂, 由于不同车型和颜色的喷涂要求不同, 很难进行成本和质量的控制。为此, 国内许多汽车生产商引进了生产路由跟踪 (PR&T) 系统, 以便高效地调度生产, 更好地控制质量和成本。通过排序和缓冲区调度, PR&T系统能够决定移行机和分岔处的车身流向, 从而满足生产计划的安排。将该系统与输送系统的工艺速度相配合, 对车型和颜色进行算法排布, 最大限度地节约涂装换色的成本, 并且使工序间的成本能够错开, 提高了生产的单班产量[1]。目前, 更多的厂家在寻求生产路由跟踪 (PR&T) 系统与车体自动识别 (AVI) 系统共同协作, 以实现为汽车生产、质量控制和物料输送等部门提供车身基础数据的目的, 从而为生产决策提供依据。本文结合生产实际, 介绍了汽车涂装生产线中生产路由跟踪系统的应用。
1 生产路由跟踪 (PR&T) 系统的功能
PR&T系统应用在汽车各类生产线上, 可以根据相关的质量信息和不同的生产数据对生产过程进行实时采集监视[2]。它具有以下重要功能:
(1) 路由选择。系统能够通过上层ERP系统的数据接口获得生产计划和订单的物流信息, 根据不同的生产需要进行相应的生产路由规则选择, 并能实现单个路由点的手动控制。
(2) 车体调度。按照生产计划对车体进行调度, 使进入喷漆室的车体颜色保持最大限度的连续, 减少机器人喷涂, 降低色漆、喷涂漆换漆的溶剂损失, 以降低生产成本。
(3) 车体跟踪查询。PR&T系统能够对区域内所有的车辆进行实时跟踪, 报表系统会提供便于用户查询的人性化界面, 以查看当前过车状况和具体的车体信息等。
(4) 优化生产资源配置。通过对各个时段各种车型的生产情况的统计, 分析流程中的弱工序, 利用交错算法发出不同的车型需求, 有效地协调了后续生产, 实现了整个工艺过程的平衡, 减少了生产过程中的空位和堵车。
(5) 为设备维护提供有力的依据。系统通过对橇体进行跟踪和流转记录, 分析设定清洗橇体的循环次数等条件, 当满足设定的条件时, 机运系统会被PR&T系统调度, 将空橇流转至清洗站进行清洗。
2 生产路由跟踪 (PR&T) 系统的结构
生产路由系统通常由设备层、控制层和监控层组成, 包括集中控制和分散控制2种结构。PR&T系统没有独立的设备层和控制层设备, 将2个层的设备融入到车体识别系统和输送系统中, 采用工业以太网进行监控层与控制层的通讯连接[3]。
2.1 设备层
系统构架的最下层为设备层, 主要包括路由选择箱、数据采集设备、现场操作站等, 它是执行层, 使用现场总线进行通讯, 根据控制层运算程序的运算结果进行车体的传送。
2.2 控制层
系统构架的中间层为控制层, 主要包括输送系统的PLC控制柜和AVI, 通过控制层和工业以太网实现与CPU的通讯, 并根据PR&T提供的信号, 由控制层CPU执行相应的程序。
2.3 监控层
监控层是PR&T系统的核心, 位于系统构架的最上层, 一般放置在中央监控室内, 主要包括系统决策服务器、监控器、数据服务器、打印机、报表服务器及UPS等[4]。路由决策软件安装在决策服务器上, 可以采用VB、VC开发的可执行文件, 也可以利用脚本软件嵌入到组态软件中进行路由决策软件开发。数据库服务器上安装有SQL、Sever以及Orale等数据库软件, 它的主要作用是数据存储, 以提供生成报表所需的基础数据。报表服务器主要用于安装报表生成软件, 以生成报表内容, 如某车间的车体数量、某站的过车数量等。服务器将工业以太网与现场PLC控制器和系统监控机连接起来, 完成数据的采集, 并以画面或文本方式在监控机的显示器上显示出来, 实现车体监视、统计分析、数据存储、故障显示、用户管理、报表打印等一系列的功能。
3 路由控制方案
本文以中涂分色存储区为例, 讨论路由控制方案。
3.1 决策元素
PR&T系统主要提供自动和手动2种路由方式, 一般是基于车体或吊具的属性值、路由点的计数值、车体状态位、区域计数、车体颜色、轨道状态、PVI等元素及其组合自动决策路由。当PR&T系统的自动路由失效时, 用户可以根据系统服务器提供的界面进行手动指定路由。
3.2 数据流程
PR&T系统主要与机运系统和AVI系统进行数据库通信。机运系统将车体到位的信号提供给AVI系统, 再由AVI系统将具体的车体信息提供给PR&T系统, 最终由PR&T系统将解算出的路由道次信息发送给机运系统。根据机运的车体移位信号, PR&T系统对跟踪画面上的车体位置进行改变。
3.3 路由的设置和控制
3.3.1 设置步骤
在服务器或监控画面上完成路由的设置, 路由的规则设置界面由系统提供。用户在对路由规则进行设置时, 事先需要根据路由控制的决策元素编好路由规则程序的内容;在监控画面上用户对设置进行确认激活, 系统将确认后的设置上传到服务器中;服务器接收到AVI系统PLC发送的数据后, 根据路由规则进行路由决策;数据解算后的结果由服务器再发送给输送系统的PLC。
3.3.2 控制过程
PR&T系统接收到输送链的路由请求后, 再向它发送路由指令。通常, 只有当输送器满足以下条件时, 才会向调度系统发送请求:可以将2个以上的车辆移至相同的目标地址;目标车辆有2个以上不同的地址。
