基于ＲＦＩＤ的汽車生產物流跟蹤管理系統分析與設計
2008-12-31 00:00:00胡向東安東陽
計算機應用研究 2008年12期
（重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065）
摘 要：
基于目前汽車制造企業物流跟蹤系統的需求分析，提出了基于RFID的物流跟蹤管理系統，并設計了物流跟蹤系統的總體架構及主要功能模塊；最后針對系統的具體實施給出了幾點建議。該系統有助于提高汽車制造企業的物流信息化水平和生產效率，大幅降低物流成本。
關鍵詞：無線射頻識別； 物流跟蹤； 汽車制造； 生產線
中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2008)12382903
Analysis and design of RFIDbased logistics tracking management systemin automobile manufacture
HU Xiangdong ， AN Dongyang
(College of Automation， Chongqing University of Posts Telecommunications， Chongqing 400065， China)
Abstract:Based on the analysis of demand of logistics tracking management system in current automobile manufacturing industry， this paper presented a RFIDbased logistics tracking management systemand itsgeneral architectureand key function modules. Finally， gave some suggestions about the system implementation.This system is helpful to improve the informationizationof logisticsmanagement for automobile manufacture and increases its productivity and significantly reduces logistics costs.
Key words：radio frequency identification(RFID); logistics tracking; automobile manufacture; assembly
伴隨著全球經濟一體化，汽車工業開放程度越來越高，競爭越來越激烈。對于汽車制造企業來說為了提高競爭力，降低生產成本尤其是物流成本就顯得越來越重要。有數據顯示，歐美汽車制造企業的物流成本占銷售額的比例是8％左右，日本汽車廠商甚至可以達到5％，而我國汽車生產企業的物流成本普遍在15％以上。可見，從我國汽車制造物流環節的成本有很大的降低空間[1]。目前國內汽車制造企業的物流信息化水平普遍不高，物流信息采集模式基本上是“人工+條碼”的方式。此方式有如下不可避免的缺陷：手工輸入方式錯誤率較高且效率低下；條碼數據包含信息量小，不能及時反映產品需求變化信息;信息不能交互傳遞[2]。因此要改善生產管理的效果，降低物流環節的成本，必須從根本的信息采集技術入手，從而改變生產過程中的信息傳遞方式，以提高物流信息化水平。本文針對現有生產物流中的信息采集方式和跟蹤管理方面存在的不足，提出基于RFID的物流跟蹤管理系統（logistics tracking management system ，LTMS），充分利用RFID自動識別技術、JIT及MES的先進管理理念與基本方法，通過車間生產物流信息的實時反饋進行物流數據分析和監控，加強車間物流控制，實現生產節拍、物流、信息流的同步，以降低汽車制造企業生產物流成本，提高綜合競爭力。
1 RFID技術簡介
無線射頻識別（RFID）技術是一種非接觸式全自動識別技術，其基本原理是利用電磁信號和空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性實現對象信息的無接觸傳遞，從而實現對靜止或移動的物體或人員的非接觸自動識別，與傳統的條碼自動識別技術相比有無可比擬的優勢，如表1所示[3]。
表1 條碼技術與RFID技術的屬性比較
屬性條碼RFID屬性條碼RFID
信息量小大環境適應性差很好
讀寫性能RR/W識別速度低很快
智能化無有讀取距離近遠
方向位置影響小無批量讀取不能能
