港口信息執行系統的應用研究

黎法明，李新星，李澤釗

（1.廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800；2.中華人民共和國江門海事局，廣東 江門 529040）

港口信息執行系統（PPMES，Port Management Execution System）源于制造執行系統（MES，Manufacturing Execution System），是美國MESA于上世紀90年代提出的面向車間的信息管理系統，是連接計劃層和現場控制層之間紐帶，通過提供從訂單到產品完成整個制造過程的信息，來優化企業管理，協助企業建立一體化和實時化的管理信息體系。因此實時數據傳輸與共享，是MES保證企業執行生產的關鍵技術，而無線射頻技術（RFID，Radio Frequency Identification Devices）是一種非接觸式的數據采集自動識別技術，目前應用于零售業產品標簽、交通中的車輛運行管理以及倉儲物流業等。隨著制造業信息化發展，RFID對制造業來說是極有潛力的技術，與現有MES集成，不僅為生產提供實時信息，而且也為產品全生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）提供一個移動數據庫。

1 MES生產信息系統簡述

MES作為生產信息系統，也就是收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件分析及時處理，同時又與計劃層和生產控制層保持雙向通信，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。確切地說，MES是一系列功能的集成，連接著計劃與控制系統，設計理念與生產執行，交易能力與生產機制，客戶與供需等。一方面關注生產過程中的即時生產與實時掌握在制品的產量與品質狀況，另一方面采集和分析數據實時掌握設備運行狀況和在線物料，記錄生產經過的工序、設備、所用物料和經手人員。主要功能包括資源分配及狀態管理、工序生產計劃與調度、文檔控制、現場數據采集、人力資源管理、品質管理、過程管理、維護管理、產品跟蹤以及性能分析。

2 數據采集

MES中的數據采集功能，是負責采集生產現場中的各種必要的實時更新的數據信息，并為其他MES功能的數據管理提供數源。數據類型按管理方式分為：工序資源數據，人力資源數據，產品質量數據。如表1所列。

表1 MES數據采集類型

由表1中看出，大部分采集的數據都與工序資源相關，各種數據之間都或多或少有著關聯，例如設備運行狀態為運行、準備、停機還是空閑；運行過程中，程序啟動時間、程序停止時間、程序名稱等；準備狀態時，是調試、檢驗、還是準備工裝等；停機狀態時，應能夠報告停機原因是設備故障還是設備維護等。

按行業不同，數據采集方法不盡相同，港口物流行業生產自動化的程度還不是很高，主要用條形碼或者其他傳感器，甚至人工錄入，來對生產的數據進行采集；連續制造行業生產自動化的程度相對比較高，數據采集主要就是通過部署各種現場總線來進行采集。

3 RFID技術的融入

3.1 RFID系統

RFID系統由耦合元件及芯片組成具有唯一電子編碼的標簽、讀取/寫入標簽信息的移動/固定式閱讀器以及在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號的天線，這3部分組成。電子標簽附著在待識別物體的表面，電子標簽中保存有約定格式的電子數據，標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量，發送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，被動標簽），或者主動發送某一頻率的信號（Active Tag，主動標簽），將記錄從價格到生產流程等在內大量信息的芯片貼在產品表面，通過讀取器來讀取和更新信息，并解碼后，送至計算機信息系統進行有關數據處理[2]。

RFID技術利用無線射頻方式，在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。與傳統的條碼相比，RFID電子標簽具有非接觸、可讀寫、速度快、信息量大、不受環境影響和壽命長等優點，能同時處理多張卡片，這些優點使RFID技術更適合于作業環境不確定的港口碼頭。

3.2 RFID數據采集在MES中應用

港口信息管理系統，是依靠信息管理的一個精確的執行過程，這必然要求對計劃和執行進行精確的比對，數據都要準確記錄，這需要過程中更多的進行數據采集自動識別，保證計劃和執行相符合，并針對不符合的及時采取措施調整。因此RFID技術作為一種數據采集與管理的手段，正從供應鏈進入制造過程的核心，通過在貨場庫房層逐步采用RFID技術，可以無縫且不間斷地集成從RFID捕獲的信息，并鏈接到現有的控制系統基礎結構，與配置RFID功能的供應鏈協調，向港口管理系統可以發送準確、可靠的實時信息流，從而創造附加值，提高生產率和大幅度地節省投資。

4 RFID與MES集成

4.1 RFID中間件

為了解決多種硬件系統平臺和各種系統軟件分布異構問題，而產生的中間件技術，它是位于不同操作系統平臺和具體應用之間的通用服務，這些服務具有標準的程序接口和協議。RFID中間件是一種面向消息的中間件，信息是以消息的形式在程序之間傳輸，其功能不僅是傳遞信息，還必須包括解譯數據、安全性、數據廣播、錯誤恢復、定位網絡資源、消息與要求的優先次序以及延伸的除錯工具等服務。

