如何實(shí)現(xiàn)智能工廠的實(shí)時(shí)定位？

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS, Real Time Location Systems）是未來智能工廠的關(guān)鍵組件。RTLS解決方案通過室內(nèi)外精確定位，實(shí)現(xiàn)對工廠設(shè)備、AGV、人員、工件、物料等實(shí)時(shí)連續(xù)跟蹤，生成軌跡路線圖，并將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給上層的軟件系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而提供精細(xì)化生產(chǎn)管理。

Part 1

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的重要性

當(dāng)今市場瞬息萬變、競爭加劇，客戶定制化需求增多，要求生產(chǎn)線有更大的柔性。與此同時(shí)，隨著數(shù)字化的發(fā)展，制造工業(yè)在工廠里安裝了大量的組件和設(shè)備，對工廠系統(tǒng)的全面了解、實(shí)時(shí)追蹤變得越來越重要。企業(yè)如何組織和管理生產(chǎn)以適應(yīng)客戶個(gè)性化需求快捷生產(chǎn)的同時(shí)還能提高工作效率，如何在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中提供更好的現(xiàn)場服務(wù)，是當(dāng)前制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，為此提出了生產(chǎn)靈活、自組織的生產(chǎn)方式和物流理念。

工業(yè)識別與定位成為促進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)。幫助企業(yè)去改善生產(chǎn)過程和整個(gè)物流，使全范圍、全過程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，提高時(shí)效性，并且避免錯(cuò)誤。一方面要簡化流程，通過標(biāo)識對所有的人物車進(jìn)行識別；另一方面就是定位，通過實(shí)時(shí)定位可以判斷所有的人物車的位置。實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)要適用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境，單一技術(shù)是很難實(shí)現(xiàn)的，需要融合多種不同的定位技術(shù)，才能保證定位的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，真正做到高精度實(shí)時(shí)定位。

當(dāng)前實(shí)時(shí)定位技術(shù)有很多，可分為室外定位與室內(nèi)定位，按技術(shù)分為UWB、RFID、GPS和其它，按應(yīng)用分為資產(chǎn)跟蹤、人員跟蹤、物流跟蹤和其它。經(jīng)過多年的發(fā)展，實(shí)時(shí)定位技術(shù)的精度、覆蓋范圍、容量、時(shí)延等指標(biāo)都在優(yōu)化，隨著產(chǎn)業(yè)成熟度的增加，RTLS應(yīng)用正快速增長，尤其是在汽車和醫(yī)療等行業(yè)中。RTLS市場預(yù)計(jì)全球在2022年達(dá)到63億美元，從2016至2022年間的年復(fù)合增長率是28%。高工業(yè)增長、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是驅(qū)動(dòng)RTLS市場的主要因素，而成本偏高、環(huán)境干擾、系統(tǒng)不兼容、缺乏統(tǒng)—標(biāo)準(zhǔn)是市場的阻礙因素。

從應(yīng)用客戶的角度來說，RTLS給企業(yè)帶來的收益主要有四方面：（1）提升經(jīng)濟(jì)效益，倉儲物流、離散制造過程中對于人員與設(shè)備的實(shí)時(shí)定位管理等。（2）降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)區(qū)域、險(xiǎn)情預(yù)警與災(zāi)后援救等。（3）為精細(xì)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(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)導(dǎo)引等。

本文給出智能工廠RTLS一體化解決方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能、技術(shù)特點(diǎn)和場景解決方案，最后分享某汽車生產(chǎn)廠應(yīng)用案例。

Part 2

RTLS解決方案

智能工廠的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是基于簡單架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的彈性可擴(kuò)展定位平臺，可提供定制定位解決方案所需的組件和服務(wù)，提供一站式RTLS解決方案。系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示，由硬件基礎(chǔ)架構(gòu)、定位管理器和服務(wù)集成三部分構(gòu)成。

（1）硬件基礎(chǔ)架構(gòu)：固定于設(shè)備上的有源標(biāo)簽以預(yù)定義的間隔主動(dòng)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。

