RTLS在智慧工廠中的應用模式研究

劉亞

（晉中信息學院，山西 晉中 030600）

0 引言

隨著工業4.0時代的到來，制造業得到了快速的發展，逐步由傳統的制造業向智能制造轉變，客戶需求也從標準化需求向定制化需求轉變，這對于制造產線的柔性、質量和效率都提出了更高的要求和挑戰。為了應對這些挑戰，許多工廠在生產現場安裝了大量的數字化組件和設備以達到靈活自組織的生產方式以及快捷生產的目的，這些組件和設備能夠幫助工廠在復雜的工業環境中提供更好的現場服務，提高加工效率，向智慧工廠轉變，但隨之而來的問題是如何高效地組織和管理這些組件和設備，因此，對于這些組件和設備的實時追蹤變得越來越重要[1-2]。由此可以看出，工業制造現場的RTLS將成為真正實現智能制造的關鍵技術之一。首先，RTLS可以幫助工廠改善生產過程和整個物流，使全范圍、全過程實現數據可視化，提高時效性，降低生產過程中出錯的概率；其次，通過RTLS可以判斷工廠生產現場所有的人、物、設備的位置，有助于工廠提高生產過程中調度的效率，提高生產方式的靈活度和快捷性[3]。RTLS目前已有多種不同的定位技術被廣泛商用在其他細分領域，但其在復雜的工業生產現場中的應用還尚未完全成熟，有必要針對RTLS在智慧工廠中的應用模式展開研究。

1 RTLS簡介及其重要性分析

1.1 RTLS簡介

RTLS是一種基于無線電信號的實時定位系統，根據定位實現方式可以分為主動式定位和被動式定位，其中基于到達角度的定位系統、基于到達時間差的定位系統、基于近場電磁測距的定位系統等都屬于主動式定位，而基于WIFI信號強度的定位系統、基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的定位系統等都屬于被動式定位系統，前者定位精度高，不易受干擾，但成本較高，后者定位精度相對較低，也更容易受到干擾，但實現方式簡單，且成本較低。隨著多年的技術積累與發展，RTLS的定位精度、覆蓋范圍、時延等參數指標得到了不斷的優化，相關產業和生態體系也逐漸成熟，尤其是在汽車、智能終端等行業中[4]。相關統計數據表明，RTLS的全球市場規模預計會在2022年達到63億美元。對于工廠制造現場而言，由于應用場景為室內，多采用被動式定位技術，可以根據不同的應用場景情況和指標需求選擇不同的定位技術。

1.2 RTLS的重要性分析

RTLS可以幫助工廠實時追蹤生產制造現場的人、物和生產設備，幫助管理人員實時掌握生產車間的狀態，尤其是在多數字化設備的智慧工廠中，其重要性不言而喻，主要體現在以下幾個方面：

（1）提升經濟效益，倉儲物流、離散制造過程中對于人員與設備的實時定位管理等；（2）降低安全事故風險，危險區域、險情預警與災后援救等；（3）為精細化管理提供技術保障，人員軌跡管理、資產定位管理、廠內物料追蹤、電子圍欄等；（4）車間數字化、透明化，廠內智能物料箱、AGV、移動機器人的自動導引等。

2 RTLS在智慧工廠中的應用模式

RTLS在智慧工廠生產現場的應用模式可以概括為基于簡單三層網絡結構的彈性可擴展定位系統，可以為工廠提供定制化的實時定位服務和組件，具體由基礎硬件層、定位管理層和服務集成層構成。

2.1 基礎硬件層

基礎硬件層是實現RTLS的基礎硬件設施的統稱，通常安裝或者附著在生產現場的人、物和設備表面，選用不同的RTLS技術，所使用的硬件不同，本文以基于RFID的RTLS為例，介紹其硬件架構?；赗FID的實時定位過程是由固定于設備上的有源標簽以預定義的間隔主動發送無線信號，四臺或以上錨定基站接收信號并通過定位網關發至定位服務器，具體的硬件設施包括電子標簽、錨定基站、網關。其中，電子標簽與被管理對象綁定，能夠以規定的時間間隔發送無線信號；錨定基站用于接收電子標簽無線信號，附加錨定坐標及時間戳，并傳輸標簽附帶數據。通過至少三個相互同步的錨定基站，可實現電子標簽的三維定位，精度達厘米級；網關用于將所有記錄的數據打包，并傳輸到上位定位服務器，同時可擔當錨定基站功能[5]。

2.2 定位管理層

定位管理層的功能是利用基礎硬件層的傳感器數據計算工廠現場人、物或設備的實時位置坐標，由定位服務器和運行相應定位解算算法的軟件系統組成。運行過程中，運行在定位服務器上的定位解算軟件系統將根據網關傳來的傳感器數據，根據不同RTLS技術的定位原理運行不同的定位解算算法，然后通過預選設定好的規則引擎來定義及編輯位置相關的事件類型，并通過指定接口，根據可定義及配置的規則，將解算出來的位置信息及位置相關的事件類型上傳至服務集成層[6]。

