射頻識別技術在離散生產車間中的應用綜述* ＊

白 翱 林 葉 陳 楊

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

射頻識別技術(radio frequency identification， RFID)是上世紀90年代以來逐漸興起的一種自動化識別和數據采集技術，也是當前流行的物聯網(internet of things，IOTs)技術中的感知層關鍵技術。正如用友軟件公司總裁王文京所言:RFID 的核心價值在于通過事件驅動的IT 架構，解決企業實時的數據獲取、實時的數據與業務協同、自動化的業務流程以及實時的商務智能、業務決策與信息展示等一系列關鍵性問題［1］。

一個完整的RFID 系統一般主要由標簽、讀寫器、中間件、應用程序等4 個部分構成。傳統的企業管理信息系統如企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)系統、供應鏈管理(supply chain management，SCM)系統等獲取數據的方式主要是手工輸入或條形碼掃描，前者費時費力、易出錯、錄入速度慢，后者需目視讀取、讀取距離有限、易被污損、不支持批量讀取。而RFID 技術則較好地克服了前述兩種方式的不足，具有遠距離讀取、無方向性、穿透性好、使用壽命長、環境適應能力強、存儲容量大、可寫入等典型特征［2］，因而受到不少企業的青睞。特別是本世紀初以來，隨著一些世界500 強企業(如沃爾瑪公司)和政府機構(如美國國防部)的強力推動及其對供應商的強制要求，RFID 在供應鏈和物流(supply chain and logistics，SCL)領域中得到了日益廣泛、深入的應用和推廣。

當前，隨著RFID 技術的日益成熟、標簽成本的不斷降低，以及制造企業生產過程精益化管控的需求，RFID 在離散生產車間中也逐漸得到了深入而廣泛的應用。通過在離散生產車間中部署RFID 系統，并與制造執行系統(manufacturing execution system，MES)、生產管理系統(production management system，PMS)、倉庫管理系統(warehouse management system，WMS)等相關系統進行集成，可更好地實現車間制造過程的實時化、可視化、智能化管理，零延遲地為上層管理者提供底層車間生產執行過程相關的信息，輔助管理者更好進行定量化的、科學的分析、判斷和決策(避免過去的經驗型決策)，從而增強車間的業務過程動態優化能力、產品質量控制能力、成本精細化管理能力，減少訂單執行過程中的偏差，最終提升制造企業面向復雜、多變、以客戶為中心的全球化市場的競爭能力。

本文將首先論述離散生產車間的管控難點及其對RFID 的需求，論述RFID 的導入和部署給離散生產車間帶來的益處，以及由此催生的一系列先進制造模式;接下來，總結和歸納RFID 在離散生產車間中的應用模式及其案例，進一步從不同的角度凸顯車間引入RFID 的必要性;最后，提出了離散生產車間應用RFID的主要障礙，以及為此需要解決的若干關鍵科學和技術問題，供讀者參考和討論。

1 離散生產車間對RFID 的需求

離散制造過程一般是指將原材料、毛坯等通過一般工藝(如切削等)或者特種工藝(如熱處理等)加工成為合格的零部件，最后再將零部件裝配成為最終成品并完成質量檢驗的過程。離散制造過程具有如下的一些典型特征:(a)訂單和預測驅動的生產計劃并存，因此下達準確的生產計劃往往較為困難，計劃變更較為頻繁;(b)產品構成一般比較復雜，產品下屬的零部件眾多，產品及零部件的工序數目較多，對于部分產品，存在著“邊研制邊生產”的情況，同時，多任務的并發執行導致對關鍵制造資源爭奪的現象較為突出;(c)生產過程中的不確定性因素多、突發情況較多(如緊急插單、物料短缺、設備宕機、人員離崗、工裝損壞、質量波動等)，對生產任務的正常執行影響較大。

上述離散制造過程的固有特性決定了離散制造的具體執行場所——離散生產車間中的生產組織、管理及其控制天生就具有較大的不確定性、復雜性和困難性，需要進行合理的生產計劃及排程、全方位地監控計劃執行過程、及時反饋各類生產異常情況以便進行重調度，所有這些關鍵環節的實現，無不需要車間現場實時數據的采集和反饋。因此，有效地獲取車間制造執行過程的狀態信息是實現離散制造過程控制和管理的關鍵所在之一。