PR&T的调度系统将路由指令发送至输送链控制器。路由指令包括路由的源位置和目标位置, 源位置为指定车架所处的位置, 而目标位置为指定车架的传送终点。根据涂装生产的特点, 路由指令可以分为合并指令和分路指令两种。
合并指令:当位于多个源位置的车辆的目标位置有一个或多个时, PR&T系统将根据车间管理人员提出的演算规则, 决定输送系统的运行方式, 如将A道的车移送至C道。一般在分色存储区的出口使用合并指令, 以决定需要移至面漆喷漆室的车辆的道次。
分路指令:当被指定移送的车辆有2个以上的目标位置时, PR&T系统将根据车间管理人员按生产需求提出的演算规则, 为其决定合适的目标地址。通常在车体进入分色存储区进行颜色排序时使用分路指令。为实现颜色排序, 一般会要求相同颜色的车体进入同一道次。
4 结语
如今, 生产跟踪路由 (PR&T) 系统已不仅仅在涂装车间的分色存储区内使用。随着消费者对汽车车型要求的增高以及订单式生产方式的出现, 大多汽车整车工厂开始生产多种车型, 因此在总装车间车体分配中心和焊装车间缓冲存储区中PR&T系统也得到了普遍应用。在这些区域中, PR&T系统的硬件与涂料车间完全相同, 并且可以与涂料车间共用服务器等设备, 只是其路由规则的决策元素与涂料车间稍有不同。这样方便对没有使用PR&T系统的总装车间和焊接车间进行改造, 而且硬件投入较少, 能够极大地提高生产效率, 优化生产资源的配置。因此, 在汽车涂装生产线中应用生产路由跟踪系统有着十分重要的意义。
参考文献
[1]王海鹏.汽车涂装生产线车身识别系统的研究与开发[D].武汉:华中科技大学, 2007
[2]李钢, 安胜敏, 廖俊军.汽车涂装生产线的优化与仿真[J].工业工程, 2008 (6)
[3]刘明雨.汽车涂装生产线仿真技术的研究与应用[D].洛阳:河南科技大学, 2008
生产跟踪 篇4
目前,国内外针对车间生产调度问题的研究已经很多,从最初的整数规划、仿真到现今的神经网络、遗传算法等[2],但总体看来,大部分的算法都为制作数学模型而做了很多简化,并不适合实际应用的需要。本工装MES系统的生产调度和进度跟踪模块针对不同类型装配工装的车间生产调度而开发,并解决了生产进度及时跟踪的问题,模块的功能结构如图1所示。
1 新制与报废复制工装的生产调度
在公司所接收的订单中,有很大一部分是这两类订单。新制是加工新的工装产品,而报废复制则是对已报废的工装重新生产。因为它们都需要加工工装结构树中所有的物料,所以通常加工周期较长。一般情况下,装配工装生产过程包括了前期的机械加工和后期的产品装配,所以我们把这两类工装的生产调度分为机械加工生产调度和钳工协作生产调度两部分。
1.1 机械加工生产调度
它主要完成车、铣、铇、磨、镗等拥有机械加工设备的工段生产任务的调度派发,由于实际生产中每个人员固定对应一台加工设备,所以它又称为单人工序调度。机械加工的派工方式分为手动和自动两种。在手动派工模式下可以根据到料、设备及刀具等生产准备情况灵活的调配,因为实际生产中这些约束较多,所以通常调度效率也较低;自动调度选用了一种基于启发式规则[3]的调度算法,得到作业排序的近似优化解。
在自动调度中,我们以实现当前所有任务(工序级)最晚完工时间的最小化为目标函数,同时考虑设备上已有任务、工序前后顺序及订单交货期等约束条件,最终保证工装在系统中通过的平均时间尽可能短、拖期的订单尽可能少,并尽量提高设备的利用率。算法中选用的调度规则包括设备最早空闲、工装优先级及相对宽松时间,具体步骤如下:
步骤1:根据工装的优先级,对需加工的物料进行排序,优先级高的排在前面。对于优先级相同的工装,则计算订单的紧迫系数[紧迫系数=工装生产时间/(交货期-当前时间)],紧迫系数大的排在前面。在同一工装中,不同物料则按照MBOM(manufacturing BOM,即将产品结构中相同的物料合并到高层次后得到的制造物料清单)的层次进行排序,层次高的排在前面。
步骤2:在完成排序的物料队列中,选择首个物料的首道工序,找出其对应的工作中心(由多台加工类型相同的设备组成)。在工作中心中,找出其上已有任务最早完工(即最早空闲)的设备,将其已有任务的完工时间作为当前工序的开工时间。
步骤3:从工艺路线中找出当前物料这道工序的准备、加工及检验时间,算出其总耗时(工序工时=准备时间+加工时间+检验时间)。再从MBOM中找出当前物料的加工数量,得到这道工序的完工时间(完工时间=开工时间+工序工时×加工数量)。
步骤4:选择物料队列中剩余物料的首道工序,重复步骤2和3,确定剩余物料首道工序的计划开完工时间及加工设备,更新数据库。
步骤5:选择物料队列中首个物料的第二道工序,找出其对应的工作中心中已有任务最早完工的设备,并将其完工时间与当前物料首道工序的完工时间比较,取其中的较大者作为第二道工序的开工时间。
步骤6:重复步骤3,获得第二道工序的完工时间。
步骤7:选择物料队列中剩余物料的第二道工序,重复步骤5和6,确定剩余物料第二道工序的计划开完工时间及所使用的加工设备。
