基于RFID技術(shù)的動(dòng)車組輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)

陳 康

（中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京動(dòng)車段，北京 102600）

輪對(duì)檢修是動(dòng)車組檢修的重要組成部分，在以整列車為單位進(jìn)行狀態(tài)檢查為基礎(chǔ)的運(yùn)用修中，其生產(chǎn)職能主要是根據(jù)動(dòng)車所的要求提供符合臨時(shí)更換要求的庫(kù)存輪對(duì)；在以部件檢修為基礎(chǔ)的動(dòng)車組高級(jí)修中，其生產(chǎn)職能主要是完成動(dòng)車組輪對(duì)的分解、檢修和組裝[1]。隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展，動(dòng)車組輪對(duì)檢修車間現(xiàn)行的數(shù)據(jù)記錄人工填寫、電臺(tái)呼喚應(yīng)答等信息采集和過(guò)程盯控方式已無(wú)法有效應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的高效檢修要求[2]。

射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)作為一種新興的電子標(biāo)簽通信技術(shù)，自誕生起，就收到各行各業(yè)的關(guān)注。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)體系的逐漸完善，國(guó)內(nèi)外制造業(yè)都在圍繞該技術(shù)積極探索信息技術(shù)變革和管理模式更新。其憑借自身的優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。如：英國(guó)拉菲爾德核電站運(yùn)用RFID技術(shù)定位員工位置并建立員工管理檔案；波音公司將RFID技術(shù)用于飛機(jī)部件的裝配和檢修；國(guó)內(nèi)很多汽車行業(yè)在汽車裝配線引進(jìn)電子標(biāo)簽，使用RFID技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)條形碼進(jìn)行零部件信息采集。

本文以某轉(zhuǎn)向架車間為研究對(duì)象，應(yīng)用RFID技術(shù)和信息物理融合思想，構(gòu)建一個(gè)信息交互效率高、過(guò)程盯控能力強(qiáng)的管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在優(yōu)化輪對(duì)檢修過(guò)程盯控方式的同時(shí)，提升了輪對(duì)信息交互效率，有效地解決了現(xiàn)階段輪對(duì)檢修中存在的難題，為動(dòng)車組輪對(duì)檢修的精細(xì)化管理提供了有力的管理和技術(shù)支撐手段[3]。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 RFID技術(shù)

RFID技術(shù)，可以通過(guò)電信號(hào)識(shí)別特定的目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)由應(yīng)答器、閱讀器、計(jì)算機(jī)3部分組成，如圖1所示。

應(yīng)答器由標(biāo)簽天線、標(biāo)簽芯片組成，主要以電子標(biāo)簽的形式存在，附著在輪對(duì)上標(biāo)識(shí)目標(biāo)輪對(duì)，主要存儲(chǔ)輪對(duì)的身份信息和檢修信息。

閱讀器由閱讀天線、信號(hào)接收器、控制元件組成，主要用于與應(yīng)答器進(jìn)行無(wú)線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器內(nèi)數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭搿?/p>

計(jì)算機(jī)可以使用各類接口（RS232串口、USB口）實(shí)現(xiàn)與閱讀器的數(shù)據(jù)交互，并提供平臺(tái)運(yùn)行相關(guān)應(yīng)用軟件，主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和信息的管理[4]。

圖1 RFID系統(tǒng)組成示意圖

1.2 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽可以為生產(chǎn)對(duì)象和生產(chǎn)資源設(shè)置唯一身份信息，是實(shí)現(xiàn)管控系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。它通過(guò)無(wú)線識(shí)別技術(shù)快速準(zhǔn)確地采集、傳輸、處理、反饋各類作業(yè)信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)對(duì)象、配件物料、作業(yè)者、生產(chǎn)設(shè)備的全面綜合管控[5]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 業(yè)務(wù)流程

在該管控系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)涉及輪對(duì)新造單位、輪對(duì)檢修單位、輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位和輪對(duì)使用單位，其中，輪對(duì)新造和檢修單位的主要管控對(duì)象是在制或在修的動(dòng)車組輪對(duì)，輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位的主要管控對(duì)象是備用或庫(kù)存的動(dòng)車組輪對(duì)，輪對(duì)使用單位的主要管控對(duì)象是支出或收入的輪對(duì)。根據(jù)動(dòng)車組輪對(duì)新造、檢修、保養(yǎng)、配臺(tái)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了基于C/S結(jié)構(gòu)的輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，輪對(duì)新造單位、輪對(duì)檢修單位、輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位和輪對(duì)使用單位通過(guò)輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)保持信息交互。