而通過實時獲取車間現場狀態信息，可以實現［7］:(a)及時反饋車間已下達作業任務的執行情況，車間管理人員可據此進行管理、控制和優化;(b)通過及時、準確的制造現場數據支持，一些調度規則或智能調度算法能夠獲得更好的應用效果;(c)能夠第一時間掌握車間一線的生產異常情況或事件，從而采取積極、有效的干預措施;(d)能夠應對頻繁的生產計劃變更或緊急插單，實現更合理的生產調整和重調度;(e)由過去經驗型的、定性/半定量化、滯后的生產管理向定量化、及時的科學管理和控制轉變。

作為一種獲得廣泛應用的自動化識別技術，RFID技術可以和設備聯網技術、條形碼技術、觸摸屏技術等一起，采集不同類型的車間生產現場數據，被后臺應用系統加以處理后形成車間實時狀態信息，解決傳統離散生產車間中存在的“過程不可見”、“黑箱作業”等突出問題，從而協助管理人員克服離散生產車間管理的難點，更好地實現車間制造過程的動態控制和主動優化。由于RFID 自身的一些典型特征，如遠距離讀取、無方向性、穿透性好、使用壽命長、環境適應性好、存儲容量大、可寫入等優勢，使得RFID 技術相比其他數據采集技術所采集的數據類型更為豐富、采集數據的效率更高、數據的時效性更好、采集方式更為靈活，將成為下一代數字化制造車間中的重要數據采集手段。

鑒于RFID 的引入給車間制造過程管理帶來的積極促進作用，目前國內外已有一些學者提出并發展了若干基于RFID 的先進制造范式或技術，比較典型的有:

(1)無線制造

香港大學黃國全教授等提出了無線制造(wireless manufacturing，WM)的理念［3］，采用RFID 技術采集和同步車間生產現場數據，以便為生產過程的控制提供定量的決策依據，并根據不同的生產特點或生產模式，開發了不同的原型系統加以驗證。

(2)基于普適計算技術的設計和制造

Suh 等提出了基于普適計算技術的設計和制造(design and manufacture via ubiquitous computing technology，UbiDM)模式［4］，RFID 是其中數據采集層中的重要使能技術，可實時獲取BOL(beginning-of-life)階段(含設計、生產)、MOL(middle-of-life)階段(含使用、維護)和EOL(end-of-life)階段(含回收、處理)的信息。

(3)基于智能物件的制造企業信息系統

臧傳真等提出了基于智能物件(smart-item)的制造企業信息系統的概念［5］，通過在普通物體上粘貼RFID 標簽或附著讀寫器，使之成為智能物件，從而自動、實時、準確、詳細地獲取企業物理環境的信息，不僅能為企業已有的信息系統提供新的數據源，而且能夠協助企業改進其業務流程。

(4)基于射頻識別的制造執行系統

劉衛寧等設計和開發了基于射頻識別的制造執行系統(manufacturing execution system，MES)［6］，將射頻識別技術引入制造企業內部，以解決企業計劃層與現場過程控制層間信息和管理斷層的問題，實現了制造和質量的可視化和數字化管理。

(5)基于泛在計算的智能制造

白翱提出了基于泛在計算的智能制造(簡稱U -制造)的概念［7］，采用RFID 技術采集車間生產現場實時數據，加以分析、處理后可獲得物流實時信息和質量實時信息，并提出了相應的信息服務機制。

上述學術思想或理念的提出，一定程度上反映了學術界對RFID 在離散生產車間應用前景的期待和看好。

2 離散生產車間中RFID 的應用模式

按照離散生產車間中制造執行過程及其關聯制造資源監控、管理、控制和優化的需求，RFID 在離散車間中有多種應用模式。總結目前已有的相關文獻及報道，我們將RFID 在離散生產車間的應用模式劃分為物料跟蹤、質量控制與質量追溯、設備資產管理、在制品管理、生產過程控制與調度等，下面分別介紹每種應用模式及其應用案例。