步骤8:依次选择物料队列的下一道工序,重复步骤5,6和7,确定所有物料的剩余工序的计划开完工时间及加工设备,直到所有物料所有工序分派完毕,算法结束。
在算法执行前,系统依照订单交货期运用倒排法进行过初始加工能力计算,得到每个物料每道工序的最晚完工时间。在算法执行过程中,如果某道工序分派的计划完工时间晚于其最晚完工时间,系统则会给出工装可能延期的警告,同时建议提高工装的优先级或安排加班。另外,需要注意的是,自动调度的算法并未考虑到料、设备等制造资源的约束,可根据实际情况对自动调度的结果进行手动调整。
1.2 钳工协作生产调度
钳工工序通常处于机加工序的后面,用以对已完工的零件进行装配。与机械加工每个人负责一个任务不同的是,钳工加工通常一个任务需要多个人协调完成。由于其灵活性,我们不对钳工任务的计划调度设置过多的约束,工段长可根据现场情况及工作经验对所属任务灵活地进行分派,并可自由设置每个任务的计划开完工时间。一般情况下,钳工的计划调度以机加为约束条件,在满足机加生产调度的基础上再进行任务分派。
2 返修与定检工装的生产调度
在工装实际生产过程中,返修与定检型工装的生产也是其重要组成部分。返修就是对工装使用过程中损坏的部分重新生产,使其尽快恢复使用;定检则是对工装中的易损件定期检验,重新生产并替换其中的一部分。这两类工装有一共同点,就是它们都是选择性地加工MBOM中的一小部分物料,而其余的大部分物料则无需加工,所以它们的加工周期一般较短。针对这些工装生产,提出了按零件派工、直接完工上报及临时外协等处理模式。
2.1 按零件派工
由于返修和定检型工装的生产只涉及其结构树中的一小部分,所以它们可能只做所需加工物料的零件计划,而不像新制型工装那样制定所有物料详细的工序计划。而按零件派工就是将零件分派给首道工序的工作中心,它无需详细的工序计划,所以也不必像普通派工那样对零件的每道工序进行派工,从而也实现生产任务的快速下达。在分派过程中,对一些MES系统内无工艺路线的信息的工装,需手动填写派工参数。执行按零件派工的生产任务通常将其优先级设为最高级,所有设备都优先安排加工,从而保证这两类工装能尽快恢复使用。生产过程中若有多个零件在同台加工设备上产生冲突,则按照先进先出的原则,优先加工先接收到的生产任务。
2.2 直接完工上报
直接完工上报主要用于那些未在MES系统中制定生产计划的返修或定检型工装,这些任务通常加工时间紧迫,为了让管理部门实时了解这类任务的加工现场及任务进度情况,根据现场信息及时反馈的原则,提出了直接完工上报的模式。它既可用于紧急任务的及时上报,又可在系统上游流程堵塞的情况下,维持系统下有流程的正常运行,这也大大增强了系统的容错性。同按零件派工的完工上报类似,直接完工上报对MES系统内有/无工艺路线信息的物料均可进行完工上报,不同的是,直接完工上报不必在系统中记录任务的下发过程(即派工记录)。由于它直接从工装的MBOM中选取需上报的物料进行操作,所以无需像已派工的物料那样检索派工记录。
2.3 临时外协
在生产过程中,由于公司生产能力、技术水平和成本等原因,会出现生产任务交由公司外的生产商协作完成的情况,此为外协。在工装MES系统中,把在物料基本属性或工艺路线中确定的外协称为计划外协;由于紧急任务的突然插入导致生产能的不足而产生的外协称为临时外协,临时外协的提出使得在不影响普通任务的生产进度的同时保证了紧急任务的优先完成。
在工装MES系统中,按零件派工、直接完工上报及临时外协除了用以返修与定检型工装处理外,还可处理一些结构简单或工艺单一的紧急任务,包括新制及报废复制型工装。通常情况下,如果这些紧急任务在MES系统中按部就班地编制生产计划和进行派工,不仅影响效率,而且也没有这个不要。另外,系统支持同一工装下不同物料选择不同的处理模式,但在处理过程中需注意系统各模式间相互关系的协调。在系统中,进行机加或钳工调度派工的前提是当前物料必须已下达了工序级生产计划,而某一物料若已做机加或钳工任一形式的调度派工,则不可再按零件派工;若已选择了机加、钳工和零件派工中的任意一种,系统为了约束其各自流程的完整性,限制它们不可再做直接完工上报。另外,系统还根据实际情况约定:未派工或已派工的物料或工序均可提出临时外协,而已完工上报的则不可提出外协,已外协的物料或工序不可再进行派工或报完工,其相互关系如图2所示。
3 现场信息反馈
车间生产现场信息的反馈主要是通过完工上报实现的[4]。通常情况下,工段长将已完工的各个任务中合格品/报废品数量、完工时间、实作工时等完工信息填写后上报,根据工段长反馈的完工信息,相关部门可通过系统提供的工装进度查询或工装配套查询等功能模块对生产情况进行跟踪了解,并根据其完成情况对下达的任务进行合理调度。
3.1 完工上报的技术特点
在实际生产过程中,常常会出现这样一种情况:有些工序虽已加工完成,却未及时上报,从而使管理调度人员通过系统了解的情况与实际生产情况不符,导致他们可能做出错误的决定。为了尽量避免这种情况发生,在本系统的各完工上报模块中,设置了一些独特的状态修改功能,主要包括:1)一道工序报完工时,将其前面所有工序均设置为已完工;2)一个组件(由多个零件装配而成)已开工(至少已有一道工序已完工)时,将其所有子物料设置为已完工;3)一套工装(MBOM结构树中最顶层物料)已开工时,将其所有子物料均设置为已完工。这样,如果某物料一道工序完工后忘记上报,其后续工序的上报会将其状态及时的更新;若某个子物料未及时完工上报,其父物料的开工则会将其状态及时更新。这种由后续物料及工序的完工上报来实现前面状态更新,我们称之为后推式状态修改。完工上报一般流程如图3所示。
