RFID在汽車零部件制造企業(yè)的應(yīng)用研究

徐文紳， 張新敏

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng)110870）

1 汽車零部件制造業(yè)廠內(nèi)物流的概念

汽車零部件制造企業(yè)廠內(nèi)物流沒(méi)有統(tǒng)一的概念，這里應(yīng)用這一概念：即指汽車制造企業(yè)按照其需求組織各個(gè)供應(yīng)商將汽車零部件以不同物流服務(wù)方式進(jìn)入汽車零部件制造企業(yè)指定的配送中心或生產(chǎn)車間的入廠物流，零部件制造企業(yè)根據(jù)自己的庫(kù)存方式和生產(chǎn)節(jié)奏對(duì)原材料進(jìn)行存放、配料的生產(chǎn)物流，以及成品按照客戶要求發(fā)運(yùn)的出廠物流三部分組成［1］。

2 汽車行業(yè)RFID 應(yīng)用

（1）RFID 構(gòu)成及原理

非接觸射頻識(shí)別技術(shù)RFID 是用無(wú)線電波的方式向應(yīng)答器里寫入或讀出數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行被標(biāo)識(shí)個(gè)體的識(shí)別方法。概況來(lái)說(shuō)，它是用電波或電磁場(chǎng)做傳輸媒體的ID 識(shí)別系統(tǒng)。其功能是把標(biāo)識(shí)物或人的ID 信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系起來(lái)，使物體或人得以識(shí)別［2］。典型的RFID 系統(tǒng)分為閱讀器、天線和標(biāo)簽三大組件，并與其它硬件和軟件系統(tǒng)相互構(gòu)成整個(gè)信息系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 RFID 工作原理

（2）RFID 與條碼技術(shù)的比較

一維條碼成本最低，使用最廣泛，設(shè)備也很成熟，但由于其信息容量有限，僅可以滿足物品的基本識(shí)別，同時(shí)還需要后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)貨物的信息數(shù)據(jù)；二維條碼可以攜帶更多的數(shù)據(jù)，可以直接在條碼中體現(xiàn)物品的信息數(shù)據(jù)，但由于其使用不夠廣泛，硬件成本也較高，同時(shí)讀取速度也比一維條碼慢；而RFID 技術(shù)不但攜帶信息量大，讀取速度快，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程讀寫，對(duì)貨位進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位。隨著物流信息技術(shù)的發(fā)展以及供應(yīng)鏈需求的提升，RFID技術(shù)替代條碼成為信息識(shí)別與采集的主要方式將成為趨勢(shì)。表1 對(duì)RFID 技術(shù)與條形碼技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較。

表1 RFID 技術(shù)與條碼技術(shù)對(duì)比

（3）應(yīng)用現(xiàn)狀

在實(shí)際領(lǐng)域，RFID 技術(shù)已廣泛深入到很多領(lǐng)域，如保安、物流、醫(yī)療保險(xiǎn)、身份認(rèn)證和消費(fèi)、圖書(shū)管理、交通、生物跟蹤等。其中RFID 在日本的發(fā)展以智能應(yīng)用為方向，美國(guó)RFID 的發(fā)展以廣義的物流為方向。RFID 作為新的信息管理手段，其產(chǎn)生的效益來(lái)自效率和管理水平的提高，RFID 的普及將是不可逆轉(zhuǎn)的潮流，尤其汽車工業(yè)，憑借其巨大的規(guī)模，必將成為新興的信息技術(shù)應(yīng)用的先行者［3］。

3 RFID 與汽車廠內(nèi)物流結(jié)合應(yīng)用

為了優(yōu)化車間RFID 網(wǎng)絡(luò)，降低系統(tǒng)成本、減少數(shù)據(jù)冗余提高系統(tǒng)的靈活性，建立車間RFID 網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型成為車間RFID 網(wǎng)絡(luò)合理規(guī)劃的關(guān)鍵［4］。由于裝備制造業(yè)車間環(huán)境的復(fù)雜性、多變性、多干擾性，確保車間RFID 網(wǎng)絡(luò)具有較高效率的因素包括以下幾個(gè)方面：

3.1 RFID 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率

網(wǎng)絡(luò)覆蓋率作為網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略部署的重要因子，被定義為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能覆蓋的范圍除以應(yīng)該覆蓋范圍的比率。假設(shè)任一RFID 讀寫器Ri的坐標(biāo)為（xi，yi），任一RFID 標(biāo)簽Ti的坐標(biāo)為（x，y），則該讀寫器和標(biāo)簽的距離可表示為：

讀寫器Ri能夠正確讀取標(biāo)簽Ti內(nèi)信息的概率為：

其中，cth是根據(jù)RFID 技術(shù)在車間不同區(qū)域的應(yīng)用而設(shè)置的參數(shù)。

基于以上分析，車間RFID 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率可以表示為：

3.2 讀寫器防沖突技術(shù)

