RTLS在智慧工厂中的应用模式研究

刘亚

（晋中信息学院，山西 晋中 030600）

0 引言

随着工业4.0时代的到来，制造业得到了快速的发展，逐步由传统的制造业向智能制造转变，客户需求也从标准化需求向定制化需求转变，这对于制造产线的柔性、质量和效率都提出了更高的要求和挑战。为了应对这些挑战，许多工厂在生产现场安装了大量的数字化组件和设备以达到灵活自组织的生产方式以及快捷生产的目的，这些组件和设备能够帮助工厂在复杂的工业环境中提供更好的现场服务，提高加工效率，向智慧工厂转变，但随之而来的问题是如何高效地组织和管理这些组件和设备，因此，对于这些组件和设备的实时追踪变得越来越重要[1-2]。由此可以看出，工业制造现场的RTLS将成为真正实现智能制造的关键技术之一。首先，RTLS可以帮助工厂改善生产过程和整个物流，使全范围、全过程实现数据可视化，提高时效性，降低生产过程中出错的概率；其次，通过RTLS可以判断工厂生产现场所有的人、物、设备的位置，有助于工厂提高生产过程中调度的效率，提高生产方式的灵活度和快捷性[3]。RTLS目前已有多种不同的定位技术被广泛商用在其他细分领域，但其在复杂的工业生产现场中的应用还尚未完全成熟，有必要针对RTLS在智慧工厂中的应用模式展开研究。

1 RTLS简介及其重要性分析

1.1 RTLS简介

RTLS是一种基于无线电信号的实时定位系统，根据定位实现方式可以分为主动式定位和被动式定位，其中基于到达角度的定位系统、基于到达时间差的定位系统、基于近场电磁测距的定位系统等都属于主动式定位，而基于WIFI信号强度的定位系统、基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的定位系统等都属于被动式定位系统，前者定位精度高，不易受干扰，但成本较高，后者定位精度相对较低，也更容易受到干扰，但实现方式简单，且成本较低。随着多年的技术积累与发展，RTLS的定位精度、覆盖范围、时延等参数指标得到了不断的优化，相关产业和生态体系也逐渐成熟，尤其是在汽车、智能终端等行业中[4]。相关统计数据表明，RTLS的全球市场规模预计会在2022年达到63亿美元。对于工厂制造现场而言，由于应用场景为室内，多采用被动式定位技术，可以根据不同的应用场景情况和指标需求选择不同的定位技术。

1.2 RTLS的重要性分析

RTLS可以帮助工厂实时追踪生产制造现场的人、物和生产设备，帮助管理人员实时掌握生产车间的状态，尤其是在多数字化设备的智慧工厂中，其重要性不言而喻，主要体现在以下几个方面：

（1）提升经济效益，仓储物流、离散制造过程中对于人员与设备的实时定位管理等；（2）降低安全事故风险，危险区域、险情预警与灾后援救等；（3）为精细化管理提供技术保障，人员轨迹管理、资产定位管理、厂内物料追踪、电子围栏等；（4）车间数字化、透明化，厂内智能物料箱、AGV、移动机器人的自动导引等。

2 RTLS在智慧工厂中的应用模式

RTLS在智慧工厂生产现场的应用模式可以概括为基于简单三层网络结构的弹性可扩展定位系统，可以为工厂提供定制化的实时定位服务和组件，具体由基础硬件层、定位管理层和服务集成层构成。

2.1 基础硬件层

基础硬件层是实现RTLS的基础硬件设施的统称，通常安装或者附着在生产现场的人、物和设备表面，选用不同的RTLS技术，所使用的硬件不同，本文以基于RFID的RTLS为例，介绍其硬件架构。基于RFID的实时定位过程是由固定于设备上的有源标签以预定义的间隔主动发送无线信号，四台或以上锚定基站接收信号并通过定位网关发至定位服务器，具体的硬件设施包括电子标签、锚定基站、网关。其中，电子标签与被管理对象绑定，能够以规定的时间间隔发送无线信号；锚定基站用于接收电子标签无线信号，附加锚定坐标及时间戳，并传输标签附带数据。通过至少三个相互同步的锚定基站，可实现电子标签的三维定位，精度达厘米级；网关用于将所有记录的数据打包，并传输到上位定位服务器，同时可担当锚定基站功能[5]。

2.2 定位管理层

定位管理层的功能是利用基础硬件层的传感器数据计算工厂现场人、物或设备的实时位置坐标，由定位服务器和运行相应定位解算算法的软件系统组成。运行过程中，运行在定位服务器上的定位解算软件系统将根据网关传来的传感器数据，根据不同RTLS技术的定位原理运行不同的定位解算算法，然后通过预选设定好的规则引擎来定义及编辑位置相关的事件类型，并通过指定接口，根据可定义及配置的规则，将解算出来的位置信息及位置相关的事件类型上传至服务集成层[6]。