電子標(biāo)簽：與被管理對象（工件、機(jī)器人、載具、人員等）綁定，能夠以規(guī)定的時(shí)間間隔發(fā)送無線信號。電子標(biāo)簽還可配備數(shù)據(jù)接口，將詳細(xì)位置信息直接傳送到本地控制系統(tǒng)，或向上位系統(tǒng)提供必要的傳感器數(shù)據(jù)。

錨定基站：接收電子標(biāo)簽無線信號，附加錨定坐標(biāo)及時(shí)間戳，并傳輸標(biāo)簽附帶數(shù)據(jù)。通過至少三個(gè)相互同步的錨定基站，可實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的三維定位，精度達(dá)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(shí)可擔(dān)當(dāng)錨定基站功能。

定位服務(wù)器：計(jì)算電子標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，通過規(guī)則引擎來定義及編輯位置相關(guān)的事件類型。

（2）定位管理器：用于計(jì)算具體電子標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置的軟件系統(tǒng)，采用多模融合的定位技術(shù)，并通過指定接口，根據(jù)可定義及配置的規(guī)則，將詳細(xì)信息傳送至上位系統(tǒng)。

（3）服務(wù)集成：定位信息和事件傳遞給上位系統(tǒng)用于自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，流程優(yōu)化及調(diào)整。

在智能工廠中，實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)服務(wù)多樣上位智能系統(tǒng)，來自RTLS的4W（Where何地, When何時(shí), Who何人何物, What何事件）定位數(shù)據(jù)與來自上位系統(tǒng)ERP/MES/WMS等的H（how做何事、如何操作）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相集成，聯(lián)動(dòng)工作，最大化利用生產(chǎn)資源，提高現(xiàn)場管理效率和準(zhǔn)確性。

智能工廠RTLS解決方案的架構(gòu)

RTLS提供查找、記錄、監(jiān)測、控制、調(diào)度功能，可以應(yīng)用于工廠多種應(yīng)用場景。（1）查找功能高精度定位管理對象，何物何時(shí)位于何處，對每個(gè)對象有據(jù)可查；搜索結(jié)果一目了然，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化管理；優(yōu)化物料存儲，消除物料不當(dāng)損耗。（2）記錄功能自動(dòng)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(dòng)控制電動(dòng)工具的工作狀態(tài)和程序，減少操作差錯(cuò)；發(fā)現(xiàn)對潛在質(zhì)量問題，做出及時(shí)響應(yīng)。（3）監(jiān)測功能跟蹤轉(zhuǎn)運(yùn)流程，發(fā)現(xiàn)瓶頸，優(yōu)化周轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)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(dāng)前各個(gè)工位的工作能力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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。

基于RTLS的生產(chǎn)現(xiàn)場可視化管理

Part 3

應(yīng)用案例舉例

當(dāng)前以汽車制造為主導(dǎo)的制造業(yè)已經(jīng)成為實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的主要終端用戶，用于追蹤和定位資產(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(gè)生產(chǎn)車間的勞動(dòng)力。這里分享某汽車生產(chǎn)廠RTLS應(yīng)用案例，系統(tǒng)采用的是西門子SIMATIC RTLS，其技術(shù)特性如下：

（1）雙向數(shù)據(jù)傳輸：采用雙向測距算法（TWR, Two Way Ranging）和到達(dá)時(shí)間差算法（TDOA, Time Difference of Arrival）多模融合的定位技術(shù)。集成了電子墨水屏的定位標(biāo)簽支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，提供定位功能外還可以主動(dòng)刷新屏幕顯示內(nèi)容。雙向數(shù)據(jù)傳輸為無紙化制造提供技術(shù)基礎(chǔ)，上位系統(tǒng)對位置和動(dòng)作進(jìn)行分析后做出業(yè)務(wù)決定，再反饋到前端，指導(dǎo)現(xiàn)場人員如何進(jìn)行下一步的操作。