4.2 RFID與MES集成方法

RFID中間件由數據采集和后臺數據庫網絡應用系統組成，歷經三個階段（如圖1）。

RFID數據采集，完成RFID數據從RFID硬件設備的采集、過濾和合并；RFID數據管理，完成RFID數據的存儲、維護、訪問和聚合[3]。

最初的RFID中間件，是以應用程序編寫來整合、串接RFID讀寫器為目的，適用于采集點不多，同一規格讀寫器的情況，但效率較低，維護費用高；隨著企業應用系統的復雜度增高，數據庫軟件改變或讀寫器種類增加，企業無法負荷為每個應用軟件編寫適配器，同時存在著面向對象標準化等問題，因此產生RFID架構中間件；

第三個中間件階段，是各廠商針對不同行業領域提出具體解決方案，比如SUN公司的Sun Java系統RFID軟件包括針對倉儲管理、資產追蹤、藥品鑒定等具體行業應用的解決方案[4]。

對于目前RFID架構中間件集成方法，從應用層面上理解包括邊緣層、企業層、應用層；從物理結構來分為5層，分別是硬件層、采集數據層、工作流管理層、服務層、遺留系統層。

從功能層面上，核心模塊包括RFID邊緣服務器和RFID企業服務器[5]。邊緣服務器直接與各種終端設備相連，用于控制RFID讀寫設備按照預定的方式工作，保證不同的設備之間能很好地配合協調，還能按照一定的規則過濾數據，篩除大部分冗余數據，將真正有效的數據，傳送給后臺的信息系統；

企業服務器則集中管理所有的邊緣服務器，處理各種RFID事件和信息交換，實時工作流管理，與各種現有應用系統進行很好的集成，用戶可以圍繞這些數據進行業務流程的創新和新的應用。

4.3 RFID與MES集成數據流

RFID標簽內置編碼是數據的載體，EPCglobal對標簽類別按是否可讀寫[6]，可讀寫次數等特點分為0～5類，例如0級標簽編碼是由4段96位組成，分別代表信息的構成、制造商、產品類和產品名。這些存儲在RFID中的編碼，由讀寫器120次/s和400次/s次進行輪詢讀取數據，經RS422/RS232接口連接到現場總線，標簽URI（統一資源標識）數據由ALE（應用層事件管理）去除冗余數據，被過濾的標簽數據經ONS（對象名解析服務）把標簽數據中字節轉化為對象數據URL（統一資源定位）。

PML（物理實體語言）是一種用于描述物理對象，過程和環境的通用語言，其主要目的是提供通用的標準化詞匯表，來描繪和分配Auto-ID激活的實體的相關信息。EPCIS（電子標簽信息服務）是一種內部數據交換標準，定義了基于安全WEB服務的數據交換機制，所有電子標簽內部數據交換和事件信息（如圖1）。

圖1 RFID與MES集成數據流

5 結束語

（1）RFID可提供不斷更新的實時數據流，可用來保證正確使用勞動力、機器、工具和部件，從而實現無紙化生產和減少停機時間，以保證可靠性和高品質；搜集如產品標識符、物理屬性、訂單號等信息，自動建立支持品質保證體系所要求的品質跟蹤和工作歷史文檔、實現復雜的批次跟蹤。特別是在混合裝配線生產中，能準確無誤地將裝配零部件送達指定區域，從而減少了出錯率。

（2）港口信息管理系統能實現全程跟蹤。只要貨物進入生產線或到達完工區，將自動記錄工序、設備和操作者編號、轉運時間，避免了后期人工數據輸入、條碼掃描等操作產生的不精確數據或誤差。

（3）港口信息管理在計劃調度方面，可以結合產品工序規程單按現有設備利用率進行車間內實時計劃排程。諸如設備上的RFID提供運轉時間、可用性狀態、性能特征、并含有技術參數、使用刀具情況、已進行的生產活動。在設備管理方面，操作員可以通過讀取標簽上的信息，來檢查設備及其所在位置，對設備進行保養或維修，然后寫入最新的數據更新RFID標簽，有助于提高設備價值，優化港口設備性能和最大化設備利用率。

[1]Wakami N，Nomura Hand Araki S.F.Fuzzy logic for home appliance [M].Fuzzy logic and Neural Network Handbook.McGraw-Hill Inc，New York：McGraw-Hill Education，1996.

[2]周長久.混合智能模糊控制及其在雙足機器人中的應用[D].大連：大連海事大學，1997.

[3]閻勤勞，邢作常，馮濤，薛少平.溫室移動機器人避障功能的研究[J].農業機械學報，2006，37（5）：110-112.

[4]Sutton R and Marsden G D.Fuzzy autopilot optimized using a genetic algorithm[J].J.Navigation，1997，50（1）：120-131.

[5]陳偉炯.船舶安全與管理[M].大連：大連海事大學出版社，1998.

[6]望作信.船員安全心理學[M].武漢：湖北科學技術出版社，1988.

[7]關政軍.船舶交通事故分析 [J].大連海事大學學報，1997，（1）：125-129.