未来智能工厂如何从实时定位系统 (RTLS) 获取价值

实时定位系统数据技术取得了显着进步，制造商如何利用这些数据来优化流程并在其独特的环境中提高价值将推动他们在未来几年取得成功

以下信息源自 WISER 使用 (UWB) RTLS 解决方案在重工业环境中测试和验证的经验：

第 1 章：工业 4.0 中位置数据的前景和挑战

第 2 章：什么是 RTLS？

第 3 章：RTLS 有哪些好处？

第 4 章：RTLS 的长期优势有哪些？

第 5 章：评估 RTLS 解决方案：哪种 RTLS 系统适合您？

第 6 章：WISER 系统：解决重工业制造商 RTLS 挑战的绝佳解决方案

当今制造商面临的主要挑战

工业 4.0 的出现和数字化转型技术的采用正在迅速推进，制造商正在努力应对劳动力成本上升、库存管理和工人短缺的问题。软件、硬件或机器人应用程序提供的自动化无处不在，选择也不断增多。

但在提高工业生产力方面，并非所有解决方案都是平等的。考虑到运营中断成本高昂以及培训员工使用新流程和平台的成本高昂，一体化解决方案最终可能只会带来边际效益。

在未来工厂创新的唾手可得的成果中，实时定位技术可能是最具成本效益且破坏性最小的，并且最受员工赞赏——可以实现近乎即时的投资回报率并实现数量级的提升在生产力和产出方面。

第1章

工业 4.0 中位置数据的前景和挑战

工业 4.0 承诺通过将自动化和大数据与现实世界中发生的事情相结合，公司可以大幅提高其绩效和竞争力。为了充分抓住工业 4.0 机遇的优势，企业将需要一系列传感器和分析解决方案。

然而，为了使分析有用，数据的质量至关重要。消费者已受益于 GPS 生成的高质量户外数据。通过手机，您可以找到您想去的地方、如何到达那里，甚至如何避开途中的临时路障。

制造商越来越需要工厂和仓库内更精细的位置类型数据，可能精确到英尺甚至英寸，以跟踪他们的制造流程。这将使制造商实时了解所有关键组件在任何时间点的位置以及瓶颈发生的地点、时间和方式。实时定位系统 (RTLS) 现在正在兑现这一承诺，并且可以扩展以实时监控数千个物体的位置。

根据德勤《2022 年制造业展望》，“在 COVID-19 之前数字化成熟度较高的制造商在一定程度上具有更大的优势，具有更强的弹性，就像那些在危机期间加速数字化的制造商一样。”

由于所有这些原因，实时定位系统 (RTLS) 通常是制造商考虑的众多数字策略中的第一个。此外，许多制造商预计，随着全球变暖，天气事件、火灾和类似问题可能会增加，公司需要制定灵活的策略来准备和应对意外变化。

第2章

什么是实时定位系统？

术语 RTLS 通常指的是本地定位系统，而不是 GPS 等全球定位系统。虽然时间和位置是两者明显的共同点，但识别是 RTLS 的另一个重要特征，即使在识别信息受到保护的情况下也是如此。

本质上，实时定位系统显示了定义的区域内的内容、地点和时间，以决策者可以理解的方式量化这些因素。例如，实时定位系统可用于显示哪个工单（什么）在特定时间（何时）穿过制造工厂（何处）的给定生产区域。另一个例子：RTLS 可以可视化在工作日的给定点（何时）将哪个可运输集装箱（什么）装载到特定卡车（何处）。

由于 RTLS 描述了广泛的位置智能解决方案，因此有助于消除歧义。例如，术语“实时定位系统”通常封装提供基于邻近度的数据或实际坐标的系统。它还通常（但错误地）用于在设定的阻塞点识别设备的系统，仅提供扫描点的临时位置。

大多数 RTLS 解决方案包括一系列位于要监控的空间周围的天线，这些天线在资产或人员移动时从附加的标签中捕获位置信息。这些系统实时生成标签的位置数据，并且通常还提供移动历史读数。

