RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用模式研究

劉亞

（晉中信息學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引言

隨著工業(yè)4.0時代的到來，制造業(yè)得到了快速的發(fā)展，逐步由傳統(tǒng)的制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)變，客戶需求也從標準化需求向定制化需求轉(zhuǎn)變，這對于制造產(chǎn)線的柔性、質(zhì)量和效率都提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，許多工廠在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝了大量的數(shù)字化組件和設(shè)備以達到靈活自組織的生產(chǎn)方式以及快捷生產(chǎn)的目的，這些組件和設(shè)備能夠幫助工廠在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中提供更好的現(xiàn)場服務(wù)，提高加工效率，向智慧工廠轉(zhuǎn)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(shè)備，因此，對于這些組件和設(shè)備的實時追蹤變得越來越重要[1-2]。由此可以看出，工業(yè)制造現(xiàn)場的RTLS將成為真正實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先，RTLS可以幫助工廠改善生產(chǎn)過程和整個物流，使全范圍、全過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，提高時效性，降低生產(chǎn)過程中出錯的概率；其次，通過RTLS可以判斷工廠生產(chǎn)現(xiàn)場所有的人、物、設(shè)備的位置，有助于工廠提高生產(chǎn)過程中調(diào)度的效率，提高生產(chǎn)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(shù)被廣泛商用在其他細分領(lǐng)域，但其在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中的應(yīng)用還尚未完全成熟，有必要針對RTLS在智慧工廠中的應(yīng)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(tǒng)，根據(jù)定位實現(xiàn)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(tǒng)、基于到達時間差的定位系統(tǒng)、基于近場電磁測距的定位系統(tǒng)等都屬于主動式定位，而基于WIFI信號強度的定位系統(tǒng)、基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的定位系統(tǒng)等都屬于被動式定位系統(tǒng)，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(xiàn)方式簡單，且成本較低。隨著多年的技術(shù)積累與發(fā)展，RTLS的定位精度、覆蓋范圍、時延等參數(shù)指標得到了不斷的優(yōu)化，相關(guān)產(chǎn)業(yè)和生態(tài)體系也逐漸成熟，尤其是在汽車、智能終端等行業(yè)中[4]。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，RTLS的全球市場規(guī)模預(yù)計會在2022年達到63億美元。對于工廠制造現(xiàn)場而言，由于應(yīng)用場景為室內(nèi)，多采用被動式定位技術(shù)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景情況和指標需求選擇不同的定位技術(shù)。

1.2 RTLS的重要性分析

RTLS可以幫助工廠實時追蹤生產(chǎn)制造現(xiàn)場的人、物和生產(chǎn)設(shè)備，幫助管理人員實時掌握生產(chǎn)車間的狀態(tài)，尤其是在多數(shù)字化設(shè)備的智慧工廠中，其重要性不言而喻，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提升經(jīng)濟效益，倉儲物流、離散制造過程中對于人員與設(shè)備的實時定位管理等；（2）降低安全事故風(fēng)險，危險區(qū)域、險情預(yù)警與災(zāi)后援救等；（3）為精細化管理提供技術(shù)保障，人員軌跡管理、資產(chǎn)定位管理、廠內(nèi)物料追蹤、電子圍欄等；（4）車間數(shù)字化、透明化，廠內(nèi)智能物料箱、AGV、移動機器人的自動導(dǎo)引等。

2 RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用模式

RTLS在智慧工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用模式可以概括為基于簡單三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性可擴展定位系統(tǒng)，可以為工廠提供定制化的實時定位服務(wù)和組件，具體由基礎(chǔ)硬件層、定位管理層和服務(wù)集成層構(gòu)成。

2.1 基礎(chǔ)硬件層

基礎(chǔ)硬件層是實現(xiàn)RTLS的基礎(chǔ)硬件設(shè)施的統(tǒng)稱，通常安裝或者附著在生產(chǎn)現(xiàn)場的人、物和設(shè)備表面，選用不同的RTLS技術(shù)，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(gòu)。基于RFID的實時定位過程是由固定于設(shè)備上的有源標簽以預(yù)定義的間隔主動發(fā)送無線信號，四臺或以上錨定基站接收信號并通過定位網(wǎng)關(guān)發(fā)至定位服務(wù)器，具體的硬件設(shè)施包括電子標簽、錨定基站、網(wǎng)關(guān)。其中，電子標簽與被管理對象綁定，能夠以規(guī)定的時間間隔發(fā)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(shù)據(jù)。通過至少三個相互同步的錨定基站，可實現(xiàn)電子標簽的三維定位，精度達厘米級；網(wǎng)關(guān)用于將所有記錄的數(shù)據(jù)打包，并傳輸?shù)缴衔欢ㄎ环?wù)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(chǔ)硬件層的傳感器數(shù)據(jù)計算工廠現(xiàn)場人、物或設(shè)備的實時位置坐標，由定位服務(wù)器和運行相應(yīng)定位解算算法的軟件系統(tǒng)組成。運行過程中，運行在定位服務(wù)器上的定位解算軟件系統(tǒng)將根據(jù)網(wǎng)關(guān)傳來的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)不同RTLS技術(shù)的定位原理運行不同的定位解算算法，然后通過預(yù)選設(shè)定好的規(guī)則引擎來定義及編輯位置相關(guān)的事件類型，并通過指定接口，根據(jù)可定義及配置的規(guī)則，將解算出來的位置信息及位置相關(guān)的事件類型上傳至服務(wù)集成層[6]。