2.3 服务集成层

服务集成层是用户可见的应用层，通过私有协议解析来自定位管理层的实时位置信息及位置相关的时间信息，提供给用户进行自动控制，数据统计分析，流程优化及调整。在服务集成层，可以根据智能工厂的具体需求集成相应的业务流程，也可以直接接入工厂的ERP、MES等系统，目前大部分智慧工厂的业务应用可以分为以下几类：

（1）查找功能高精度定位管理对象，何物何时位于何处，对每个对象有据可查；搜索结果一目了然，实现实时可视化管理；优化物料存储，消除物料不当损耗；（2）记录功能自动记录存档人工生产过程内容，全程可追溯；基于位置信息自动控制电动工具的工作状态和程序，减少操作差错；发现对潜在质量问题，做出及时响应；（3）监测功能跟踪转运流程，发现瓶颈，优化周转时间；直观显示管理对象相关信息；持续优化整体物料管理过程；（4）控制功能创建自组织生产和物流管理理念；建立自组织生产能力，实现车间透明化生产；优化物流路径；（5）调度功能智能高效调度员工，安排工单；基于员工位置灵活指挥；基于当前各个工位的工作能力，实现动态流水线作业；人物车和区域安全管理，全方位提高生产安全[7]。

3 RTLS在智慧工厂中的应用案例分析

为了深入研究RTLS在智慧工厂中的应用模式，本文选择了目前制造业中占据较大比重的汽车制造为对象，选择了某汽车制造厂为案例，根据该汽车制造工厂产线现场的实际情况分析RTLS在智慧工厂中的应用过程。

该汽车制造厂的生产现场需要追踪和定位资产设备和其他生产工具、原材料、半成品材料和零部件、成品汽车、返修汽车以及整个生产车间的劳动力。基于具体的需求，该汽车制造厂选择了双向测距算法和到达时间差算法多模融合的定位技术，基础硬件层组成包括集成了电子墨水屏的定位标签、融合了超宽带和2.4GHz调相两种无线技术的定位基站和实现双向数据传输的网关；定位管理层主要是集成了双向测距和到达时间差组合定位的定位解算算法；服务集成层提供了标准的ISO接口可以与各类IT系统集成，与ERP、MES、WMS等数据同步更新物料信息，优化操作流程，实时调度生产资源，可以提供灵活可扩展的物联网云应用和智能工厂方案。下面以总装线拧紧器定位、物料箱定位和车间可视化管理为例介绍具体应用过程。

3.1 RTLS应用于总装线拧紧器定位

不同型号的汽车在同一生产线上组装时，采用RTLS系统同时对车辆和工具定位跟踪，在异构工具被带到车辆附近时，根据车辆的VIN，MES系统给出特定的工具程序，发送给工具控制器对工具进行编程并打开工具。软线及移动拧紧器高精度定位，实现了基于安装使用位置的工作状态记录和校验，工具程序自动控制，从而削减了生产线上的时间开销，通过排除人为错误提升质量，避免差错，改善品控，帮助企业实现柔性化产线，提高生产节拍。

3.2 RTLS应用于物料箱定位及信息可视化，无纸化

物料箱作为车间内物料流转的载具，采用RTLS系统对其进行定位、跟踪、可视化是实现无纸化作业的关键。项目中采用了支持高精度定位，电池供电移动使用的物料箱电子标签，使得在复杂的装配线环境下对物料箱仍有高精度的定位能力，实现物料箱定位及信息可视化，全过程物料运送控制，能减少生产线上的校对时间，并且通过排除人为错误提升质量。

3.3 基于RTLS的车间可视化管理

在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统，可实现所有过程的精确数字化映射，涵盖从物料入库到进一步加工和最终装配。全程定位关联对象，利用RTLS数据实时推送显示、电子纸、电子墨水屏的特性，实现从配件到总装的全过程可视化管理，无纸化作业，提高了现场管理效率和准确性[8]。

上述应用过程表明，基于多模技术的RTLS以其实时连续、精准高效、灵活普适、弹性可扩展和易于部署的特性，适用于复杂工业环境下的人员、物品等高精准定位。RTLS应用在智能工厂生产现场，有助于智慧工厂进一步实现生产灵活、自组织的生产方式，帮助企业实现数字化转型，推动制造智能化，实现真正意义上的智慧工厂。

4 结语

本文针对智慧工厂内如何高效地组织和管理生产现场的数字化组件和设备的问题，研究了RTLS在智慧工厂中的应用模式，分析了RTLS对于智慧工厂的重要性，总结概括了基于RTLS的工业制造实时定位系统的架构，并通过实际案例分析了其有效性，具有一定的理论和研究价值。