第3章

实时定位系统有哪些好处？

一些好处包括：

更好的库存管理 - 找到丢失的库存，并收回更换它所需的成本，恢复寻找它所损失的工作时间，或消除例行库存检查的计划外停机。

所有这些都在工厂环境中创造价值，通过节省工厂工人的时间来避免不必要的更换，进而提高效率和生产率，从而降低每件制造产品的运营成本，并最终提高利润。
提高制造流程的效率，包括跟踪在制品、查找丢失或修复的机器以及识别瓶颈。
提高工人安全
新的和改进的商业智能，用于持续改进

库存管理

能够立即找到原材料和零件、工具和库存对于制造商的高效运营至关重要。由于工厂往往是一片杂乱的地方，部件不断移动，人员轮班不断，因此物品可能会放错地方。

随着公司从准时制造转向现场存储更多库存，这个问题只会变得更加严重。《纽约时报》解释道：“廉价且可靠的运输可能不再被视为理所当然，迫使制造商将生产转移到离客户更近的地方。在几十年来依赖精益仓库和监控库存并根据需要调货的在线系统之后，制造商可能会重新更加谨慎地关注额外产能。” 因此，数字工具可以帮助工厂管理这些更大的库存。

工业互联网联盟 (IIC) 执行董事理查德·索利 (Richard Soley) 博士描述了一位“客户发现其员工花费了 47% 的时间来寻找合适的工具。” 通过 IIoT 解决方案，工人可以被告知他们需要的工具位于他们身后左侧 10 米处。” 《连线》杂志（2018）

当制造工厂中发生这些库存情况时，需要一种能够处理高反射环境的更精确的解决方案。在这种情况下，UWB RTLS 通常是最佳解决方案。UWB 是一种短距离无线通信协议，与蓝牙或 Wi-Fi 一样，使用无线电波。但它的显着不同之处在于，它的运行频率非常高，并且可以提供比其他技术更精确的位置数据。

提高制造流程的效率

RTLS 对于提高多种制造工艺的生产率非常有价值，包括车轮制造、单元制造、批量制造和 WIP 方法，其中每个订单都会经过一组因订单而异的步骤或站。

WIP 通常需要将部分完成的产品保留一段时间，直到工作站或零件可用于下一步。随着供应链持续遭受延误和堵塞，WIP 制造的各个方面正在成为许多传统上不涉及这些方法的制造商的常态。

最近，即使是汽车制造商也不得不储存部分完成的汽车，同时等待所需的芯片到达。当零件到达时，他们必须找到它所适用的特定车辆，并将其无缝地重新投入生产。

有关 WIP 制造中 RTLS 系统的更多详细信息，请访问“批判性地了解如何改进制造工作 (WIP) 并减少或消除精益浪费，以提高您的利润。”

快速查找丢失或修复的机械

大多数现代工厂已经拥有几台自动化或机器人机器，需要定期且有时需要复杂的维护。智能工厂的承诺之一是使用传感器在发生故障之前识别需要维修的机器，以便工厂有机会在更方便的时间更换机器或零件。

然而，在进行交换时，找到丢失的机器并不总是那么容易。有些部件，例如有时至关重要的机器人头部，会在繁忙的工厂中丢失。UWB RTLS 系统允许工作人员轻松找到任何零件，并根据位置确定机器是否已修复或正在使用。

这可以再次节省工人寻找机器的时间，简化维修和维护周期，并有可能延长有价值机器的使用寿命。

寻找瓶颈

大多数 RTLS 解决方案都会生成历史数据，用户可以在其中看到关键资产全天的移动情况。

通过简单的时间和动作分析，工厂经理可以使用该数据来查找制造过程、供应品存储和检索或其他领域的瓶颈。他们可以对员工流动进行短期研究，以确保安全和效率。

工厂经理可以根据实际移动数据重新安排生产车间的供应存储区域，使其更加高效和安全。将定量数据作为当前和未来决策的基础可以带来巨大的、长期的效率提高。

添加商业智能

RTLS 系统可以提供运营优势的另一个领域是向系统添加业务逻辑智能和警报。一个例子是创建地理围栏功能，实时定位系统 (RTLS) 可以识别遵守不同规则的区域。

WISER 的一位客户是大型建筑设备的主要制造商，这些设备通常是定制的。当一台设备完成第一个工位并移动到下一个区域时，制造商希望为前往第一个工位的下一个施工设备带来正确的工具和用品。在这种情况下，只要一台设备移动到另一个区域，RTLS 解决方案就会向供应区域发送警报。然后供应商知道要准备正确的工具和用品并将其运送到第一个区域。

