制造業中物品標識技術的分析與應用

鄒慧宇，徐文勝

ZOU Hui-yu,XU Wen-sheng

（北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044）

0 引言

標識技術[1]是對物品進行編碼并自動識別的技術，如條碼、RFID、聲音識別、圖像識別和指紋識別都可稱為標識技術。本文分析認為，制造業中生產要素標識管理經歷了人工標識和自動標識階段，目前正處于定位階段，如圖1所示。在人工標識階段，車間中的生產對象主要靠人工的紙筆記錄和識別，標識效率低和可靠性差。在自動標識階段，以磁卡、條形碼和低高頻RFID等接觸式（或近距離）識別技術應用于生產管理為起始，以超高頻、微波RFID等非接觸識別技術應用為成熟標志，實現了車間內生產要素的自動化標識。在定位階段，是以超高頻、微波RFID等遠距離標識技術實現物品的標識與定位，其典型功能是獲得電子標簽的歷史路徑，并逐步由物品的非實時定位擴展到實時定位。

圖1 制造業中生產要素標識管理的幾個階段

1 標識技術的應用結構

為了敘述方便，本文將RFID、磁卡和條碼等技術中用于物體綁定與識別的設備統稱為標簽，將用于讀取標簽信息的設備統稱為閱讀器。

1.1 標識技術應用模型結構

本文提出標識技術的應用結構，分為四個層次：標識技術、讀取模式、應用模式和具體應用，如圖2所示。

圖2 標識技術應用結構

從下往上看，標識技術特性限制著讀取模式的實現，讀取模式獲取信息的方式限制著對應用模式的支持，而應用模式提供的信息形式限制著具體應用的實現。以下詳細分析應用模型各層次。

1.2 標識技術的分類

本文將實現針對物品的識別功能的單一或集成技術統稱標識技術。如RFID、條形碼和磁卡，以及這些技術與其他相關技術（如無線通信、現場總線和3G網絡等）的集成[2～5]。

應用于制造業的標識技術，按識別距離的長短可分為接觸式和非接觸式標識技術，按是否需要電源可分為有源和無源標識技術。典型的無源接觸式標識技術有條形碼、磁卡、IC卡和低頻RFID；典型無源非接觸標識技術有高頻、超高頻和微波RFID。有源非接觸標識技術有有源RFID，以及基于短距離無線通信技術開發的標識技術，如基于ZigBee的RFID技術[6]。

1.3 讀取模式

標簽讀取操作可抽象為讀取模式。總結標識技術的使用方式，本文抽象出以下四種讀取模式。

1）摘掛式

摘掛式讀取中，標簽懸掛在物體上，讀取時將標簽取下置于閱讀器上，讀取完成將標簽重新附著在物體上。物體下次識別時依然進行此動作。其典型實現技術有：條形碼、IC卡、磁卡和低頻RFID。具體應用有：銀行卡的使用、工人考勤打卡和居民身份證的自動識別等。

2）點貨式

點貨式讀取中，附著有標簽的物體分布在現場，點貨員（人或自動化設備）裝備手持閱讀器遍歷現場獲取物體信息。當點貨員靠近物體時，通過長距離指向性或者近距離接觸的方法閱讀標簽，獲得物體的識別信息。其典型實現技術有：超高頻RFID、微波RFID和有源RFID等。具體應用有：集裝箱清點、圖書館書架上圖書盤點和貨物出入庫清點。

3）收費站式

收費站式讀取中，現場規劃有移動路線，依附標簽的物體在路線上移動。通過在路線中部或節點處設置閱讀器，可自動讀取標簽，識別經過物體的信息。典型實現技術有：超高頻RFID、微波RFID，有源RFID。具體應用有：車間生產流水線管理，倉庫出入庫貨物自動清點。

4）漫游式

漫游式讀取中，物體附著有主動廣播標識信息的標簽，在物體活動區域內布置有若干閱讀器。當標簽進入閱讀器通信范圍內時，閱讀器將接收到標簽信息。典型實現技術有：長距離無線標識技術、有源RFID技術等。應用實例有：移動通信的蜂窩定位系統，無線傳感器網絡節點定位等。

1.4 應用模式分析

應用模式即標識技術的布置和識別模式。應用模式可按與具體應用接口和與制造系統結合[7]兩種方式劃分。其中，與具體應用接口劃分的應用模式適用于應用功能設計，與制造系統結合劃分的應用模式適合用于系統層次結構設計。

1.4.1 按與具體應用接口的方式劃分

標識技術應用中通常將標簽與物體、閱讀器與地點綁定，通過閱讀標簽獲得標簽ID、讀取時間、閱讀器ID，進而獲得物體的識別、讀取時間、地點信息，用以支持具體應用。按與具體應用接口劃分本文將應用模式分為以下六種。

1）單一識別：通過讀取單一標簽ID，識別物體。

2）群體識別：當多個標簽同時處于閱讀區內時，閱讀器讀取所有標簽ID，識別閱讀區內所有物體。群體識別雖然可獲得閱讀區域內所有物體的信息，但難以將物體與信息一一對應。