2.1 物料跟蹤

RFID 在車間物料跟蹤方面得到了最為廣泛的應用。由于RFID 標簽可以標識單品、且無需目視讀取，因此可以實現更細粒度、更實時的物料跟蹤，而不是傳統的基于條碼人工掃描的批次跟蹤和填寫紙質卡片的滯后跟蹤。例如:Brusey 等提出采用RFID 技術實現高度定制化生產過程中的零部件自動跟蹤，并通過應用案例加以驗證［8］;福特公司在其墨西哥的工廠里建立了EMS(escort memory system)系統，采用RFID 標簽可寫入的特性，記錄和更新產品生產過程數據，克服了傳統人工填寫表格易出錯的問題，大大提高了產品跟蹤的有效性［9］;IBM 公司在其半導體工廠中利用無源RFID 標簽來標識和跟蹤晶片，可以實時定位晶片當前所在的工序、獲取相關信息，并顯著減少了相關管理人員的數量［10］;Zhang 等建立了基于RFID 的物料跟蹤系統的功能模型和體系結構，利用RFID 讀寫器與后端數據庫系統的通信同步信息流和物流，并開發了圖形化的跟蹤界面供用戶使用［11］;白翱等利用RFID 標簽標識單個物料，通過構建物流狀態矩陣記錄不同時刻的物流事件，結合幾類矩陣秩判定準則，實現單批次作業任務中各個物料狀態的細粒度監控和跟蹤［12］。

2.2 質量控制與質量追溯

最終產品的質量很大程度上取決于車間過程質量。利用RFID 標簽可唯一標識車間中的各類質量要素(人、機、料等)、并且可以向標簽寫入數據的特點，可以更好地實現車間的質量控制與質量追溯。在質量控制方面的相關研究有:Jr 等構建了符合ISO9000 標準的基于RFID 技術的車間質量保證框架，該框架將車間質量控制與改進劃分為數據獲取、分析、執行、審核等階段，以協助工人監控生產過程中復雜多變的質量波動情況，據此給出了實際應用案例［13］;Lo 等將RFID 技術引入到印刷電路板的生產線上，通過RFID實時采集并傳遞質量信息，進而控制和保證表面封裝過程中印刷電路板的質量［14］。在質量追溯方面的相關研究有:愈家文等研究了基于RFID 的汽車全面質量跟蹤管理系統，能夠追蹤到整車的零部件生產加工信息和質量檢驗信息［15］;曾祥興等分析了RFID 在制造業質量追溯中的應用，建立了質量追溯系統的拓撲結構，比較了4 種不同的采集生產現場質量數據的RFID 設備搭配方式［16］。

2.3 設備資產管理

利用RFID 技術可遠距離讀、可寫入、單品標識等特性，可實現對車間設備資產的精細化管理，提升設備資產的可用性，避免因設備資產不可用、準備不到位而影響生產的正常執行。例如:Karen 提出通過在設備上貼裝RFID 標簽以提高設備的可見性，工人只需要掃描標簽，便可獲得設備屬性和歷史維修記錄［17］;Li等開發了一個基于RFID 的設備管理信息系統，使得設備管理過程更加快捷、方便，智能化程度更高［18］;Motorola 公司推出了RFID 資產管理解決方案，可以對工廠內車間和庫房的重要資產進行自動的跟蹤和防失竊保護［19］;通用動力陸地系統公司在其坦克制造車間中導入RFID 系統，以便對一些昂貴的工具進行管理，防止這些工具失竊，并在需要的時候就能立即找到這些工具［20］;Abhishek 等開發了一個自動化的資產定位感知系統，通過引入一個攜帶了RFID 讀寫器的爬行機器人，可定期掃描車間某區域內的資產［21］。

2.4 在制品管理

在制品一般是指產品加工路線上起點和終點之間的庫存。鑒于RFID 無須目視讀取且支持批量讀取的特性，可為車間在制品管理帶來極大的便利。例如:通用汽車公司早在上世紀80 年代末，就采用無源、可寫入的RFID 系統來管理其位于布法羅工廠發動機裝配車間內的在制品［22］;Tu 等針對大批量定制生產環境中因產品高度個性化、結構復雜而帶來的不能實時、準確獲取在制品庫存信息的難題，利用超高頻RFID 技術管理車間在制品，并應用于某自行車工廠的實際生產中［23］;Huang 等提出了基于RFID 的無線制造系統解決方案，用于對按功能布局加工車間中在制品的實時管理［24］;梁昌勇等提出了基于RFID 和條形碼技術結合的汽車生產現場二級倉庫管理方案，實現了生產現場零部件的快速領料、補料和盤點［25］。