随着机器人技术的日益普及，同样，由于该设施处理经常阻挡视线的大型金属建筑设备，因此不受重金属信号反射引起的跟踪误差影响的 UWB 解决方案是该环境的最佳选择。

提高工人安全

可以为管理人员提供警报和地理围栏选项，以帮助提高员工的安全。

如果员工距离起重机、维修区域或大型危险设备太近，他们和设备操作员就会收到警报。

如果员工在有大量提升的区域工作时间过长、长时间受到巨大噪音、进行重复性动作或在同一台设备上工作时间过长，管理人员也会收到警报。然后他们可以通知工人休息，以免发生工伤。

提高效率的另一个解决方案是将传感器与定位系统本身配对。

例如，一些 RTLS 标签还提供气候、声音和其他数据。有时，这些传感器可以嵌入到标签中或通过 RTLS 软件与警报配对。制造商可以识别可能过热、过冷、噪音过大或存在危险的区域，以实现最佳制造。

他们可以查找叉车、机器人、无人机等移动物品的故障。对于通过设施移动的任何资产或机械，与传感器和警报配对的 RTLS 系统可以提高向用户提供的数据的质量。

第4章

RTLS 的长期好处是什么？

显然，实时定位系统 (RTLS) 为当今的制造商带来了诸多好处。展望未来，企业正处于真正的数字化转型的风口浪尖。良好的位置信息将成为拥抱工业 4.0 的公司取得成功的基石。

随着流程变得越来越自动化，机器人技术在制造流程中变得越来越重要，人工智能成为制造决策的真正组成部分，准确、可靠的位置数据本身至关重要。

为了实现流程自动化，用户、机器人和决策软件都需要清楚地了解订单所在位置、库存所在位置或员工工作地点。如果该信息不准确或延迟，这些自动化系统就无法正确评估情况，无法向人员或机器人发送所需的警报，也无法召唤必要的工人来完成给定的任务。

随着移动和自主机器人在制造业中的使用越来越多，向机器人提供有关其所在位置的潜在障碍物以及如何避开它们的准确信息变得越来越重要。将机器人的一些位置智能转移到设施范围内的RTLS 中也可以降低每个机器人的成本。

UWB RTLS 将最好地满足支持机器人运动的精度要求，特别是当机器人在物体后面移动并且无法进行视线时。

第5章

评估 RTLS 解决方案

当开始您自己的 RTLS 计划时，有很多东西需要学习和考虑。首先也是最重要的，您想要解决什么问题，哪种技术配置最适合该问题？

评估的关键因素可能包括：

需要 RTLS 运行的环境是什么？是否在重金属环境、办公楼、室外或地下进行操作？
安全需求是什么？
系统需要有多灵活？将来是否需要移动制造流程或机器？
想要定位的物体的尺寸、形状和材质是什么？
正在进行的项目规模有多大？是否正在跟踪数百个或数千个项目，跟踪范围有多大？
跟踪需求有多精确？需要以英寸为单位来定位物品，还是几码就足够了？
多久需要更新一次您找到和跟踪的项目，每隔几秒、几分钟还是每天一次？
使用什么平台来存储数据以及如何访问它？

在工厂建立 RTLS 时，制造商必须确定如何将位置数据反馈到工厂车间的决策过程中。如果大部分预期的好处来自于立即使用，即能够立即定位物品，那么了解是否有适合制造商的可视化系统就很重要。一个简单的 GUI 可能就足够了。一些用户可能需要更特定于行业的 GUI。其他人可能希望它通过应用程序编程接口或 API 直接输入自己的数据或 ERP 系统。

确保考虑中的 RTLS 与您的数据系统和计划用途兼容。大多数供应商将能够进行所需的调整或找到安装或平台合作伙伴，但在安装之前讨论这些问题。

正如 GPS 改变了物流一样，制造客户在安装后常常会发现其 RTLS 的其他用途。一旦对 RTLS 解决特定痛点的性能感到满意，制造商就可以使用它来跟踪关键机械、资产、库存，甚至引入安全解决方案来保护员工免受移动机械的影响。