2.2 系統(tǒng)集成理念

系統(tǒng)集成理念在本系統(tǒng)里體現(xiàn)為對(duì)輪對(duì)檢修所涉業(yè)務(wù)的集成管理。輪對(duì)檢修的全過(guò)程管理涉及新造、檢修、倉(cāng)儲(chǔ)、使用等多個(gè)部門中的數(shù)10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)班組，如何溝通聯(lián)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)輪對(duì)信息的共享和作業(yè)流的順暢，是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。

圖2 輪對(duì)管控系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

為有效進(jìn)行輪對(duì)檢修管理，需要把握輪對(duì)檢修流轉(zhuǎn)的核心流程，即：檢修，質(zhì)量檢查，倉(cāng)儲(chǔ)，配送。而車間集成管理不是指運(yùn)用單一技術(shù)部門進(jìn)行管理，而是指連接眾多車間作業(yè)班組，使這些班組通過(guò)這個(gè)管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢修、存儲(chǔ)信息的共享、對(duì)事件的迅速反應(yīng)，以及對(duì)工作的協(xié)調(diào)與溝通。因此，需要解決好以下問題：

（1）完善信息分類及編碼體系，綜合運(yùn)用面向?qū)ο蠓诸惙ā⒚娣诸惙ā⒒旌戏诸惙ǖ确诸惙椒ā?/p>

（2）對(duì)涉及的車間、班組、輪對(duì)、檢修人員、檢修設(shè)備、運(yùn)輸車輛、存儲(chǔ)容器、檢修流轉(zhuǎn)線路、檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)做統(tǒng)一分類與編碼，為信息集成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)規(guī)范[6]。

（3）綜合運(yùn)用RFID、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、GIS和Kep-Server等技術(shù)，提供信息采集、分析、反饋的方法和途徑。

（4）強(qiáng)化車間各班組職能監(jiān)管，做到權(quán)責(zé)分明。

2.3 信息物理環(huán)境模型

實(shí)現(xiàn)輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)是構(gòu)建合理的信息物理環(huán)境模型、制造物理環(huán)境和信息系統(tǒng)的高度融合，保證信息系統(tǒng)的控制信息能夠?qū)χ圃煳锢憝h(huán)境進(jìn)行有效管控[7]。通過(guò)分析和歸納輪對(duì)檢修運(yùn)行方式，結(jié)合車間檢修資源實(shí)際配置情況，設(shè)計(jì)了如圖3所示的輪對(duì)檢修管控信息物理環(huán)境。

輪對(duì)檢修管控信息物理環(huán)境主要包含5大部分：信息感知工具，信息傳輸工具，控制節(jié)點(diǎn)，檢修工裝，決策節(jié)點(diǎn)。

圖3 輪對(duì)檢修管控信息物理環(huán)境模型

（1）信息感知工具：主要包括能夠采集數(shù)據(jù)的硬件節(jié)點(diǎn)，如RFID、傳感器等。

（2）信息傳輸工具：主要包括能傳遞、接收、發(fā)送信息的硬件、軟件節(jié)點(diǎn)，如OPC服務(wù)器、無(wú)線路由網(wǎng)等。

（3）控制節(jié)點(diǎn)：是具有動(dòng)作控制功能的硬件節(jié)點(diǎn)，如可編程控制器（PLC）、嵌入式終端、工控機(jī)等；

（4）檢修工裝：執(zhí)行輪對(duì)檢修指令與位移指令的硬件節(jié)點(diǎn)，如扭力扳手、輪對(duì)鏇床、齒輪箱清洗劑、聯(lián)軸節(jié)壓裝機(jī)、輪對(duì)托盤、車軸探傷機(jī)、測(cè)量機(jī)等。

（5）車間數(shù)據(jù)庫(kù)：車間數(shù)據(jù)庫(kù)能夠接收信息節(jié)點(diǎn)傳遞的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便車間技術(shù)管理人員進(jìn)行決策。

信息的來(lái)源主要是物理環(huán)境中的信息感知工具、信息傳輸工具，信息的主要去向是物理環(huán)境中的控制節(jié)點(diǎn)、檢修工裝、車間數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4 輪對(duì)電子標(biāo)簽應(yīng)用規(guī)范

電子標(biāo)簽作為標(biāo)識(shí)輪對(duì)的唯一標(biāo)志，在應(yīng)用時(shí)要特別注意。因?yàn)闃?biāo)簽的應(yīng)用直接關(guān)系到讀寫器天線的安裝方式和標(biāo)簽讀寫效果。為了獲得最佳的讀寫效果，讀寫器的極化方向要與標(biāo)簽的極化方向一致。

電子標(biāo)簽主要分為抗金屬標(biāo)簽和非抗金屬標(biāo)簽。抗金屬標(biāo)簽貼放在金屬貨物表面，而非抗金屬標(biāo)簽（包括卡片、不干膠、Inlay等）貼放在非金屬貨物表面。木箱、帆布包、塑料袋子、紙箱等貨物均可以通過(guò)非金屬標(biāo)簽來(lái)標(biāo)識(shí)[8]。