2.5 生產過程控制與調度

利用RFID 可批量讀取、單品識別的優勢，可以實時獲取生產現場的任務執行狀態，從而更好地實現生產過程的反饋控制及其調度。例如:Wang 等提出了基于RFID 和多代理技術的敏捷制造計劃與控制系統，可對動態變化的制造活動進行管理，并實時響應各類異常情況［26］;Higuera 等提出采用RFID 技術為車間多代理控制系統提供實時信息［27］;Pavel 等提出綜合采用RFID 技術、可編程邏輯控制器和多代理技術，實現對車間制造過程的控制［28］;Chen 采用RFID 和本體技術，建立了可實現制造過程協同的車間多代理控制系統［29］;Kim 等綜合利用RFID 技術和數據挖掘技術，建立了車間生產控制系統，并應用在液晶顯示器生產線上［30］;David 等［31］、Tu 等［23］和Chen 等［32］則分別研究了RFID 技術在大批量定制生產過程控制中的具體應用;Huang 等提出了基于RFID 技術的自適應裝配計劃與控制系統，通過將RFID 附著在工作站、關鍵工具、重要部件和容器上，使之變成智能物體(smart object)，實現裝配過程的智能化控制［33］。

上述應用模式分別利用了RFID 技術不同的特性和優勢，總結如表1 所示。

表1 RFID 應用模式與RFID 特性對應表

3 離散生產車間中RFID 應用的挑戰

由前述內容可知，目前離散生產車間中已有較多的零星或單點應用案例，但另一方面，當前RFID 的大規模應用尚存在著若干障礙，不同領域中RFID 應用存在的普遍性難題主要有:①較多的項目投資預算;②應用標準的不統一;③較大的用戶培訓成本;④企業不斷變化和調整的業務流程;⑤技術應用的不完全成熟性;⑥存在著隱私泄露等信息安全隱患［34-35］。對于離散生產車間中RFID 的應用，上述難題也普遍存在。此外，筆者認為缺乏RFID 應用的標準、規范、方法和工具也是當前離散生產車間中RFID 應用的主要障礙之一。由于缺乏經過大量實踐檢驗的實施指導和實施參考，使得目前RFID 的應用較多地依賴于RFID 應用專家、項目經理等關鍵人物的知識、技能和經驗，使得RFID 的應用更像是一門藝術而不是一門科學［36］，存在著“理論研究滯后于應用實踐”的現象，這將導致RFID 在離散生產車間中應用的高風險性和高失敗率。因此，為提高RFID 在離散生產車間中的實施成功率，我們認為有幾個關鍵科學和技術問題需要予以重點關注，并從理論層面加以深入的研究，這些關鍵問題主要有:

(1)RFID 應用的可行性分析

針對某一離散生產車間的具體情況，評估其應用RFID 的能力，并根據不同的能力采取不同的RFID 導入策略，以減少失敗風險。如白翱等構建了面向中小離散制造企業的RFID 導入多層次決策模型，將企業導入RFID 的能力成熟度級別劃分為初始級、觀望級、實驗級、實施級和集成級，以便為離散車間導入RFID提供定量的決策支持［37］;Vojdani 等建立了基于過程和知識的模型，用于識別和評估企業應用RFID 的潛力［38］。

(2)RFID 應用的投資回報分析

RFID 的投資回報率(return on investment，ROI)用以度量企業實施RFID 系統時投入的資金所帶來的收益程度，是制造企業應用RFID 時管理決策層最為關心的焦點問題之一。因此，結合離散生產車間的管控需求和應用場景，評估RFID 的投資回報率顯得尤為重要。相對于RFID 的項目投資成本(包括標簽、讀寫器、中間件、系統集成、運行與維護等成本)，RFID 系統的收益構成則比較復雜［39］。Brian 討論了RFID 應用于惠普公司制造和供應鏈過程中建立ROI 模型的必要性，但并未進一步討論如何計算ROI［40］。