像 WISER 这样的RTLS 的好处是，一旦安装了网络，只需添加更多标签，就可以轻松扩展以解决其他跟踪需求。这就是为什么像位置这样的新数据流对于正在进行数字化转型的工厂来说如此有价值。它在围绕效率、优化和利润的价值主张中提供了直接的好处。

重金属、反射环境中的 RTLS

制造空间对于基于 RTLS 无线电的系统来说是一个独特的环境，因为获得高精度和适应性可能具有挑战性。具有金属和反射表面的制造工厂需要确保他们正在评估的 RTLS 系统准确、安全、灵活，并且可以在这种类型的环境中工作，并且可以在室内和室外工作（如果需要）并可扩展至所需的资产数量。许多系统无法在这些类型的环境中准确可靠地执行所有这些功能。

一般来说，RTLS 解决方案使用射频 (RF) 技术。这些可能包括 Wi-Fi、蓝牙、UWB（超宽带）和有源 RFID（不要与无源 RFID 混淆，无源 RFID 与有源 RFID 不同，没有内部电源，而是由 RFID 扫描仪供电）。超声波、红外和内部运动传感器也有一些使用，但这些传感器不太常见，通常与基于射频的技术结合使用。

比较射频技术在重金属/反射环境中的性能

制造设施为射频技术带来了独特的挑战。从本质上讲，工厂是繁忙、嘈杂的地方，拥有大量金属和大量移动部件。金属会反射射频，而大多数其他表面会衰减或削弱任何通过的信号。

所有射频技术都从物体（例如标签）发出信号，并且天线确定与信号设备的距离。

在金属反射环境中，来自标签的每个信号将生成真正的直接路径和许多更长的反射路径。为了准确确定位置和距离，目标是找到信令标签和接收天线之间的最短直接路径。Wi-Fi、蓝牙和有源 RFID 等窄带 RF 技术通过接收信号强度指示器 (RSSI) 技术根据信号强度找到直接路径。

使用 RSSI，系统会选择最强的信号作为真实距离，但这会导致反射环境中的结果不准确。例如，如果标签和天线之间直接有一堆盒子，如果信号穿过那堵盒子墙，信号就会变弱。RSSI 系统将选择较强的反射信号，这是错误的间接路径，导致位置读数不准确。因此，这些系统通常需要标签和天线之间有直接的视线。

WISER Systems 首席技术官 Seth Hollar 博士表示：“RSSI 技术根本无法在反射环境中实现高精度。您可以在出厂设置中设置接收器网格来测量信号强度，但反射太多，因此无法准确。为了使 RSSI 正常工作，需要在室外无障碍地设置才能获得真正的准确性。”

在拥挤、复杂和反射的环境中，例如工厂车间，UWB 是 RTLS 的最佳技术。

UWB是一种宽带技术，传输短突发的宽波，天线选择到达时间最短的信号到达天线。不评估信号强度，仅评估行驶时间。如果信号因穿过一堆盒子甚至一堵墙而减弱，那也没关系。软件算法评估每个信号（包括到达天线的时间最快的信号），使 UWB 系统能够确定哪个信号是真正的直接路径并生成准确的位置读数。这使得 UWB 即使在没有视线的情况下也能在有许多障碍物的反射环境中表现良好。

UWB 的这一方面还使得该技术能够在高天花板工业环境中表现良好。蓝牙和有源 RFID 通常具有约 20 英尺的读取限制，因为超出该范围信号强度会变得太弱而无法捕获准确的读数。如果建筑物的天花板高度为 20 英尺或更高，系统将只能跟踪正下方的物体，这通常需要将天线悬挂在跟踪区域的正上方。因为 UWB 算法依赖于信号强度以外的替代测量来从更远的距离（例如 100 到 200 英尺）获取准确的距离读数。这样可以在高天花板环境中进行准确的读取并更轻松地实施。

UWB 技术还具有不干扰 Wi-Fi 或蓝牙等常见通信协议的优点。

您的安全需求是什么？

企业正在使用更多技术和互联系统来改进流程，从而面临更大的网络攻击风险。随着世界各地政治不稳定，尤其是最近的乌克兰战争，这种风险只会增加。

随着制造商在工厂中添加更多技术，一个不幸的副作用是网络攻击或勒索软件攻击的风险不断增加。根据网络安全和基础设施安全局 (CISA) 的说法，“关键制造业面临着与 COVID-19 大流行相关的网络攻击范围增加和网络安全劳动力有限的风险。” 最近，CISA向美国公司发布了一份警报，警告企业为乌克兰战争导致的俄罗斯“恶意网络活动”增加做好准备。