2.3 服務(wù)集成層

服務(wù)集成層是用戶可見的應(yīng)用層，通過私有協(xié)議解析來自定位管理層的實時位置信息及位置相關(guān)的時間信息，提供給用戶進行自動控制，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，流程優(yōu)化及調(diào)整。在服務(wù)集成層，可以根據(jù)智能工廠的具體需求集成相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程，也可以直接接入工廠的ERP、MES等系統(tǒng)，目前大部分智慧工廠的業(yè)務(wù)應(yīng)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(jù)可查；搜索結(jié)果一目了然，實現(xiàn)實時可視化管理；優(yōu)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(chǎn)過程內(nèi)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(tài)和程序，減少操作差錯；發(fā)現(xiàn)對潛在質(zhì)量問題，做出及時響應(yīng)；（3）監(jiān)測功能跟蹤轉(zhuǎn)運流程，發(fā)現(xiàn)瓶頸，優(yōu)化周轉(zhuǎn)時間；直觀顯示管理對象相關(guān)信息；持續(xù)優(yōu)化整體物料管理過程；（4）控制功能創(chuàng)建自組織生產(chǎn)和物流管理理念；建立自組織生產(chǎn)能力，實現(xiàn)車間透明化生產(chǎn)；優(yōu)化物流路徑；（5）調(diào)度功能智能高效調(diào)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(xiàn)動態(tài)流水線作業(yè)；人物車和區(qū)域安全管理，全方位提高生產(chǎn)安全[7]。

3 RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用案例分析

為了深入研究RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用模式，本文選擇了目前制造業(yè)中占據(jù)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(jù)該汽車制造工廠產(chǎn)線現(xiàn)場的實際情況分析RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用過程。

該汽車制造廠的生產(chǎn)現(xiàn)場需要追蹤和定位資產(chǎn)設(shè)備和其他生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，基礎(chǔ)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(diào)相兩種無線技術(shù)的定位基站和實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)；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(wù)集成層提供了標準的ISO接口可以與各類IT系統(tǒng)集成，與ERP、MES、WMS等數(shù)據(jù)同步更新物料信息，優(yōu)化操作流程，實時調(diào)度生產(chǎn)資源，可以提供靈活可擴展的物聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)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(yīng)用過程。

3.1 RTLS應(yīng)用于總裝線擰緊器定位

不同型號的汽車在同一生產(chǎn)線上組裝時，采用RTLS系統(tǒng)同時對車輛和工具定位跟蹤，在異構(gòu)工具被帶到車輛附近時，根據(jù)車輛的VIN，MES系統(tǒng)給出特定的工具程序，發(fā)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(xiàn)了基于安裝使用位置的工作狀態(tài)記錄和校驗，工具程序自動控制，從而削減了生產(chǎn)線上的時間開銷，通過排除人為錯誤提升質(zhì)量，避免差錯，改善品控，幫助企業(yè)實現(xiàn)柔性化產(chǎn)線，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

3.2 RTLS應(yīng)用于物料箱定位及信息可視化，無紙化

物料箱作為車間內(nèi)物料流轉(zhuǎn)的載具，采用RTLS系統(tǒng)對其進行定位、跟蹤、可視化是實現(xiàn)無紙化作業(yè)的關(guān)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(fù)雜的裝配線環(huán)境下對物料箱仍有高精度的定位能力，實現(xiàn)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(chǎn)線上的校對時間，并且通過排除人為錯誤提升質(zhì)量。

3.3 基于RTLS的車間可視化管理

在信息化平臺內(nèi)模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)，可實現(xiàn)所有過程的精確數(shù)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(guān)聯(lián)對象，利用RTLS數(shù)據(jù)實時推送顯示、電子紙、電子墨水屏的特性，實現(xiàn)從配件到總裝的全過程可視化管理，無紙化作業(yè)，提高了現(xiàn)場管理效率和準確性[8]。

上述應(yīng)用過程表明，基于多模技術(shù)的RTLS以其實時連續(xù)、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(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的人員、物品等高精準定位。RTLS應(yīng)用在智能工廠生產(chǎn)現(xiàn)場，有助于智慧工廠進一步實現(xiàn)生產(chǎn)靈活、自組織的生產(chǎn)方式，幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動制造智能化，實現(xiàn)真正意義上的智慧工廠。

4 結(jié)語

本文針對智慧工廠內(nèi)如何高效地組織和管理生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化組件和設(shè)備的問題，研究了RTLS在智慧工廠中的應(yīng)用模式，分析了RTLS對于智慧工廠的重要性，總結(jié)概括了基于RTLS的工業(yè)制造實時定位系統(tǒng)的架構(gòu)，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。