同样,针对外协物料或工序的接收,也进行了这样的设置,外协工序的接收相当于普通加工工序的完工,相关状态的修改也遵守上述3条原则。这种形式的状态修改允许部分已完工或已接收的物料或工序延时上报,并对这部分情况通过后续物料或工序的上报进行修正,从而最大限度地保证了实际生产情况能够在系统中得到及时准确的反映。对于那些未及时上报的工序,系统支持它们完工信息的补报,同时不会影响系统中已有的各项状态。
3.2 生产进度跟踪查询
生产进度跟踪查询主要根据完工上报的结果,对任务进度进行跟踪。根据需要不同,进度查询又分为机型的工装进度查询、工装的零件进度查询及零件的工序进度查询等。由机型到工装,由零件到工序,可以让管理人员可以清楚地了解到当前工装已加工到哪道工序及每道工序的完成品质(合格品/报废品数量,耗时等)如何。由于完工上报的合理设置,进度跟踪及时准确地反映了生产现场的情况,从而为生产任务的合理调整提供了重要依据。
4 应用实例
在为某航空制造企业开发的工装MES系统中,生产调度和进度跟踪模块就使用了本文所述的方法和理念,实现了不同类型工装生产过程中车间生产调度的优化,并成功解决了紧急任务的快速下达及生产进度的实时跟踪等问题。工装MES系统机械加工生产调度界面如图4所示,生产进度跟踪界面如图5所示。本系统已在某航空制造企业得到初步应用。
5 结论
制造执行系统实质是车间级的计算机辅助生产管理控制系统[5],而其中的生产调度和进度跟踪模块是保证其实现车间层控制的重要环节,它是整个系统实现对现场管理控制的关键。针对几种不同类型的装配工装的生产,提出了不同的调度模式及具体的实现方法,并为紧急任务的快速处理提供了解决方案,同时研究了完工上报的技术特点,成功地解决了在现场部分工序上报滞后的情况下,
生产进度跟踪内部状态的自动修正问题。
参考文献
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[4]MESA International.Coin trots definition&MES to control dataflowpossibilities[D].MESA International White Paper.1997:3.
生产跟踪 篇5
在炼钢厂连铸机生产过程中,铸流跟踪模块是该自动控制系统关键的控制部分,有着举足轻重的作用。铸流跟踪模块可在生产中对送引锭模式和浇铸模式及尾坯处理模式进行全自动、全过程的跟踪控制。铸流跟踪模块自动跟踪铸坯的长度和位置,铸坯到达冷却段时,由二次冷却系统对铸坯进行水/气的混合冷却。在生产中,工作人员只需通过监控画面对生产过程进行在线监控,而无须进行任何手动操作,从而大大降低了劳动强度,减少了人为操作失误,提高了浇铸的节奏,并可及时、准确的掌握生产的状况。
2 跟踪模块实现的功能
在连铸机生产中,铸流跟踪模块主要实现以下几个重要的功能:浇铸之前的自动送引锭行程跟踪;自动浇铸生产行程跟踪;尾坯处理行程跟踪;将位置跟踪信息反馈至拉矫机控制程序、二冷水控制程序,实现自动送引锭和二冷段的自动配水;通过跟踪系统还能够计算出铸坯的长度,并将此信号送到火焰切割自动控制系统,进行铸坯的定尺切割。
2.1 自动送引锭跟踪行程
在炼钢厂调度下达生产命令后,连铸机主控室操作人员在监控画面上选择自动送引锭模式,拉剪室操作人员接收到送引锭命令后发出自动送引锭指令,铸流跟踪模块接收到信息后,计算出引锭杆的位置。当引锭杆在传输辊道的带动下,经过4#、3#、2#、1#拉矫辊时,拉矫辊依次抬起并以高压压下,当引锭杆到达结晶器下方700mm时,拉矫机自动停止,然后转为悬臂操作箱点动操作,操作人员在悬臂操作箱点动操作,将引锭杆调整到需要的位置,至此完成自动送引锭跟踪过程(如图1所示)。操作人员可以在主控室监控到引锭杆头在连铸机中的位置,拉矫辊的自动换压过程及状态。
2.2 浇铸跟踪行程
当浇铸条件具备后,连铸机主控室操作人员在监控画面上选择自动浇铸模式,并在操作台上启动浇铸按钮。铸硫跟踪模块接收到浇铸开始命令后,4个拉矫机进行正转,计算出引锭杆的位置,当跟踪钢坯头到达矫直区时,依次经过1#、2#、3#、4#拉矫辊时,1#、2#、3#、4#拉矫辊自动抬起,然后以低压压下,拉矫机依次进行换压操作实现自动换压;当该模块跟踪到脱引锭位时,自动进行脱引锭操作,引锭杆自动与钢坯进行脱离;当钢坯到达切头位之后,由火焰切割系统自动进行切割,然后进行正常的生产(如图2所示)。在整个浇铸过程中,操作人员可以在监控画面上进行全程监控,可以准确的判定铸坯的位置,铸坯的长度,拉矫辊的状态等。
2.3 尾坯处理跟踪行程
