引言

　　隨著市場競爭的逐步加劇，現(xiàn)代制造業(yè)需要面對越來越多的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：少量多種類的生產(chǎn)模式、不斷縮短的生產(chǎn)周期、對客戶多變需求的及時響應(yīng)。這些都要求現(xiàn)代制造業(yè)具備更高的自動化和信息化程度。

　　RFID(Radio Frequency Identification)利用電磁感應(yīng)原理在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞信號，作為一種非接觸式的自動識別技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠、識別速度快、保密性好、穿透性強、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好以及能同時識別多標(biāo)簽等優(yōu)點，并且可工作于各種惡劣環(huán)境研究應(yīng)用RFID技術(shù)，探索重組企業(yè)信息流，更大限度地發(fā)揮我國制造業(yè)現(xiàn)有資源優(yōu)勢，推動企業(yè)技術(shù)進步及傳統(tǒng)制造業(yè)的升級換代的可行方案與模式，已成為當(dāng)務(wù)之急。

　　生產(chǎn)車間作為產(chǎn)品制造的中心場所、成品物流和供應(yīng)物流的起訖節(jié)點，車間的制造能力及其內(nèi)部物流能力對企業(yè)的生產(chǎn)能力起到了決定性的作用。而制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)作為承接ERP(Enterprise Resource System，企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)、協(xié)調(diào)SCM(Supply Chain Management，供應(yīng)鏈管理)系統(tǒng)、調(diào)度底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的樞紐，在車間生產(chǎn)過程中起到了重要的作用，是進行車間管理的一種先進技術(shù)。

　　而將RFID技術(shù)融入MES系統(tǒng)之中，必定有助于提高生產(chǎn)線監(jiān)控能力，消除系統(tǒng)間信息斷層，提高生產(chǎn)管理水平，是促進傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展升級的眾多途徑之一。

　　文中結(jié)合安徽省某汽車生產(chǎn)企業(yè)具體情況，對RFID技術(shù)在汽車總裝線上的應(yīng)用模式進行研究。

　　1、汽車裝配流程分析

　　汽車的裝配生產(chǎn)活動作為離散工業(yè)生產(chǎn)中的典型情況，具有以下特征：生產(chǎn)過程并行且異步，設(shè)備功能冗余度大，控制量相互獨立，生產(chǎn)資源管理復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中的零部件處于離散狀態(tài)，車輛的生產(chǎn)制造主要通過物理加工和組裝來實現(xiàn)。

　　1.1 現(xiàn)有汽車裝配流程

　　車身首先在上線點上線，工作人員手動掃描車身VIN條碼進行車體數(shù)據(jù)采集，完成車輛上線報工流程。車輛到達裝配工位，裝配工人首先查看粘貼在車輛上的裝配指導(dǎo)書，然后安裝相應(yīng)零部件，最后在裝配指導(dǎo)書上粘貼已安裝零部件的條形碼。在與分裝線合流工位，裝配工人需首先掃描條碼來校驗分裝線總成和總裝車體是否匹配，通過校驗之后才能進行安裝。在當(dāng)車輛到達下線點時，工作人員需要手動掃描車身條碼以及裝配指導(dǎo)書上粘貼的所有條碼來確定車輛裝配信息，之后才能進行下線的報工操作。

　　1.2 現(xiàn)有流程中的問題

　　汽車總裝生產(chǎn)線上主要使用的是條碼技術(shù)，工位員工采取手動方式掃描車身VIN碼和零部件條碼進行車輛跟蹤和裝配信息采集，整個采集過程耗時相對較大。當(dāng)遭遇條碼損壞、沾染污漬無法識別時，員工需手工輸入車輛VIN碼或零部件碼，出錯率高、耗時長，難以加快生產(chǎn)節(jié)拍。生產(chǎn)現(xiàn)場可視化程度有待提高，需要為工人提供實時準(zhǔn)確的裝配指導(dǎo)，杜絕漏裝錯裝現(xiàn)象的發(fā)生，對生產(chǎn)線車輛的裝配情況也需要實時監(jiān)控。物料消耗信息反饋不及時，難以實現(xiàn)生產(chǎn)物料的實時拉動，導(dǎo)致生產(chǎn)物料庫存過多，影響資金流動。缺少對員工和其裝配零部件的關(guān)聯(lián)管理，導(dǎo)致在追溯因人工操作導(dǎo)致的質(zhì)量問題時難以將責(zé)任落實到人。