RFID 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中讀寫器的沖突有兩種情況，第一種是讀寫器在另一個(gè)讀寫器的感應(yīng)范圍內(nèi)，如圖2（a）所示，這種沖突可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的形式避免讀寫器間的沖突；第二種是一個(gè)標(biāo)簽處在兩個(gè)讀寫器的讀寫范圍內(nèi)，但讀寫器都不在彼此間的感應(yīng)范圍內(nèi)，如圖2（b）所示，兩讀寫器無(wú)法通信也無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解決沖突，該類沖突具有以下特征：（1）讀寫器不在感應(yīng)范圍內(nèi)并會(huì)干擾標(biāo)簽的讀寫，造成標(biāo)簽信息的讀寫失效；（2）多個(gè)閱讀器同時(shí)對(duì)一個(gè)標(biāo)簽詢問(wèn)及應(yīng)答時(shí)，信號(hào)扭曲，詢問(wèn)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤；（3）因?yàn)椴捎玫氖菬o(wú)源RFID 標(biāo)簽，只有在閱讀器激活的情況下才能通信，所以標(biāo)簽間不能通過(guò)提前的信息溝通來(lái)避免沖突［5］。

圖2 RFID 讀寫器沖突類型

根據(jù)以上分析，車間RFID 網(wǎng)絡(luò)間的讀寫器沖突可以分為以下兩大類：

（1）讀寫器間干涉沖突

讀寫器間干涉沖突也叫做讀寫器頻率沖突，是在讀寫標(biāo)簽信息時(shí)，多讀寫器間的相互干擾。如圖3 所示，讀寫器R2處在具有更大射頻干擾范圍的讀寫器R1的干擾范圍內(nèi)，當(dāng)T1與R2通信時(shí)會(huì)被R1的干擾信號(hào)所影響。

圖3 RFID 讀寫器射頻干擾

（2）多讀寫器對(duì)標(biāo)簽的沖突

多讀寫器對(duì)標(biāo)簽的沖突是指兩個(gè)或兩個(gè)以上讀寫器在讀寫區(qū)域范圍內(nèi)同時(shí)向一個(gè)標(biāo)簽要求通信，每個(gè)讀寫器對(duì)標(biāo)簽都是一對(duì)一的關(guān)系，讀寫器不知道標(biāo)簽要同時(shí)對(duì)多讀寫器做出應(yīng)答，會(huì)出現(xiàn)讀寫器沖突。如圖4（a）所示3 個(gè)讀寫器在相互間不能相互探知的情況下，同時(shí)重疊對(duì)1 個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，這類干擾屬于終端隱藏問(wèn)題。圖4（b）所示的是2 個(gè)讀寫器讀取范圍不重疊的情況下，彼此間的干擾沖突。

圖4 多RFID 讀寫器對(duì)標(biāo)簽干擾

RFID 信息采集系統(tǒng)能否正確讀取標(biāo)簽信息受RFID網(wǎng)絡(luò)中讀寫器的密度及讀寫器沖突的類型決定，正確讀取的概率可以由下式計(jì)算： fr=1－（1-pTi）m（7）其中：pTi是標(biāo)簽Ti在唯一讀寫器讀寫范圍內(nèi)，被正確讀取的概率；m 是標(biāo)簽Ti同時(shí)處在讀寫范圍內(nèi)的讀寫器的個(gè)數(shù)。

4 案例研究——沈陽(yáng)L 汽車零部件制造企業(yè)基于RFID的廠內(nèi)物流系統(tǒng)的構(gòu)建

4.1 L 公司廠內(nèi)物流現(xiàn)狀和問(wèn)題

L 公司1917 年成立于美國(guó)底特律，為客戶提供完整的汽車座椅及電氣管理系統(tǒng)解決方案及產(chǎn)品，2009 年實(shí)現(xiàn)凈銷售收入97 億美元。1993 年進(jìn)入中國(guó)，其中沈陽(yáng)分公司成立于2003 年，主要為寶馬提供汽車座椅等配套服務(wù)。2012年將實(shí)現(xiàn)11 萬(wàn)套座椅的產(chǎn)量。現(xiàn)有員工300 人。根據(jù)客戶的需求預(yù)測(cè)，公司的產(chǎn)量要逐漸提升，2013 年日產(chǎn)量要從現(xiàn)在的424 臺(tái)/天，提升到575 臺(tái)/天。2014 年要實(shí)現(xiàn)675臺(tái)/天，年產(chǎn)量20 萬(wàn)套，2 年時(shí)間產(chǎn)量接近翻番。而與此同時(shí)，L 公司租借的外庫(kù)為節(jié)省成本被總公司要求取消，客戶要求的進(jìn)口件原材料14 天安全庫(kù)存需要全部被轉(zhuǎn)移至廠內(nèi)現(xiàn)有庫(kù)房?jī)?nèi)。由于廠內(nèi)空間有限，只能通過(guò)增加國(guó)產(chǎn)件到貨頻次來(lái)降低國(guó)產(chǎn)件庫(kù)存空間。這就要求L 公司的廠內(nèi)物流效率要大幅提高。