炼钢厂调度下达停止生产命令后,连铸机主控室操作人员在监控画面上选择尾坯处理模式。铸硫跟踪模块接收到浇铸结束命令后,根据累计的编码器计数值,计算出尾坯的长度并确定尾坯的位置。在此过程中,结晶器水和二冷七段水依次自动关闭,当尾坯到达拉矫滚的位置时,拉矫辊自动抬起。当尾坯到达出坯辊道后,进行相应的处理。至此,整个连铸机生产过程结束(如图3所示)。在此过程中,操作人员可以在监控画面上监控坯尾的位置、长度,拉矫辊的状态等。
2.4 自动配水
该连铸机配水系统分为结晶器冷却水和二次冷却水两大部分,结晶器冷却为全水冷却,分为宽窄两个回路,水量不同;二次冷却水分四段进行配水控制,即足辊段、Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段,分为七个回路。其中足辊段为全水冷,单一回路。其他三段为水汽喷雾冷却,依据内外弧和窄边分为六个回路。开始浇铸时,通过铸流跟踪模块计算出引锭杆尾的位置,当钢坯头经过二冷段时,依次打开各段的二冷水,开始二冷段的自动配水;尾坯处理模式时,铸流跟踪模块计算出坯尾的位置,当钢坯尾退出二冷段时,依次关闭各段的二冷水,停止二冷段的自动配水。
2.5自动测长功能
在正常浇铸过程中,铸流跟踪模块还利用编码器的脉冲信号实现钢坯的自动测长功能。铸流跟踪模块根据累计的编码器计数值,计算出拉出的铸坯的长度和尾坯的长度,并将该信号传送至火焰切割自动控制系统,进行铸坯的定尺切割。在该连铸机的3#拉矫机转轴上各安装有一只光电编码器用于铸坯的测长。其控制原理如下:光电编码器发出脉冲信号至PLC,PLC再将接收到的总脉冲数换算成相应的铸坯长度,具体换算公式如下:
实际铸坯长度undefined
(A:光电编码器每旋转一周所发出的脉冲数,R:测量辊或拉矫辊的半径)
当切枪开始进行铸坯切割时,PLC自动将计算结果清零再重新开始进行下一根铸坯长度的测量计算。
3 功能的实现
3.1 编码器数据的采集
铸流跟踪模块功能的实现是在该连铸机自动控制系统的基础上实现的。该自动控制分别选用4套美国AB 公司PLC5/40E作为主控制器、以工业以太网以及DH+网作为控制网络。PLC编程软件选用美国AB公司专用软件RSLOGIX5,监控软件选用AB公司专用软件RSVIEW32,通讯软件选用AB公司专用软件RSLINX。 PLC根据A-B增量型编码器(安装于3#拉矫机上,1024脉冲/圈)发送至高速计数模板1771-VHSC的脉冲数,由处理器用块传送指令BTR将数据读回,完成铸流系统自动跟踪功能(如图4所示)。
3.2 编码器数据的处理
自高速计数模板1771-VHSC读回的数据放在两个整数文件中,这两个整数文件分别存放高位数和低位数,每满1000个脉冲在高位数整数文件中加1,不足1000个的数据存放在低位数整数文件中。
根据读回的数据可以计算出编码器的脉冲计数,将编码器的脉冲计数存放在记录编码器数据的“当前数据”中,当再次读取数据的时候,将上次的“当前数据”存入到“历史数据”,而将本次读取的数据再次存放在记录编码器数据的“当前数据”中,依次类推。这样根据“当前数据”和“历史数据”的差值就可以计算出编码器计数的变化值。从而可以计算出编码器的跳变值累计值,根据编码器的跳变值累计值可以计算出引锭杆移动的距离以及坯头坯尾的位置。
3.3 自动送引锭跟踪行程的实现
在自动送引锭跟踪行程中,将编码器的跳变累计值存放在数据寄存器F508:40,因为编码器的送引锭杆的时候计数是反向的,所以编码器的跳变值累计在送引锭的时候是负值,计算出的编码器的跳变值累计也是负值。用总的距离值加上引锭杆移动的距离就是当前引锭杆头的位置。(将程序中用到的记录编码器数据的“当前数据”和“历史数据”在程序一开始上电的时候进行清零。)
浇铸跟踪行程、尾坯处理跟踪行程原理同上。
3.4 自动测长功能的实现
在跟踪模块中,根据编码器的数值可以计算出实际的铸坯的长度,为现场的生产提供准确的数据。实际铸坯长度的计算如下:
实际铸坯长度 = N/x
注:N: PLC接收到的总脉冲数,x:拉矫辊每转动一毫米(mm)所产生的脉冲数(CTS)
X=340.617(CTS/mm)(其计算如图5所示)
当测量值等于定尺长度时,切割枪将进行切割。当切割枪开始进行铸坯切割时,自动控制系统将计算结果清零再重新开始进行下一根铸坯长度的测量计算。
4 跟踪模块的显示
连铸机铸流跟踪模块可以在监控画面进行相关的显示,在自动送引锭和开始浇铸时在监控画面显示引锭杆的位置和铸坯的位置,并显示铸坯的长度和根数,在尾坯处理模式显示尾坯的位置。操作人员还可以根据监控画面的显示进行相应的操作,或判断跟踪系统中哪些设备出现故障,以便及时进行检修。监控画面还对重要的参数进行实时和历史趋势记录,操作人员和技术人员可以方便的进行查阅。(如图6所示)
5 结束语
铸流跟踪模块应用于连铸机生产以来运行十分稳定,操作简单方便,能够对现场生产设备进行有效的控制,提高了铸坯的产量和质量,促进了生产的发展,有着明显的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]王其瑞,王全生.《PLC-5编程软件指令集》.北京:冶金部自动化研究院A-B技术服务中心,1993,181-197页.