　　2、RFID技術(shù)和適用性分析

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別的目的。

　　RFID系統(tǒng)通常由射頻標(biāo)簽、閱讀器和天線組成。射頻標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進行通信。閱讀器是讀取(寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備。天線用來在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻(135kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻(915MHz)、微波(2.4GHz)幾種類型，分別適用于不同的應(yīng)用場景和需求。

　　RFID技術(shù)不只是條碼技術(shù)的簡單替換，它在離散制造業(yè)中的應(yīng)用將改變離散制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方式。由于RFID技術(shù)具有數(shù)據(jù)存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠、識別速度快、保密性好、穿透性強、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好以及能同時識別多標(biāo)簽等優(yōu)點，用其取代條形碼在汽車生產(chǎn)線上對車輛進行標(biāo)識和跟蹤，整個過程無人工干預(yù)，可以在極大程度上降低工人的勞動強度和出錯率。現(xiàn)今已經(jīng)可以利用RFID技術(shù)來實現(xiàn)自動、高速、有效的記錄，降低操作員的勞動強度，從而提高了產(chǎn)品下線合格率。

　　將RFID技術(shù)應(yīng)用于汽車制造業(yè)，融入到MES系統(tǒng)中，有利于將管理決策有效轉(zhuǎn)化并實時傳送至產(chǎn)品層，可提升生產(chǎn)過程的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產(chǎn)所需的包括物料、設(shè)備、人力等資源;與上層管理系統(tǒng)結(jié)合，可合理地調(diào)度、管理這些資源，提高制造競爭力，改善生產(chǎn)組織、縮短生產(chǎn)周期、減少在制品數(shù)量，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低人力資源消耗。對于發(fā)展離散制造業(yè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)模式和應(yīng)用解決方案、提高制造過程可視化監(jiān)控與產(chǎn)品質(zhì)量追蹤水平、促進制造行業(yè)RFID技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成、帶動我國RFID技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

　　3、RFID技術(shù)在汽車總裝線上的應(yīng)用方案

　　3.1 應(yīng)用目標(biāo)

　　基于上文對現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程的分析，充分利用RFID的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合總裝車間MES系統(tǒng)，解決企業(yè)現(xiàn)行ERP系統(tǒng)的計劃層與車間現(xiàn)場自動化系統(tǒng)過程控制層之間、LES(Logistic Execution System，物流執(zhí)行系統(tǒng))車間內(nèi)部物流層面和MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制層之間、車輛質(zhì)量追溯系統(tǒng)和原有MES系統(tǒng)之間信息和管理的斷層問題，實現(xiàn)制造和質(zhì)量的可視化和數(shù)字化管理。具體分解為以下幾個子目標(biāo)：

　　★ 將RFID技術(shù)融入生產(chǎn)車間的裝配工位之中，利用RFID標(biāo)簽標(biāo)識零部件進行數(shù)據(jù)采集，時刻掌握生產(chǎn)線物料消耗信息，無延遲拉動供應(yīng)物流。進一步滿足JIT供貨模式的需求，消除MES系統(tǒng)和LES系統(tǒng)之間的信息和管理斷層;對重要部件進行安裝記錄，為質(zhì)量追溯系統(tǒng)提供翔實可靠的數(shù)據(jù)支持。

　　★ 將RFID技術(shù)現(xiàn)場可視化系統(tǒng)相結(jié)合，對生產(chǎn)中的車輛進行監(jiān)控，實時了解生產(chǎn)線情況和車輛裝配進度，并可以向裝配工人提供實時準(zhǔn)確的裝配指導(dǎo)。