选择 RTLS 系统时，考虑如何保护生成的数据以及使用该数据的所有系统至关重要。提供本地解决方案或允许制造商完全拥有和控制数据的公司可以让制造商高枕无忧，因为他们的位置数据与公司防火墙内的其他公司数据具有相同的安全级别。具有强大加密协议的解决方案有助于防止黑客攻击和数据盗窃。限制无线共享数据类型（例如仅坐标数据而不是关键数据）的解决方案可以帮助限制数据盗窃的损害。

您的系统需要有多灵活？

工业 4.0 和智能工厂的一个主要目标是通过分析快速将数据转化为智能，从而提高生产力并降低成本。在SAE International 的智能制造报告（2020 年 8 月）中，爱立信先进产业主管 Erik Jofesson 表示：“特别是在产品周期加快和定制化增加的情况下，制造设置必须尽可能灵活才能具有竞争力。” 对于流程变更，这可能意味着将库存转移到其他区域、移动工作站或更换机器，这些可能会改变定位系统需要关注的位置，甚至工厂的布局。如果系统不灵活，每次移动站点或重新布置布局规划时重新定位 RTLS 解决方案可能是一项昂贵且艰巨的任务。

公司可以根据初始安装时的校准需求评估拟议的 RTLS 解决方案的灵活性。如果定位系统需要大量的校准步骤，而这些步骤无法远程完成或由制造商自己的员工完成，则表明每当车间发生重大变化时，系统都需要进行相同级别的重新校准。所有 Wi-Fi 和蓝牙解决方案以及许多 UWB 解决方案都需要对任何天线的移动进行大量手动校准。并非所有人都这样做。

WISER 系统 UWB 解决方案在安装时不需要进行大量校准，并且对于单个天线移动也不需要重新校准。如果需要重新校准，系统本身可以通过按下按钮来完成。如果灵活性对您的解决方案很重要。

此外，对于希望在多个站点推出 RTLS 解决方案的公司来说，安装的简便性可能是购买决策中的一个关键因素。能够轻松培训自己的员工安装和校准系统的公司可以显着降低大规模安装的成本，在选择 RTLS 解决方案时应予以考虑。

另一个考虑因素可以包括定位天线时是否需要视线。正如反射环境部分中提到的，UWB 是唯一可以在没有视线的情况下准确确定位置的技术。在评估任何解决方案时，确定天线是否能够在机器阻挡其视线到达受监控区域的情况下监控该区域可能很重要。如果不能，并且需要视线，则必须安装额外的天线并在更改后进行校准。

此外，整个工厂的任何一般管理（例如起重机的使用）都可能会暂时阻挡天线的站点线，这表明即使在站点线似乎有保证的区域，也可能仍然不需要视线系统。

如果需要密集的天线阵列，则表明系统难以收集准确的信号。同样，UWB 通常需要比任何其他 RTLS 解决方案更少的天线。对于非 UWB 解决方案，可跟踪项目的任何重大变化或增加都可能会降低系统的功能，并且需要更多的天线或重新定位才能达到早期的精度水平。这些都是在购买系统之前要问的好问题。没有工厂愿意投资无法适应设施随时间变化的需求的尖端跟踪系统。

第6章

WISER SYSTEMS：应对制造商 RTLS 挑战的绝佳解决方案

WISER Systems 多年来一直在开发其基于 UWB 的尖端 RTLS 解决方案。结果是 WISER 自己的冗余无线电定位和跟踪 (RRLT)，它具有优化的精度和灵活性，可以满足现代制造商的需求。

高密度 WISER ATLAS™ RTLS 和较低标签密度的 WISER Locator™ 解决方案在高反射环境中均表现良好，并且易于安装和校准。这意味着，开箱即用的 WISER 客户可以通过查看资产在任何给定时刻的位置来立即看到系统的好处，并且如果他们选择调整其流程或工作计划，WISER 系统也能保持相同的准确性水平。