星载光电跟踪系统跟踪精度分析 篇6
关键词：星载平台,跟踪精度,跟踪误差,稳定跟踪
跟踪精度作为系统重要性能之一能够最直接地反映系统总体跟踪性能。影响星载光电跟踪系统跟踪精度的主要因素有卫星的振动、摄动及旋转、星载系统工作状态、机械结构及参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等。其中,参照系采取星载坐标系,其误差由实际工作情况决定。轨道预测误差由探测识别系统等星载前续系统给出的数据决定。背景光噪声影响主要来自太阳、悬浮粒子、尘埃及能对光产生反射和散射的星体等[1,2,3]。由于系统的工作状态及自身对跟踪精度都有影响,所以在工程应用中,需要根据实际情况分析影响跟踪精度的主要因素,并有针对性地提出提高系统跟踪精度的方法,满足系统指标的要求。
1 星载光电跟踪系统跟踪精度
1.1 星载光电跟踪系统跟踪误差的主要来源
对星载光电跟踪系统来说,从光电探测器开始敏感外界信号到伺服控制器收到脱靶量信息要有一定的延迟时间,其中包括探测器的积分延迟、信号处理延迟和通讯传输延迟等。在探测系统中,由于图像处理器与主控制器之间,主控制器与伺服控制系统之间均通过总线进行信息传输,这都增加了伺服控制器收到脱靶量的延迟时间。长延迟的存在对跟踪系统的带宽、跟踪精度等造成严重的影响。因此,分析跟踪误差的主要来源,建立星载光电跟踪系统的稳定跟踪技术对于提高系统的跟踪性能有着重要的意义。
图1为普通跟踪系统的主要跟踪误差源,总的跟踪误差包括静态偏置误差和动态随机误差[4]。
根据以上对跟踪误差主要误差源的分析,结合星载光电跟踪系统的组成和工作模式,列举星载光电跟踪系统的跟踪误差的主要来源:
(1)动态跟踪滞后误差;
(2)光电图像传感器误差;
(3)角度位置传感器光电码盘误差;
(4)图像定位算法误差;
(5)卫星平台振动误差;
(6)其他误差。
1.2 影响跟踪精度的因素分析
1.2.1 动态跟踪滞后误差
动态滞后是由于目标运动引起的一项误差,是控制器延时、D/A转换延时、执行机构响应速度等这些原因造成的。在跟瞄伺服系统达到稳定状态时,系统输入与对应的稳态输出之间的差便是动态跟踪滞后误差ε(t):
1.2.2 光电图像传感器误差
光电图像传感器误差是由光电探测器噪声引入误差、光电探测器不均匀性引入误差和空间量化误差所组成。
(1)光电探测器噪声误差是各项误差源中最主要的误差源,它的噪声包括信号和背景的散弹噪声、暗电流、读出噪声等。工程上对这些噪声的综合影响给出一个噪声等效角σNEA:
其中:S为信号,Δt为曝光时间,N为质心窗口半宽,Np为质心窗口像素目,Np=(2N+1)2,RF为单个像素lσ固定噪声,RT为单个像素上的背景信号(包括杂散光和暗电流),则光电探测器器件噪声功率谱密度为:
fs为光电探测器件采样频率,则由光电探测器件噪声引起的跟踪误差为:
(2)光电探测器不均匀性是单个像素的光电响应属性,这是由探测器制作过程中搀杂浓度的不均匀、淀积厚度的差异以及光刻误差等造成的。
(3)空间量化误差是由于有限的探测器像元尺寸造成的,它是光束形状、像元尺寸和光斑质心窗口尺寸的函数。间量化引入的误差通常变化比较慢,其大小由光斑的亚像素位置决定。通常,光斑质心窗口应当取大一些,以减小由于图像截断导致的空间量化误差,但质心窗口尺寸增大同样会接收更多的噪声,导致噪声等效角σNEA增大。因此,在两种误差控制上需要折衷。
1.2.3 角度位置传感器光电码盘误差
光电码盘是一种数字式角度传感器,它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。影响光电码盘精度的主要因素有:码盘的刻划误差、主轴系的回转精度、码盘的安装偏心、狭缝的刻划误差和狭缝的装配误差。光电码盘角度编码器的量化误差对跟踪精度影响最大。
对于用光电码盘进行转角位置的检测,传统方法是检测码盘输出脉冲数来计算角位移。光电码盘系统总的误差可由下式合成:
其中:σ为光电码盘均方根精度,ε为光电码盘编码器精度,ξ为精密弹性联轴器传动精度,γ为编码器转换电路精度。
1.2.4 图像定位算法误差
图像定位算法一般采用质心定位、形心定位、峰值定位、边缘定位等常用算法。当目标的形状和预测精度一定时,对目标估计精度影响最大的因素就是目标窗口的中心位置。误差对窗口中心位置非常敏感,因为误差的均值直接正比于xt-xc,xt为目标的实际位置,xc为目标窗口的中心坐标。由图像定位算法引起的误差可以写为:
其中,k与背景和目标像素之比即目标误判概率有关。
1.2.5 卫星平台振动误差
卫星轨道产生的不均匀引力、太阳的辐射压力或空间站内部的一些操作都有可能引起卫星平台的振动。在星载光电跟踪系统中,平台的振动造成的角振幅干扰可能显著地影响系统的总跟瞄误差的值,因而需要采取抑制措施。目前的卫星平台一般采用振动隔离或者是设计具有优良扰动抑制能力精跟踪系统来抑制卫星振动,所以在经过抑制卫星振动后产生的卫星平台振动误差几乎可以忽略不计。