圖5 L 公司平面圖（示意圖）

4.2 L 公司生產(chǎn)制造方式和廠內(nèi)物流方式分析

L 公司現(xiàn)有一條流水生產(chǎn)線，每天3 班24h 不間斷組裝汽車座椅，廠區(qū)布置如圖5 所示，其中西側(cè)門為收貨口，東側(cè)為成品區(qū)存放區(qū)及發(fā)運(yùn)門，中間為生產(chǎn)線。物流基本為從西向東流動(dòng)。廠區(qū)內(nèi)進(jìn)口件原材料庫(kù)存為14 天，國(guó)產(chǎn)件原材料外地為3 天，本地根據(jù)零件的尺寸和客觀要求，分為4～24h庫(kù)存不等。對(duì)零件識(shí)別方式全部為紙質(zhì)條碼掃描。

4.3 基于RFID 的物流管理系統(tǒng)在L 公司的實(shí)現(xiàn)

4.3.1 入廠物流

根據(jù)L 公司新的物流管理系統(tǒng)要求，所有供應(yīng)商必須在標(biāo)包內(nèi)攜帶統(tǒng)一規(guī)格的RFID 標(biāo)簽，并由IT 部統(tǒng)一分配供應(yīng)商、零件及到貨批次唯一識(shí)別碼及編碼方式。L 公司在收貨口設(shè)置RFID 讀寫器，當(dāng)貨物進(jìn)入廠房大門，自動(dòng)讀取RFID 標(biāo)簽信息，首先與物料計(jì)劃員在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的ASN 信息的比對(duì)，如有差異，馬上聯(lián)系計(jì)劃員核實(shí)零件差異原因；如無(wú)差異則直接收入系統(tǒng)。由于倉(cāng)庫(kù)內(nèi)已布置一定數(shù)量讀寫器，可以無(wú)縫識(shí)別。所以貨物不需要按指定庫(kù)位存放，叉車可以根據(jù)就近、從速原則把貨物存放在立體貨架。

這樣的設(shè)置省去了傳統(tǒng)收貨員點(diǎn)貨驗(yàn)貨的操作，極大地節(jié)省了收貨時(shí)間，減少了供應(yīng)商送貨車的等待時(shí)間，提高了收貨口的周轉(zhuǎn)速率。

4.3.2 廠內(nèi)物流

配料員根據(jù)公司自主研發(fā)的JIS 系統(tǒng)，預(yù)先把客戶的需要順序?qū)胂到y(tǒng)，配料員根據(jù)生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏提前配料。其中原材料分為安全帶、氣囊、頭枕等JIT 件，也有蒙皮、發(fā)泡、機(jī)構(gòu)骨架等排序件。對(duì)于非排序件配料員根據(jù)線旁看板和線旁最大、最小庫(kù)存量確定是否需要補(bǔ)料。在確定配料時(shí)，大件如機(jī)構(gòu)、骨架會(huì)按班次拉動(dòng)直接放置指定位置，配料員去選取即可。對(duì)于非排序配料件，配料員優(yōu)先去小件超市選取。需要說(shuō)明的是，工廠收貨先不拆標(biāo)包直接放置高層貨架，當(dāng)小件超市的庫(kù)存小于最小安全庫(kù)存時(shí)，配料員持便攜讀寫器輸入零件號(hào)，就可以連接終端，根據(jù)RFID 讀寫信息，找到所需零件整包裝在高層貨架的位置。在零件到小件超市前都是根據(jù)RFID 作為唯一識(shí)別信息，而一旦零件標(biāo)包拆散，就根據(jù)內(nèi)置的條碼進(jìn)行識(shí)別，包括后續(xù)的生產(chǎn)線掃描上線，所以說(shuō)拆包是RFID 到條碼的區(qū)分點(diǎn)。由于在終端選取整包零件時(shí)可以看到入廠時(shí)間等信息，同時(shí)解決了困擾L 公司多年的FIFO（First in first out 先進(jìn)先出）問(wèn)題。