　　★ 將RFID技術(shù)與車間人員管理系統(tǒng)和質(zhì)量追溯系統(tǒng)相結(jié)合，除了實現(xiàn)人員管理的功能，還可以對裝配操作進行記錄，實現(xiàn)裝配責(zé)任落實到人，消除MES系統(tǒng)(車間人員管理)和質(zhì)量追溯系統(tǒng)之間的信息和管理斷層。

　　3.2 應(yīng)用流程

　　本方案采用高頻和超高頻兩種RFID標(biāo)簽相互配合，高頻標(biāo)簽用以標(biāo)識人員和零部件，超高頻標(biāo)簽用于標(biāo)識在制車輛。

　　在車輛上線之前，工作人員將初始化的標(biāo)簽安裝在車體前部引擎蓋上表面。生產(chǎn)線員工需在工位上的高頻讀卡器上刷卡，完成上崗認證，系統(tǒng)記錄當(dāng)前工位員工上崗狀態(tài)信息。

　　在車輛上線前，工作人員掃描車身VIN條碼，超高頻讀寫器將VIN碼信息寫入其天線場強范圍內(nèi)的車輛RFID標(biāo)簽，后續(xù)工位通過讀寫車身RFID標(biāo)簽來完成生產(chǎn)線車輛監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等工作。

　　在裝配工位，超高頻讀寫器讀取車輛標(biāo)簽后，提示相應(yīng)工位的零部件安裝信息。工作人員安裝相應(yīng)零部件，并在高頻讀寫器上刷相應(yīng)零部件料箱中的高頻RFID標(biāo)簽。系統(tǒng)獲取相應(yīng)車輛的部件安裝信息和工作人員信息以備后期質(zhì)量跟蹤，系統(tǒng)向LES系統(tǒng)返回物料消耗信息，并刷新工位零部件安裝信息提示，直至該工位所有應(yīng)裝部件全部安裝完畢。在向生產(chǎn)線工位供貨環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)物流部門將零部件送達工位之后，系統(tǒng)更新零部件數(shù)量信息。

　　在下線工位，超高頻讀寫器讀取車輛標(biāo)簽，系統(tǒng)檢查裝配信息，工作人員取下車輛RFID標(biāo)簽，循環(huán)使用。

　　3.3 標(biāo)簽選型

　　應(yīng)用方案中共涉及到高頻(13.56MHz)和超高頻(915MHz)兩種不同類型的RFID標(biāo)簽。所選擇的RFID標(biāo)簽規(guī)格如表1、表2所示。

　　表1 高頻標(biāo)簽參數(shù)列表

　　表2 超高頻標(biāo)簽參數(shù)列表

　　由于車間內(nèi)人員的流動性強，故配備讀寫距離僅有10cm的高頻RFID標(biāo)簽，有利于避免標(biāo)簽誤讀和串讀，標(biāo)簽內(nèi)存放員工ID和基本信息。零部件的安裝需要一個確認的動作。故配備讀寫距離僅有10cm的高頻RFID標(biāo)簽，每個零部件料箱中放置一枚高頻RFID標(biāo)簽，裝配工人在安裝部件時刷標(biāo)簽作為安裝確認和數(shù)據(jù)采集操作，標(biāo)簽內(nèi)存放零部件號。

　　車輛在生產(chǎn)線上的運動速度緩慢并且有規(guī)則，且車體的長度使得標(biāo)簽間距在5m左右，故在每臺車輛上放置一枚超高頻RFID標(biāo)簽，控制讀寫器讀寫距離在5m以內(nèi)，可以避免串讀和誤讀，標(biāo)簽內(nèi)存放車輛唯一標(biāo)識碼(VIN碼)。車輛標(biāo)簽采用防金屬膠磁封裝，方便吸附于車體表面。