通過在物品上置入特制的微芯片（RFID標簽），可以用來追蹤和管理幾乎所有的物理對象，是物流管理及追蹤、生產制造等領域信息化的重要手段之一。
RFID系統一般由標簽、閱讀器和服務器系統三部分組成，其工作原理是：閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號；當RFID標簽進入閱讀器工作區域時，其天線產生感應電流，從而RFID標簽獲得能量被激活并向閱讀器發送出自身編碼等信息；閱讀器接收到來自標簽的載波信號，對接收的信號進行解調和解碼后送至計算機主機進行處理；計算機系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定作出相應的處理和控制，發出指令信號；RFID標簽的數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲、發送數據或其他操作[4]，如圖1所示。
2 系統總體描述
2. 1 系統需求分析
基于對汽車生產線上沖壓、焊接、涂裝及總裝等車間的調研、分析，發現目前的基于條碼的物流信息采集方式大致有如下問題：
a)基于條碼的物流信息采集方式效率低下。雖然目前基于條碼的采集方式無論是從錄入速度、準確性方面，均比人工輸入方式進了一大步。但由于其技術本身的缺陷使該方式仍存在很大的不足，主要表現在可識別性因條碼標簽表面的污染容易受到影響，仍需人工進行操作，相當于半自動化。在效率上以及人為因素影響方面均有進一步改善的需要，尤其對于在物料配送過程中，對于大量的物料或盛具進入現場時，條碼識別存在很大的難度，需要人工進行干涉找到具體的標簽。
b)條碼無法滿足區分批次及質量等級的要求[5]。為了保證產品質量，要求不同等級批次的原材料不能混合。事實上原材料還需經過加工、包裝、貼標簽等環節后保存在倉庫或臨時性倉庫，然后再運到車間加工成半成品。為了使錯誤最小化以避免產品事故或損失，工人們需要去核對貼在原材料上面的標簽。目前，在很多汽車制造企業中，所有這些操作均是由手工來完成的。由于工人很容易受到情緒、精神以及疲倦等因素的干擾，錯誤很容易發生。如將極好的原材料與過期的或是劣等的原材料混合在一起，這樣整個極好的批次就受到污染或降級，這是企業或者是客戶均不愿看到的。針對這種問題的處理，條碼無能為力。
c)條碼的容量有限。由于條碼本身的容量有限，不能記錄原材料、工位、工位負責人等相關信息，所采取的信息相關技術容易導致記錄的不完全和數據的不統一。當發現產品的原材料有問題時不能及時查詢出同批次原材料的流向及供應商的信息，當發現產品有加工缺陷時，不能及時地查詢出相關工位負責人員。
基于以上分析，本文提出了基于RFID的物流跟蹤管理系統，對生產過程中的物料和在制品信息進行精確采集、整合、集成、分析和共享，為企業生產物資的管理與產品生命周期提供了基礎信息解決方案，同時系統的應用和ERP、CRM、SCM等企業級系統形成良好的互補，有效地解決了ERP系統在物資和產品數據采集、數據準確性與實時輸入等方面的問題，是實現企業整體信息化的樞紐信息系統。
2. 2 系統總體結構設計
為了能夠低成本實現物流跟蹤管理系統，并且能夠實現與現存的企業內部互聯網和數據庫兼容，于是采用了三層的體系結構。該系統主要由電子標簽、RFID閱讀器（固定式和手持式）、工作站、一定數量的應用服務器、一臺RFID中間件服務器、一臺Web服務器和一臺數據庫服務器組成。系統架構如圖2所示。
2. 3 系統功能模塊設計
現代物流強調通過對物流各個環節和要素的系統化、集成化管理，提高物流能力和物流服務水平，同時有效地控制物流成本[6]。物流跟蹤管理系統作為一個系統由若干個功能模塊構成，它要為各個功能模塊的相互協作運行提供信息支撐，要為物流信息交換、倉庫管理、庫存控制、配送等物流活動提供支持，實現物流作業信息的采集、分析、處理、發布、共享和利用、物流信息的實時查詢與發布。
2. 3. 1 核心業務模塊
1）現場數據采集模塊 它依靠RFID DCS以及其他設備通信接口構件與現場設備進行信息交互，同時給現場操作人員提供信息輸入接口，將相關的物流作業信息以及相關的生產制造信息全部收集在內。數據輸入來源包括RFID系統、人事系統（工位對應及工作時間）、質量檢驗系統、產品在各工作站的生產信息日志文件、人員輸入等。
2）庫存管理模塊 包括入庫管理、在庫管理、出庫管理三個環節。入庫管理主要負責檢驗核對到庫物料的質量和數量，并安排到相應的庫位。在庫管理主要負責物料的加工、分裝、盤點、采購警告等。出庫管理根據先進先出原則，負責物料的出庫。
3）配送管理模塊 根據生產線的生產節拍供應物料或快速響應緊急缺料呼叫。該模塊能夠根據生產節拍科學地計算出體現最大效益的供料節奏、供料路線、供料數量等，并能夠快速響應突發情況出現的緊急缺料情況。