3）隊列識別[8]：當多個標簽以一組固定的排列經過閱讀區時，通過讀取標簽ID及記錄閱讀發生時間確定，獲得物體及其隊列信息。

4）報到定位：在現場關鍵位置布置閱讀器。當標簽到達某關鍵位置時，閱讀標簽從而確認該標簽已經到達某位置。

5）追蹤定位[8]：在通道的中部或節點處布置閱讀器，每個閱讀器監視一個閱讀區。標簽經過閱讀區時自動被讀取。從而獲得某標簽某時經過某地的信息。該模式能獲得標簽移動的歷史路徑。

6）實時定位[9～11]：通常在現場中布置閱讀器覆蓋定位區域，當標簽被閱讀器閱讀時將獲得標簽ID以及定位信息，通過定位信息可計算出標簽位置。

1.4.2 按與制造系統的結合的方式劃分

按與制造系統的結合方來劃分，可將應用模式分為以下四種[7]。

1）企業范圍的標識系統集中設計：標識系統作為一個獨立子系統在企業中運行，其他子系統通過企業網絡（局域網或互聯網）來使用標識系統。

2）單元級別的分布式標識系統應用：標識系統獨立布置在車間或廠房中，現場的其他子系統通過現場網絡（現場總線或局域網）使用標識系統。

《錢塘江幻想曲》譜寫于1934年，彼時李樹化到杭州工作已經六年，他已成了一個杭州人，以主人翁的態度，熱情譜寫、熱烈歌唱了西湖和錢塘等名水圣湖，用音樂來刻畫祖國山水之壯麗和可愛。淼淼西湖，浩浩錢塘，曲院風荷，柳浪聞鶯，都是他獲得創作靈感的源泉，音樂既表現了西方人尊重自然、親近自然的情懷，也有中國文人吟賞山水、詠嘆人生的胸襟。（待續）

3）設備級別的標識系統分布式應用：標識系統以附加模塊的形式，連接到設備控制器上（如主控電腦），由設備控制器協調設備與標識系統運行，實現對標識系統的使用。

4）將標識系統模塊集成到PLC 設備模塊中或已有的數據管理工具中：標識系統的閱讀器嵌入到PLC設備中，作為設備的一部分來實現標識功能的應用。

1.5 具體應用分類

具體應用指以標識技術為自動識別手段而實現的滿足實際需求、解決現場問題的應用。總結標識技術在制造業中的應用，將標識技術的具體應用劃分為供應鏈及倉庫管理、生產管理、產品生命周期管理三類[8,12～15]。

1）供應鏈及倉庫管理：物流發到貨管理、供應商追溯、到貨物品核對、貨物出入庫核對、移庫移位物品核準和庫存盤點。

2）生產管理：生產工藝指導、在制品生產進度管理、生產任務及進度管理、產品質量追溯、現場物料配送管理、人員考勤和生產設備管理。

3）產品生命周期管理：用戶使用意見反饋、售后服務如已交付設備的當前零部件組成，零部件磨損、損壞和更換率統計。

2 標識技術應用模型的各層關系分析

2.1 標識技術到應用模式間關系分析

總體來看，標識技術按識別距離及速度可分為三類：近距離低速標識、中距離高速標識和遠距離高速標識，如圖3所示。

以磁卡、IC卡、條形碼為代表的近距離低速標識技術，通過摘掛式讀取提供單一標識、報到定位的應用模式，且讀取需人工輔助。低頻、高頻RFID不怕污漬并簡化了讀取操作，提高了識別效率。

圖3 標識技術到具體應用的四層應用結構關系圖

以有源RFID為代表的遠距離高速標識技術，通過漫游式讀取提供實時定位的應用模式。

如圖3所示，標識技術的水平高度限制著讀取模式的實現，標識技術只能使用同一水平或低水平的讀取模式。讀取模式的水平高度同樣限制著應用模式，讀取模式只能支持同水平的應用模式，或能實現（大部分）與之水平低的應用模式。反之，為了實現某應用模式須選擇同水平或以上的讀取模式，再由讀取模式選擇同水平或以上的標識技術。

2.2 具體應用對應用模式的需求分析

具體應用對應用模式的需求并不是單一的。本文將具體應用對應用模式的需求分為A、B、C三類。

A類需求：該應用模式能良好的滿足具體應用需求。

B類需求：該應用模式不是必須的，但使用該應用模式能提高應用效果或工作效率。

C類需求：目前無法有效實現，但實現后對具體應用效果有明顯提升的應用模式需求。

分析得到具體應用對應用模式的需求，如表1所示。

獲得具體應用對應用模式的需求后，由水平高度最高的應用模式需求選取讀取模式，再選取標識技術，從而確定實現該具體應用的應用體系結構。

例如，生產管理類的物料配送管理具體應用過程如下：首先需要根據原料需求取得并核準原料內容和數量（使用群體識別），送往指定工序點。在原材料離開倉庫和到達工序點時確定位置（使用報到定位）。所以，讀取模式選擇收費站式，標識技術選擇有源RFID、微波或超高頻RFID。

表1 具體應用對應用模式的需求分析

3 結束語

標識技術的特性限制了其具體應用的實現能力。本文對標識技術在制造業中的應用進行了分類、分析與總結，抽象出讀取模式和應用模式，提出了標識技術的四層應用結構關系圖，并對模型各層限制關系進行了分析，為物品標識技術在企業中的具體應用提供了指導。

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