　　4、基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

　　4.1系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)通過RFID處理模塊向原有MES系統(tǒng)提供實時可靠的數(shù)據(jù)支持，并根據(jù)新的業(yè)務(wù)流程對MES系統(tǒng)進行再造，形成“基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)”。同時RFID處理模塊向其他相關(guān)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，消除MES同質(zhì)量追溯系統(tǒng)、ERP、LES等系統(tǒng)之間的信息斷層。基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　圖1 基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

　　4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　本系統(tǒng)利用部署在車間服務(wù)器中的RFID軟件中間件對車間讀寫器網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理，有利于屏蔽RFID設(shè)備差異性、提高RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和效率，且RFID設(shè)備不依賴工位終端，無需對工位終端進行特殊配置，方便部署。基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

　　4.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　本系統(tǒng)在B/S模式采用三層結(jié)構(gòu)進行開發(fā)，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)持久層、業(yè)務(wù)服務(wù)層和表示層三個層面。數(shù)據(jù)持久層負責(zé)實現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)和對象數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫的存取操作和數(shù)據(jù)序列化。業(yè)務(wù)服務(wù)層根據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)流程對業(yè)務(wù)操作進行封裝，接收和反饋來自表示層的請求，調(diào)用RFID處理模塊進行實時數(shù)據(jù)采集，調(diào)用數(shù)據(jù)持久層實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取和序列化。表示層負責(zé)將業(yè)務(wù)操作包裝表示成可視化界面，供用戶訪問，向業(yè)務(wù)服務(wù)層發(fā)送請求并接收反饋。在J2EE開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合Struts2、Hibernate、Spring、DWR等主流開源框架，具有良好的跨平臺兼容性。基于RFID技術(shù)的汽車總裝管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

　　Struts框架是基于MVC(Model-View-Controller)模式的框架，主要采用JSP與Servlet技術(shù)實現(xiàn)。系統(tǒng)使用Struts框架整合Servlet、JSP、自定義標(biāo)簽和信息資源，完成系統(tǒng)對前臺頁面操作的響應(yīng)。

　　系統(tǒng)采用Hibernate作為Java持久層解決方案，建立對象/關(guān)系映射。實現(xiàn)從關(guān)系型數(shù)據(jù)到對象型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

　　DWR作為一種實現(xiàn)了Ajax交互能力的Web框架，可以把服務(wù)器端的任何Java對象公開為可以通過瀏覽器中的JavaScript訪問的遠程對象。本系統(tǒng)利用DWR框架實現(xiàn)正向和反向Ajax功能，將RFID處理模塊所獲取的數(shù)據(jù)實時推送至響應(yīng)業(yè)務(wù)模塊中，減少瀏覽器冗余請求，降低服務(wù)器壓力，提高系統(tǒng)運行效率。

　　Spring框架是在J2EE的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的一個輕量級J2EE框架。本系統(tǒng)用它來為程序提供Bean的配置、AOP的支持、抽象事務(wù)支持，組織系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層對象，實現(xiàn)組件對象創(chuàng)建與使用之間的松耦合。

　　4.4 系統(tǒng)接口

　　系統(tǒng)提供4種接口與現(xiàn)有的遺留系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，4種接口分別是WebService、JMS、文本文件、數(shù)據(jù)庫。前兩種是函數(shù)層面的接口調(diào)用，后兩種是文件層面的接口調(diào)用。

　　5、結(jié)束語

　　文中在對汽車生產(chǎn)流程進行分析的基礎(chǔ)上，將RFID技術(shù)融入汽車生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)之中，提出了一種基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行應(yīng)用方案以及相應(yīng)的體系架構(gòu)。據(jù)該系統(tǒng)在安徽某汽車生產(chǎn)企業(yè)總裝生產(chǎn)線上的實際運行情況表明，基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)使得企業(yè)能夠及時、準(zhǔn)確地掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率，確實有利于MES系統(tǒng)和LES系統(tǒng)之間協(xié)同工作，為產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤提供了精確的數(shù)據(jù)保障。