1.2.6 其他误差
其他误差如电源波动、温度变化引入的随机噪声,系统调试校准误差等。
由于星载系统自身特点,跟踪精度可以用视轴稳定误差来表示。再根据星载空间环境特殊性,量化的跟踪误差主要由光电传感器NEA、控制系统机械误差及动态滞后误差决定。总跟踪精度为:
其中:σ为总跟踪精度,σ1,σ2,…,σn为各因素引起的误差。
2 计算跟踪精度及提高跟踪精度的方法
实例:某星载光电跟踪系统,跟踪精度要求60″。根据实际情况,列出对本系统影响较大的跟踪误差:
系统采用的光电码盘的精度是16位20″,假设光电码是线性变化的,则运用光电码盘对探测器满程定标的误差大约是σ1=10″;
跟踪相机的帧频为60Hz,则一帧的时间是16 ms。系统伺服响应时间为10 ms,所以系统总响应时间为26 ms。目标的运动速度为1°/s,由于一帧的滞后引起的误差为σ2=26 ms×1°×3 600=93.6″;
由形心算法计算得到的误差为:;
跟踪相机探测器面阵大小为1 024×1 024,光敏元大小为12μm×12μm,所对应的视场大小为2°×2°,由它引起的误差最大为0.5个像元点,即误差为;
这样,跟踪精度为σ=σ12+σ22+σ32+σ42,计算得σ=94.2″。
为保证系统的可靠跟踪和精度测量,可采用以下技术途径来提高系统的跟踪精度:
2.1 改善伺服控制系统的性能
提高伺服响应速度,减小响应时间,提高跟踪系统的带宽,减小系统响应的动态误差。
2.2 提高探测帧频
本系统的相机采用了窗口读出模式,在目标位置初步判定后,可设置一个局部图像窗口,视频读出数据率不变,帧频可提高,脱靶量检测频率也同样可提高。这对伺服控制系统的响应性能有更高的要求。
2.3 采取稳定跟踪技术
星载光电跟踪系统依靠传感器提供运动目标信息,捕获并稳定跟踪目标。由于图像传感器系统在提取目标时需要一定的处理时间,控制系统得到的运动目标的信息都有一定的滞后,在跟踪快速运动目标时,该滞后量必然成为影响控制系统的稳定性和跟踪精度的主要因素。预测滤波算法就是根据在前面的目标信息以及目标信息的滞后量已知的情况下,预推出当前目标信息,克服目标信息的滞后量对控制系统的影响。
常用的数据滤波方法有有限记忆最小平方滤波、α-β-γ滤波、Kalman滤波和综合预测器,这些滤波方法有他们各自的优势和适用场合。
(1)有限记忆最小平方滤波是用靠近现在时刻的N个带有随机噪声的测量数据,估计现在时刻或预测未来时刻目标运动参数,并使估值或预测的均方误差最小。此方法虽然简单,但精度有限,记忆点数多,当目标机动性加强时,滤波器不能及时反应,致使系统误差加大。
(2)α-β-γ滤波即常增益最优递推滤波。滤波效果优于有限记忆滤波,并且不太复杂,但是精度有限,适用中等精度系统和计算速度有限时应用。
(3)Kalman滤波精度高,高精度跟踪采用的滤波算法主要以Kalman滤波器为主要技术。但是Kalman滤波计算量大,实时性差,而且容错能力不够好,对它的适用范围也有了一定的限制。
(4)综合预测器是在某一次预测算法所涉及的范围内,目标的运动可看作直线运动和曲线运动的某种组合,因此可以用多种预测结果的综合作为最终的预测值。
3 结语
根据以上实例可以看出,在星载光电跟踪系统中,对跟踪精度影响最大的是动态滞后误差和伺服系统的响应延时。在对系统的跟踪精度进行分析之后,采用了改善伺服控制系统的性能、提高探测帧频和启用综合滤波器等切合工程实际应用的方法来提高系统的跟踪精度。经过以上的改善,系统的跟踪精度达到了60″,满足了系统跟踪精度指标的要求。
本文在理论分析的基础上,对实际系统的跟踪精度做了定量分析。可以看出,确定并提高系统跟踪性能既要考虑实际系统的工作环境特殊性,又要考虑技术实现的可能性,合理的分析和设计对实现良好的光电跟踪设备总体性能是非常重要的。
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基于强跟踪滤波器的视频跟踪方法 篇7
对活动目标进行跟踪是计算机视觉领域一个非常重要的研究方向,目标跟踪的实质就是对目标状态的估计、预测和滤波,广泛应用于视频监控系统、飞行控制系统及来袭目标检测等领域。大多数情况下,对匀速运动目标要求具有良好的跟踪能力,同时也要求对复杂环境和机动目标也要有较强的跟踪能力。
早期的视频跟踪系统中,运用经典卡尔曼滤波器(Kalman Filter,KF)即无偏最小方差估计,可以得到较好的跟踪效果。然而,KF关于模型和噪声统计特性不确定性的鲁棒性比较差,当视频图像序列中的运动目标发生突变时,KF进行跟踪可能会出现运动目标丢失现象,导致滤波误差增大、跟踪性能下降。为此,笔者提出将强跟踪滤波器应用于匀速运动目标和机动性目标的跟踪,并对其进行仿真。
1 KFKF是一种状态预测估计算法,假设一个运动系统的状态方程为:
(1)
采用KF跟踪其运动轨迹的方法可推导为:
式(1)所示的数学模型具有很大的不确定性,其原因主要是:模型过于简化,系统噪声的统计特性不是很准确以及对现实系统初始状态的统计特性的建模较粗糙以及现实系统的参数随时间发生变动等。KF对于模型不确定性的鲁棒性很差,导致状态预测估计不准,甚至出现错误发散。因此,KF只适用于符合高斯、线性化的情况。因此又推出了扩展KF。
扩展KF的原理是,当系统达到平稳状态时,系统会丧失对突变状态的跟踪能力,这制约了扩展KF(也包括KF)在视频目标中的跟踪应用。究其原因,是由于系统达到平稳状态时,扩展KF的增益矩阵K(k+1)将趋于极小,如果此时系统状态发生突变,预报残差γ(k+1)将随突变增大,但其增益矩阵K(k+1)仍将保持为极小值。因此,从式(2)推导出的扩展KF将丧失对突变状态的跟踪能力。为此,可以认为扩展KF是一种非闭环滤波器,原因是这种类型的滤波器的K(k+1)不会随着滤波效果自适应地进行改变,以确保始终保持系统状态的准确跟踪能力。这一现象在线性定常随机系统中更为突出。此时,只需用普通KF(或扩展KF)进行状态预测估计。而KF的增益矩阵可以根据线性系统的参数阵(A,B,C)离线计算,然后存储在计算机内存中被在线应用,这时如果系统状态发生突变,滤波器的增益矩阵不会随之改变(事先存好的静态变量),因此KF也就丧失了对突然变化状态的跟综能力,故扩展KF也是一种非闭环滤波器。
2 强跟踪滤波器
如果一个滤波器与通常的滤波器相比满足:很好的关于模型不确定性的鲁棒性;极强的关于突变状态的跟踪能力,即使在系统达平稳状态时仍保持对缓慢变化状态与突变状态的跟踪能力;合适的计算复杂性。那么就可以确定该滤波器为强跟踪滤波器(Strong Tracking Filter,STF)。前两个条件就是为了解决扩展类KF的两大问题提出来的,最后一个条件则是为了保证STF的实际应用。
由式(1)确定的一类系统的STF方程应具有下述的一般结构:
现在需要解决的难题是,要实时在线地确定时变增益矩阵K(k+1)以使此滤波器满足STF的所有条件。为此,提出正交性原理,即为了使滤波器(2)为STF的一个充分条件是在线选择一个适当的实时变化的增益矩阵K(k+1),使得:
j=1,2,… (4)
条件(4)要求在不同时刻的残差序列处处相互正交。条件(3)本来就是原扩展类KF的性能指标。
现说明此正交性原理的一个例子:已经证明,当参考模型与实际系统完全匹配时,KF输出的残差序列是一系列的非自相关的高斯白噪声序列。所以,式(3)是满足的。而式(4)本来就是KF的性能指标,因此也是满足的。
由于所建模型不确定性的影响,使得滤波器的状态估计值在偏离系统状态时,一定会在输出的残差序列的均值和幅值上表现出来。在这时,如果在线实时地调整增益矩阵,强迫式(4)仍然成立,造成残差序列仍然保持相互正交,就可以强迫STF保持对实际系统状态的跟踪。
正交性原理拥有很强的物理意义,它说明当存在模型的不确定性时,应在线实时调整增益矩阵K(k+1),迫使输出的残差序列始终保持具有类似高斯白噪声的性质。这也说明已经将输出的残差序列中的所有有效信息都提取出来了。
在不存在所建模型的不确定性时,STF按照正常情况运行,式(4)已经满足,起不到调节作用。此时STF就演化为一般的基于性能指标(3)的扩展类KF。
这类正交性原理的核心是式(4)和当用其他的性能指标取代式(3)后,就能够得到另外一些变了形的类似的正交性原理。所以,当在原先的滤波器上额外加上条件(4)后,就可以改变原先的滤波器,使得其满足STF的所有条件。
对于非线性时变系统,在实际中应用该正交性原理时,式(3)、(4)非常难精确地满足。这时要使其近似满足即可,以便减少计算量,使强跟踪滤波器能够实时在线进行视频跟踪。
3 仿真
为了验证上述算法的有效性,进行仿真分析。试验用的处理器为主频3.00GHz Intel(R)E8400 CPU,内存为2GHz的PC机;所有算法由Matlab 7.1编程实现。
由运动模型产生的数据进行仿真分析,能够更好地看出跟踪效果并进行分析。
图1、2是分别使用KF和STF在不同情况下的仿真结果。
由图1b、c可以看出,在目标运动变化较缓慢时,KF和STF对目标的跟踪效果没有太大的差别。由图2b、c可以看出,在观测数据受到严重污染、干扰和目标大机动运动时,STF的跟踪效果明显好于KF的跟踪效果,在实际的目标跟踪中具有很强的优势。在目标发生大的机动变化时,STF仍然具有较好的目标跟踪能力,这就是STF具有而KF或扩展类KF所不具有的优点。其中STF的卡尔曼增益矩阵在运算时,当系统出现大的机动变化时取无穷大,以便对运动系统的大变化情况进行跟踪,之后KF的卡尔曼增益又恢复到极小值。
4 结束语
仿真结果表明,强跟踪滤波器在目标跟踪应用中比卡尔曼滤波器具有较强的鲁棒性和对噪声信号的适应性,能够更好地解决卡尔曼滤波器和扩展类卡尔曼滤波器所遇到的问题。
摘要：针对早期卡尔曼滤波在视频跟踪中的应用情况及其存在的缺陷,将强跟踪滤波器用于匀速运动目标和机动性目标的跟踪。仿真结果表明:在一定条件下,强跟踪滤波器具有较强的抗干扰能力和跟踪性能。