2.3 服務集成層

服務集成層是用戶可見的應用層，通過私有協議解析來自定位管理層的實時位置信息及位置相關的時間信息，提供給用戶進行自動控制，數據統計分析，流程優化及調整。在服務集成層，可以根據智能工廠的具體需求集成相應的業務流程，也可以直接接入工廠的ERP、MES等系統，目前大部分智慧工廠的業務應用可以分為以下幾類：

（1）查找功能高精度定位管理對象，何物何時位于何處，對每個對象有據可查；搜索結果一目了然，實現實時可視化管理；優化物料存儲，消除物料不當損耗；（2）記錄功能自動記錄存檔人工生產過程內容，全程可追溯；基于位置信息自動控制電動工具的工作狀態和程序，減少操作差錯；發現對潛在質量問題，做出及時響應；（3）監測功能跟蹤轉運流程，發現瓶頸，優化周轉時間；直觀顯示管理對象相關信息；持續優化整體物料管理過程；（4）控制功能創建自組織生產和物流管理理念；建立自組織生產能力，實現車間透明化生產；優化物流路徑；（5）調度功能智能高效調度員工，安排工單；基于員工位置靈活指揮；基于當前各個工位的工作能力，實現動態流水線作業；人物車和區域安全管理，全方位提高生產安全[7]。

3 RTLS在智慧工廠中的應用案例分析

為了深入研究RTLS在智慧工廠中的應用模式，本文選擇了目前制造業中占據較大比重的汽車制造為對象，選擇了某汽車制造廠為案例，根據該汽車制造工廠產線現場的實際情況分析RTLS在智慧工廠中的應用過程。

該汽車制造廠的生產現場需要追蹤和定位資產設備和其他生產工具、原材料、半成品材料和零部件、成品汽車、返修汽車以及整個生產車間的勞動力?；诰唧w的需求，該汽車制造廠選擇了雙向測距算法和到達時間差算法多模融合的定位技術，基礎硬件層組成包括集成了電子墨水屏的定位標簽、融合了超寬帶和2.4GHz調相兩種無線技術的定位基站和實現雙向數據傳輸的網關；定位管理層主要是集成了雙向測距和到達時間差組合定位的定位解算算法；服務集成層提供了標準的ISO接口可以與各類IT系統集成，與ERP、MES、WMS等數據同步更新物料信息，優化操作流程，實時調度生產資源，可以提供靈活可擴展的物聯網云應用和智能工廠方案。下面以總裝線擰緊器定位、物料箱定位和車間可視化管理為例介紹具體應用過程。

3.1 RTLS應用于總裝線擰緊器定位

不同型號的汽車在同一生產線上組裝時，采用RTLS系統同時對車輛和工具定位跟蹤，在異構工具被帶到車輛附近時，根據車輛的VIN，MES系統給出特定的工具程序，發送給工具控制器對工具進行編程并打開工具。軟線及移動擰緊器高精度定位，實現了基于安裝使用位置的工作狀態記錄和校驗，工具程序自動控制，從而削減了生產線上的時間開銷，通過排除人為錯誤提升質量，避免差錯，改善品控，幫助企業實現柔性化產線，提高生產節拍。

3.2 RTLS應用于物料箱定位及信息可視化，無紙化

物料箱作為車間內物料流轉的載具，采用RTLS系統對其進行定位、跟蹤、可視化是實現無紙化作業的關鍵。項目中采用了支持高精度定位，電池供電移動使用的物料箱電子標簽，使得在復雜的裝配線環境下對物料箱仍有高精度的定位能力，實現物料箱定位及信息可視化，全過程物料運送控制，能減少生產線上的校對時間，并且通過排除人為錯誤提升質量。

3.3 基于RTLS的車間可視化管理

在信息化平臺內模擬物理實體、流程或者系統，可實現所有過程的精確數字化映射，涵蓋從物料入庫到進一步加工和最終裝配。全程定位關聯對象，利用RTLS數據實時推送顯示、電子紙、電子墨水屏的特性，實現從配件到總裝的全過程可視化管理，無紙化作業，提高了現場管理效率和準確性[8]。

上述應用過程表明，基于多模技術的RTLS以其實時連續、精準高效、靈活普適、彈性可擴展和易于部署的特性，適用于復雜工業環境下的人員、物品等高精準定位。RTLS應用在智能工廠生產現場，有助于智慧工廠進一步實現生產靈活、自組織的生產方式，幫助企業實現數字化轉型，推動制造智能化，實現真正意義上的智慧工廠。

4 結語

本文針對智慧工廠內如何高效地組織和管理生產現場的數字化組件和設備的問題，研究了RTLS在智慧工廠中的應用模式，分析了RTLS對于智慧工廠的重要性，總結概括了基于RTLS的工業制造實時定位系統的架構，并通過實際案例分析了其有效性，具有一定的理論和研究價值。