以車間倉(cāng)儲(chǔ)管理中輪對(duì)電子標(biāo)簽的使用規(guī)范為例，目前，轉(zhuǎn)向架車間的倉(cāng)儲(chǔ)管理，主要采用托盤級(jí)管理，即一個(gè)托盤上的貨物作為一個(gè)單位來(lái)完成入庫(kù)、出庫(kù)、盤點(diǎn)等操作。標(biāo)準(zhǔn)托盤的大小為120 cm×100 cm×15 cm。在貼放標(biāo)簽時(shí)，一個(gè)托盤貼放一張標(biāo)簽，標(biāo)簽貼放的位置需根據(jù)具體的托盤貨物堆放方式來(lái)確定。通常，出于安全考慮，貨物在托盤上的堆放高度不大于80 cm，即托盤與貨物一起堆放的最大高度不大于1.0 m。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件搭建

系統(tǒng)硬件主要包括：RFID標(biāo)簽、手持RFID閱讀器、固定RFID閱讀器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備。

RFID標(biāo)簽采用超高頻頻段（868 MHz/915 MHz）電子標(biāo)簽，因?yàn)槌哳l段電子標(biāo)簽具有識(shí)別速度高，識(shí)別距離遠(yuǎn)，抗沖撞性好等優(yōu)點(diǎn)，適合在車間內(nèi)使用。電子標(biāo)簽需根據(jù)貨物的不同材質(zhì)選用抗金屬標(biāo)簽或非抗金屬標(biāo)簽。

考慮到轉(zhuǎn)向架車間的特點(diǎn)，本著節(jié)約、高效、實(shí)用、易于維護(hù)的原則，采用無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）與RFID 技術(shù)相結(jié)合的方式。系統(tǒng)中，手持RFID閱讀器、固定RFID閱讀器、條碼掃描槍將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使手持RFID閱讀器、固定RFID閱讀器、條碼掃描槍在車間的任何地方都能正常工作，擴(kuò)展了其活動(dòng)范圍。

3.2 軟件環(huán)境

由于本系統(tǒng)涉及到對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的讀寫與維護(hù)，尤其是出入庫(kù)過(guò)程中還涉及到電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與逐一鑒別。如果鑒別大量數(shù)據(jù)的任務(wù)置于服務(wù)器端，將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)間有大量的數(shù)據(jù)包傳輸，影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。因此，采用C/S。C/S 結(jié)構(gòu)客戶端響應(yīng)速度快，能充分發(fā)揮客戶端計(jì)算機(jī)的處理能力。將大量的工作放在客戶端的計(jì)算機(jī)上處理后再提交給服務(wù)器，可以減輕網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸量與服務(wù)器的工作量，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。

系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)為：Windows7/XP（客戶端）、Windows2003 Server（服務(wù)器）。

數(shù)據(jù)庫(kù)為：SQL Server 2005。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，在轉(zhuǎn)向架車間，輪對(duì)檢修管控主要為：輪對(duì)信息采集、輪對(duì)在修狀態(tài)監(jiān)控、輪對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理。基于RFID技術(shù)的輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)，可在各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)輪對(duì)檢修進(jìn)行高效管控。

4.1 輪對(duì)信息采集

輪對(duì)信息采集是輪對(duì)檢修管控的第1個(gè)環(huán)節(jié)，輪對(duì)檢修單位、輪對(duì)使用單位、輪對(duì)新造單位、輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位根據(jù)輪對(duì)高級(jí)修、臨時(shí)修、臨時(shí)換、檢修后存儲(chǔ)等情況提出信息采集需求，輪對(duì)檢修系統(tǒng)客戶端從數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)檢索符合檢修、更換、存儲(chǔ)條件的輪對(duì)，更新對(duì)應(yīng)的輪對(duì)履歷和技術(shù)信息，并將選定輪對(duì)信息以單據(jù)形式上報(bào)數(shù)據(jù)中心。同時(shí)，將RFID電子標(biāo)簽附著于輪對(duì)不易碰損的位置，記錄其對(duì)應(yīng)信息，以便輪對(duì)檢修單位、輪對(duì)使用單位、輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位能快捷有效地讀取輪對(duì)信息。

4.2 輪對(duì)在修狀態(tài)監(jiān)控

輪對(duì)在修狀態(tài)監(jiān)控是輪對(duì)檢修管控重要的一環(huán)。管控平臺(tái)通過(guò)讀卡器訪問附著在輪對(duì)上的電子標(biāo)簽，獲取輪對(duì)的應(yīng)用信息，判斷輪對(duì)是否進(jìn)入相應(yīng)工位；同時(shí)，通過(guò)自動(dòng)測(cè)量設(shè)備或在設(shè)備上安裝的測(cè)量傳感器，獲取產(chǎn)品三維坐標(biāo)信息、產(chǎn)品尺寸信息、檢修扭力信息等產(chǎn)品在修狀態(tài)信息，借助專用的車間無(wú)線網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，并顯示在管控系統(tǒng)可視化界面上。