4.3.3 出廠物流

過(guò)去成品存放根據(jù)生產(chǎn)下線順序，由生產(chǎn)人員按經(jīng)驗(yàn)擺放。座椅的識(shí)別靠成品周轉(zhuǎn)車的條碼信息作為唯一辨認(rèn)。但如果發(fā)生客戶跳單要貨等情況，發(fā)運(yùn)員經(jīng)常需要滿庫(kù)存區(qū)找成品，極大地浪費(fèi)人力和時(shí)間，條碼還容易丟失。發(fā)運(yùn)時(shí)，發(fā)貨員需要通過(guò)掃描包裝單上的條碼進(jìn)行裝箱校驗(yàn)（確保座椅裝在正確的周轉(zhuǎn)車上）和裝車校驗(yàn)（確保座椅按照客戶的需要和順序裝進(jìn)發(fā)運(yùn)車）。通過(guò)RFID 信息技術(shù)的應(yīng)用，成品座椅在下線時(shí)都會(huì)粘貼一個(gè)便攜RFID 標(biāo)簽，這樣通過(guò)遍布在廠內(nèi)的閱讀器，可以準(zhǔn)確地識(shí)別成品座椅信息、位置，當(dāng)需要裝車時(shí)，發(fā)運(yùn)員可以根據(jù)便攜閱讀器直接找到座椅的位置。通過(guò)安放在發(fā)運(yùn)門口的閱讀器，可以準(zhǔn)確讀取每一個(gè)被移出廠房進(jìn)入發(fā)貨車的座椅，從而自動(dòng)完成裝箱校驗(yàn)和裝車校驗(yàn)。極大地節(jié)省了發(fā)運(yùn)時(shí)間。

4.4 預(yù)期與成效分析

基于RFID 的物流系統(tǒng)與采用條碼技術(shù)的生產(chǎn)管理方式之間的性能比較如表2 所示。

表2 基于RFID 與基于條碼的物流系統(tǒng)性能對(duì)比

從表2 可以看出，因?yàn)榛赗FID 的物流系統(tǒng)采用了比條碼技術(shù)更先進(jìn)的RFID 技術(shù)，能夠識(shí)別和跟蹤每一個(gè)獨(dú)立對(duì)象，對(duì)制造資源信息的收集更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性更高；能夠把信息實(shí)時(shí)反饋給企業(yè)管理層來(lái)識(shí)別和跟蹤制造現(xiàn)場(chǎng)及資源，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的可視化監(jiān)控和管理。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)流程的調(diào)研和分析，并重組廠內(nèi)物流信息系統(tǒng)，目前實(shí)際生產(chǎn)中遇到的大部分問(wèn)題都將被解決。幾個(gè)重要變化點(diǎn)如表3 所示。

表3 系統(tǒng)導(dǎo)入前后變化點(diǎn)

許多在多年的實(shí)際操作中困擾公司的問(wèn)題也在RFID的應(yīng)用中被解決。針對(duì)各種問(wèn)題導(dǎo)入系統(tǒng)后的解決方案如表4 所示。讓系統(tǒng)解決所有問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的，比如零件質(zhì)量問(wèn)題、到貨數(shù)量差異以及來(lái)料錯(cuò)誤都必須通過(guò)人工確認(rèn)。

表4 系統(tǒng)預(yù)期解決的作業(yè)問(wèn)題

通過(guò)RFID 的應(yīng)用，極大地提高L 公司的運(yùn)行效率以及客戶的滿意率，如表5 所示。

表5 使用RFID 系統(tǒng)后效率提升

5 結(jié) 語(yǔ)

汽車工業(yè)是對(duì)物流要求最高、涉及面最廣的行業(yè)。廠內(nèi)物流是整個(gè)企業(yè)制造業(yè)的重要環(huán)節(jié)，RFID 技術(shù)的引用將極大地提高整個(gè)供應(yīng)鏈的效率，降低成本。通過(guò)闡述RFID 基本理論和實(shí)際應(yīng)用條件，并將RFID 技術(shù)在L 企業(yè)的應(yīng)用過(guò)程，以及前后分析和總結(jié)，會(huì)為制造業(yè)企業(yè)引入RFID 技術(shù)提供一個(gè)有價(jià)值的案例，也將豐富RFID 技術(shù)的應(yīng)用研究。

［1］ 蔣嘯冰.我國(guó)汽車制造業(yè)零部件入廠物流模式研究［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2007，15（5）：88-91.

［2］ SKYNAR D. Taking the RFID Technology One Step Further in Access Control Systems［D］.Stockholm，Sweden；Royal Institute of Technology，2008.

［3］ 羅鳳. RFID 在供應(yīng)鏈物流管理中的應(yīng)用研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［4］ Vijayakumar G. Optimal solution for RFID load balancing［M］.Berlin:Springer Press，2010.

［5］ BAO L，et al. Collision-free topology dependent channel access scheduling［C］//Proceedings of the IEEE 21st century military communications conference（MILCOM），2010：507－511.