(3)RFID 應用的系統選型

由于離散車間中涉及的對象較多、應用環境也較為復雜的，因此選擇合適的RFID 系統對成功實施RFID 項目具有重要的作用。在選擇RFID 系統的時候，除了考慮標簽成本、系統集成方便性等通用因素外，還需要重點考慮具體標識對象的材料、形狀、體積、大小等個性化因素。如Ufuk 等提出了采用模糊層次分析法(fuzzy AHP)來解決多指標約束條件下的RFID系統選型問題，并應用于玻璃制造行業中［41］;Amar 等給出了RFID 系統的八步選型框架，以便構建某航空發動機維修車間中的實時跟蹤和控制系統［42］。

(4)RFID 應用的管控點識別模型

建立管控點識別模型的目的是進一步設計車間RFID 系統的具體應用方案(即確定標簽標識的對象、采用讀寫器采集數據的工位)。通常，制造過程中產生的海量實時數據與企業已有的ERP 或MES 系統相對有限的數據處理能力之間存在著一定的不匹配性，另外部分制造節點的信息對整個上層管理決策的貢獻較少，因此并沒有必要用標簽標識每一個對象、在每一個節點上設置RFID 讀寫器。在識別RFID 管控點時，應首先從管理層面確定關鍵業務流程或關鍵業務對象(如關鍵工序、關鍵工位、重要零部件等)，其次從技術層面綜合考慮管控點密度、監控時效性和采集成本三者的平衡關系。如張俊等以教學機器人的裝配過程為例，利用Petri 網識別RFID 的讀寫點，并建立了裝配生產過程的實時數據采集模型［43］。

(5)RFID 的數據分析與事件處理

RFID 系統采集了海量的車間制造過程數據，這些數據語義層次低，包含的信息有限，在進入企業業務系統之前必須經過預分析和預處理。現階段常用復雜事件處理(complex event process，CEP)［44］技術來展現RFID 數據流背后隱藏的信息。如Ku 等研究了一種面向RFID 應用的分布式復雜事件處理系統，該系統與傳統的集中式處理系統相比，具有更好的魯棒性和可擴展性［45］。目前的研究主要是采用中間件實現對RFID 原始數據的過濾、消除重復數據、糾錯等操作［46］，在面向業務應用層面的數據處理方面，還需要進一步研究，以獲取更多業務相關的語義信息。

(6)RFID 系統的應用可靠性分析

離散生產車間是一個復雜的應用環境，不可避免地存在RFID 標簽錯讀、漏讀或多讀的現象，需要對RFID 系統的應用可靠性進行研究。如Paul 等總結了RFID 應用于供應鏈管理時影響其可靠性和性能的主要因素，包括標簽位置、標簽識別的靈敏度、讀寫器的讀寫范圍、金屬和水的干擾等［47］。現有的研究主要局限于標簽、讀寫器等硬件層面的可靠性上，應進一步綜合考慮車間業務過程、應用系統、用戶操作等多種因素，據此建立可靠性分析和評估模型。

4 結語

(1)人類社會將由互聯網時代逐漸過渡到物聯網時代，RFID 作為物聯網的重要傳感設備，能實時感知到物理環境中的狀態變化，將在企業供應鏈和產品全生命周期的諸多環節中得到廣泛和深入的應用。

(2)RFID 技術的應用成本將不斷降低，在制造過程可視化、精益化和智能化管控的驅動下，越來越多的離散制造企業將在其工廠、車間、生產線中應用RFID技術。

(3)根據應用目的和標識對象，RFID 在離散生產車間中的應用場景可劃分為物料跟蹤、質量控制與質量追溯、設備資產管理、在制品管理、生產過程控制與調度等。

(4)RFID 應用的需求雖然很強烈，也出現了一些零星應用案例，但RFID 在離散車間應用的理論層面研究相對較少，需要從RFID 應用的可行性分析、投資回報分析、系統選型等多個方面開展進一步的研究，以提高RFID 應用的成功率。

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