輪對(duì)檢修單位技術(shù)管理人員通過(guò)可視化系統(tǒng)監(jiān)控輪對(duì)檢修狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際臨修、臨換、檢修計(jì)劃發(fā)出指令，對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)輪對(duì)的運(yùn)輸、檢修進(jìn)行控制，其信息流程如圖4所示。

4.3 輪對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理

輪對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)是輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)。新造輪對(duì)、備用輪對(duì)送達(dá)輪對(duì)庫(kù)存保養(yǎng)單位后，保養(yǎng)單位開啟輪對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理程序，流程如圖5所示。

圖4 檢修管控信息流程

圖5 RFID倉(cāng)儲(chǔ)管理流程

4.3.1 輪對(duì)入庫(kù)

（1）輪對(duì)貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，并將對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽號(hào)錄入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，當(dāng)輪對(duì)需要入庫(kù)時(shí)，先在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)將需要入庫(kù)的輪對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行入庫(kù)授權(quán)。

（2）使用流水線固定RFID讀寫器、叉車讀寫器讀取輪對(duì)、車輛、運(yùn)輸員信息，倉(cāng)儲(chǔ)管控子系統(tǒng)根據(jù)讀取的信息判斷該輪對(duì)是否具備入庫(kù)資質(zhì)。若符合條件，則將讀取的信息生成數(shù)字化表單存入倉(cāng)儲(chǔ)管控子系統(tǒng)；若不符合，則生成報(bào)警信息。

（3）倉(cāng)庫(kù)專職進(jìn)行入庫(kù)檢查，用手持移動(dòng)讀寫器讀取每個(gè)電子標(biāo)簽，并將其和當(dāng)場(chǎng)驗(yàn)收檢查結(jié)果相比較，若信息相符，則形成一條入庫(kù)記錄。最后，將手持讀寫器的信息導(dǎo)入總服務(wù)器，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的初始信息對(duì)比，若一致，則完成入庫(kù)。

（4）開啟倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控讀寫器，每3 h訪問一次托盤標(biāo)簽。若監(jiān)控?zé)o應(yīng)答，則通過(guò)倉(cāng)儲(chǔ)管控系統(tǒng)將報(bào)警信息傳達(dá)給輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)。

4.3.2 輪對(duì)出庫(kù)

（1）輪對(duì)貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，并將對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽號(hào)錄入到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，當(dāng)輪對(duì)需要出庫(kù)的時(shí)候，先在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)將需要出庫(kù)的輪對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行出庫(kù)授權(quán)[9]。

（2）輪對(duì)通過(guò)推車形式，通過(guò)通道門讀寫器進(jìn)行檢測(cè)，讀取到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)會(huì)上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，若全為已授權(quán)出去標(biāo)簽，則默認(rèn)通過(guò)。相反若有未授權(quán)標(biāo)簽，則發(fā)出警報(bào)[10]。

4.4 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)已應(yīng)用于某轉(zhuǎn)向架車間輪對(duì)線。為了更好地進(jìn)行輪對(duì)信息化管理，建立了信息化工作站，用于輪對(duì)信息的集中管控。該系統(tǒng)在優(yōu)化輪對(duì)檢修過(guò)程盯控方式的同時(shí)，提升了輪對(duì)信息交互效率，解決了現(xiàn)階段輪對(duì)檢修中存在的難題。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)可以有效提高動(dòng)車組輪對(duì)的周轉(zhuǎn)效率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組輪對(duì)檢修過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤和實(shí)時(shí)控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某轉(zhuǎn)向架車間為研究對(duì)象，結(jié)合動(dòng)車輪對(duì)檢修工作的特點(diǎn)及要求，應(yīng)用RFID技術(shù)和信息物理融合思想，構(gòu)建了一個(gè)信息交互效率高、過(guò)程盯控能力強(qiáng)的管控系統(tǒng)，提供了輪對(duì)檢修、輪對(duì)庫(kù)存及輪對(duì)流轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化管理解決方案，顯著提升了輪對(duì)檢修、流轉(zhuǎn)的自動(dòng)化程度，尤其提升了信息系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程信息的自動(dòng)獲取能力和生產(chǎn)管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息的反饋能力。

本系統(tǒng)也將在繼續(xù)驗(yàn)證和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，集成車間級(jí)企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)（MES），完成對(duì)車間全方位資源實(shí)時(shí)信息的綜合利用，并建立輪對(duì)檢修管控系統(tǒng)的智能化生產(chǎn)體系。