4）物料跟蹤查詢模塊 所謂物料，包括零部件、外協件、替換件以及生產過程中產生的邊、角、余料和廢料等生產材料。物料的追蹤查詢主要實現對物料的個體或批次在生產的推移、傳遞、消耗、轉換等信息的采集、跟蹤、整理、分析和共享等信息管理功能。
5）在制品跟蹤查詢模塊 該模塊提供對生產線正在制造產品狀況的跟蹤查詢。通過該模塊，管理人員可以迅速及時地了解生產線的生產情況，實現監控產品質量和生產效率。后臺連接相應的數據庫，可以顯示相關時段相應工單的基本信息、看板信息、產品分布狀況、流程及維修狀況、詳細部件信息等。有了在制品跟蹤系統就可以隨時隨地了解產品在生產線的位置和具體情況，防止故障堆積，幫助降低在制品數量。
6）車體識別及跟蹤查詢 該模塊能夠識別生產線車體的車型、顏色、檔次，并實時跟蹤車體所經過的工位。這樣不僅能夠實時向庫存及配送管理模塊發送工位物料需求信息，還能夠實時查詢某些車體，特別是客戶定制的車體的生產進度，使生產管理人員對車輛的生產情況了如指掌，還能針對某些客戶提供高質量的服務。
7）生產過程跟蹤與管理 該模塊除了能夠幫助生產管理者實時在線地了解生產計劃的執行情況外，通過在車間的關鍵或重要工位設置采集點，采集相關信息（零部件信息、工作人員信息、加工信息），追蹤產品的生產流動過程，能夠實現質量問題的追蹤與回溯，不僅能夠幫助企業統計質量問題來源，以提高產品工藝水平，還能夠查出質量問題的具體責任人，減少企業損失。
8）產品生命周期檔案 該模塊實現產品整個生命周期內的跟蹤。了解單件產品的整個生命周期在很多情況下非常有用，產品追蹤是制造管理軟件必備的功能之一。它除了滿足品質保證、統計分析、存貨管理等要求之外，還可以讓使用者回溯至任何一個生產步驟、任何一筆加工資料，即使是特別處理的加工手續也不例外。
9）質量及績效分析查詢 它負責原材料、在制品的質量跟蹤，并與SCM連接，記錄進料檢驗信息和供應商質量統計分析，為進料選擇和控制做好基礎數據工作。這樣一旦某一批產品因為原材料的緣故發生質量問題，可以迅速追溯。
2. 3. 2 輔助業務模塊
1）用戶管理 根據不同的應用崗位、層次設置不同的權限和信息粒度，方便用戶實時、直觀地獲取到相應的物流信息。
2）RFID管理 它負責標簽的編碼及數據格式的設計、規劃RFID信息采集點的位置，同時負責日常RFID系統的維護以及后期應用拓展規劃。
3）系統接口管理 由于RFID物流跟蹤管理系統上需與企業級信息系統相連，下需與現場的數據采集設備相接，涉及到方方面面的信息，且各信息的格式又不統一，就需要有專門的接口將各方面的信息進行轉換、融合，使得物流各環節的信息更加準確、及時和透明。
3 系統實施注意事項
雖然RFID與傳統的自動識別技術相比有無可比擬的優勢，將成為汽車制造業下一階段提升企業整體競爭力所依靠的主要IT技術[7]，但由于它畢竟是一項新技術，在很多方面還有待完善，這就要求企業在應用時要多加考慮，慎重選擇。
3. 1 RFID頻率方面
RFID不同的頻率有不同的特性，對應不同的應用范圍。RFID頻率主要分為低頻(125~134 KHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(860~960 MHz)、微波（2.4，5.8 GHz）等頻段。其中，低頻主要應用在畜牧業的管理系統、停車場自動收費和車輛管理系統、門禁和安全管理系統等領域；高頻主要應用在圖書管理系統、物流管理系統、醫藥物流管理系統等領域；超高頻主要應用在供應鏈管理、生產線自動化、集裝箱管理等領域。由于超高頻利用電場來傳輸能量，讀取距離比較遠（無源可達10 m），且有很高的數據傳輸速率，在很短的時間可以讀取大量的電子標簽，同時相對于高頻的電子標簽來說，該頻段的電子標簽無須與金屬分開[8]。綜上所述和比較，本文選擇超高頻頻段，該頻段符合ISO/IEC180006、EPCglobal、Ubiquitous ID等相關標準以及現行的各種法律法規。這個頻段是目前人們期待應用潛力最大的頻段。
3. 2 系統軟件技術方面
在軟件技術方面，注意評估SOA（面向服務架構）技術對于本企業內各軟件系統集成與整合的支持能力。
3. 3 系統實施廠商方面
在選擇軟件實施廠商時，需要選擇有實力、口碑好且有相關項目成功案例的企業，確保廠商有專家級人員深入到本企業對項目的實施全程支持，在項目完成之后，還需有良好的維護服務。
4 結束語
本文本著提高企業物流信息化水平、大幅度降低企業物流成本的目標，充分利用了RFID的優勢，提出了基于RFID的物流跟蹤管理系統的解決方案。同時針對汽車制造企業物流信息化的實際需求，給出了系統架構的設計，并對核心模塊的功能進行了詳細討論，對構建實際高效的物流跟蹤管理系統有一定的指導意義。
參考文獻：
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