（2）多模定位技術(shù)：定位基站采用UWB超寬帶和2.4GHz Phase調(diào)相兩種無線技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)厘米級定位精度，適用于苛刻的工業(yè)環(huán)境，能同時(shí)適應(yīng)室內(nèi)和室外應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)工序、車間、工廠統(tǒng)一定位，易于擴(kuò)展定位到更多工作區(qū)域和不同應(yīng)用場景，工廠全范圍覆蓋、服務(wù)于生產(chǎn)全過程。

（3）無縫綜合集成：實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)通過ISO標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)調(diào)度生產(chǎn)資源，可以提供靈活可擴(kuò)展的物聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用和智能工廠方案，在產(chǎn)量、質(zhì)量、成本上持續(xù)優(yōu)化，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

項(xiàng)目中，RTLS服務(wù)于該汽車生產(chǎn)廠生產(chǎn)現(xiàn)場的多個(gè)應(yīng)用場景：

（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(shí)，需要給電動(dòng)工具不同的工具程序以完成不同類型工作。以前車輛的識別依靠條形碼掃描器，傳至工具管理器，識別出車型，再調(diào)出操作指導(dǎo)，增加了工人操作動(dòng)作，也不能完全避免誤配置，無法確定擰緊器是對正確車型操作。采用RTLS系統(tǒng)同時(shí)對車輛和工具定位跟蹤，在異構(gòu)工具被帶到車輛附近時(shí)，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(jìn)行編程并打開工具。軟線及移動(dòng)擰緊器高精度定位（750px），實(shí)現(xiàn)了基于安裝使用位置的工作狀態(tài)記錄和校驗(yàn)，工具程序自動(dòng)控制。

應(yīng)用RTLS削減了生產(chǎn)線上的時(shí)間開銷，通過排除人為錯(cuò)誤提升質(zhì)量，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性化產(chǎn)線，提高生產(chǎn)節(jié)拍。復(fù)雜的裝配線環(huán)境下仍有精準(zhǔn)定位能力；電動(dòng)移動(dòng)工具的高可用性和高效率；對人工工作的自動(dòng)記錄實(shí)現(xiàn)更高等級的質(zhì)量管理；通過減少人工干預(yù)，提高效率和準(zhǔn)確性；根據(jù)操作過程步驟對工具自動(dòng)控制，避免差錯(cuò)，改善品控。

電動(dòng)移動(dòng)工具操作路徑可視化

（2）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，對其進(jìn)行定位、跟蹤、可視化是實(shí)現(xiàn)無紙化作業(yè)的關(guān)鍵。項(xiàng)目中，采用了支持高精度定位，電池供電移動(dòng)使用的物料箱電子標(biāo)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(shí)現(xiàn)物料箱定位及信息可視化，全過程物料運(yùn)送控制，能減少生產(chǎn)線上的校對時(shí)間，并且通過排除人為錯(cuò)誤提升質(zhì)量。

物料箱定位及物料運(yùn)送控制

（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(shí)體、流程或者系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)所有過程的精確數(shù)字化映射，涵蓋從物料入庫到進(jìn)一步加工和最終裝配。本應(yīng)用中，對相關(guān)對象 （如工件、工裝夾具、AGV 或機(jī)器人）綁定電子標(biāo)簽，由上位系統(tǒng)采集電子標(biāo)簽的信號，并計(jì)算其位置，然后將信息反饋給智能自動(dòng)化系統(tǒng)和制造單元。全程定位關(guān)聯(lián)對象，利用RTLS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送顯示、電子紙、電子墨水屏的特性，實(shí)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(zhǔn)確性。

應(yīng)用效果表明，基于多模技術(shù)的工業(yè)級實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)以其實(shí)時(shí)連續(xù)、精準(zhǔn)高效、靈活普適、彈性可擴(kuò)展、易于部署的特性，用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的人員、物品等高精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)靈活、自組織的生產(chǎn)方式，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動(dòng)制造智能化。