引言

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

　　RFID(Radio Frequency Identification)利用電磁感應原理在標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，具有數據存儲量大、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、環境適應性好以及能同時識別多標簽等優點，并且可工作于各種惡劣環境研究應用RFID技術，探索重組企業信息流，更大限度地發揮我國制造業現有資源優勢，推動企業技術進步及傳統制造業的升級換代的可行方案與模式，已成為當務之急。

　　生產車間作為產品制造的中心場所、成品物流和供應物流的起訖節點，車間的制造能力及其內部物流能力對企業的生產能力起到了決定性的作用。而制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)作為承接ERP(Enterprise Resource System，企業資源計劃)系統、協調SCM(Supply Chain Management，供應鏈管理)系統、調度底層生產控制系統的樞紐，在車間生產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。

　　而將RFID技術融入MES系統之中，必定有助于提高生產線監控能力，消除系統間信息斷層，提高生產管理水平，是促進傳統制造業發展升級的眾多途徑之一。

　　文中結合安徽省某汽車生產企業具體情況，對RFID技術在汽車總裝線上的應用模式進行研究。

　　1、汽車裝配流程分析

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

　　1.1 現有汽車裝配流程

　　車身首先在上線點上線，工作人員手動掃描車身VIN條碼進行車體數據采集，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書，然后安裝相應零部件，最后在裝配指導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 現有流程中的問題

　　汽車總裝生產線上主要使用的是條碼技術，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，難以加快生產節拍。生產現場可視化程度有待提高，需要為工人提供實時準確的裝配指導，杜絕漏裝錯裝現象的發生，對生產線車輛的裝配情況也需要實時監控。物料消耗信息反饋不及時，難以實現生產物料的實時拉動，導致生產物料庫存過多，影響資金流動。缺少對員工和其裝配零部件的關聯管理，導致在追溯因人工操作導致的質量問題時難以將責任落實到人。

　　2、RFID技術和適用性分析

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

　　RFID系統通常由射頻標簽、閱讀器和天線組成。射頻標簽由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信。閱讀器是讀取(寫入)標簽信息的設備。天線用來在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID按應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用場景和需求。

　　RFID技術不只是條碼技術的簡單替換，它在離散制造業中的應用將改變離散制造企業的生產經營方式。由于RFID技術具有數據存儲量大、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、環境適應性好以及能同時識別多標簽等優點，用其取代條形碼在汽車生產線上對車輛進行標識和跟蹤，整個過程無人工干預，可以在極大程度上降低工人的勞動強度和出錯率。現今已經可以利用RFID技術來實現自動、高速、有效的記錄，降低操作員的勞動強度，從而提高了產品下線合格率。

　　將RFID技術應用于汽車制造業，融入到MES系統中，有利于將管理決策有效轉化并實時傳送至產品層，可提升生產過程的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產所需的包括物料、設備、人力等資源;與上層管理系統結合，可合理地調度、管理這些資源，提高制造競爭力，改善生產組織、縮短生產周期、減少在制品數量，提高產品的質量和降低人力資源消耗。對于發展離散制造業生產制造系統模式和應用解決方案、提高制造過程可視化監控與產品質量追蹤水平、促進制造行業RFID技術應用標準規范形成、帶動我國RFID技術產業化發展等方面具有重要的理論意義和應用價值。

　　3、RFID技術在汽車總裝線上的應用方案

　　3.1 應用目標

　　基于上文對現有業務流程的分析，充分利用RFID的技術優勢，結合總裝車間MES系統，解決企業現行ERP系統的計劃層與車間現場自動化系統過程控制層之間、LES(Logistic Execution System，物流執行系統)車間內部物流層面和MES系統生產控制層之間、車輛質量追溯系統和原有MES系統之間信息和管理的斷層問題，實現制造和質量的可視化和數字化管理。具體分解為以下幾個子目標：

　　★ 將RFID技術融入生產車間的裝配工位之中，利用RFID標簽標識零部件進行數據采集，時刻掌握生產線物料消耗信息，無延遲拉動供應物流。進一步滿足JIT供貨模式的需求，消除MES系統和LES系統之間的信息和管理斷層;對重要部件進行安裝記錄，為質量追溯系統提供翔實可靠的數據支持。

　　★ 將RFID技術現場可視化系統相結合，對生產中的車輛進行監控，實時了解生產線情況和車輛裝配進度，并可以向裝配工人提供實時準確的裝配指導。

　　★ 將RFID技術與車間人員管理系統和質量追溯系統相結合，除了實現人員管理的功能，還可以對裝配操作進行記錄，實現裝配責任落實到人，消除MES系統(車間人員管理)和質量追溯系統之間的信息和管理斷層。

　　3.2 應用流程

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

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

　　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的車輛RFID標簽，后續工位通過讀寫車身RFID標簽來完成生產線車輛監控和數據采集等工作。

　　在裝配工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽后，提示相應工位的零部件安裝信息。工作人員安裝相應零部件，并在高頻讀寫器上刷相應零部件料箱中的高頻RFID標簽。系統獲取相應車輛的部件安裝信息和工作人員信息以備后期質量跟蹤，系統向LES系統返回物料消耗信息，并刷新工位零部件安裝信息提示，直至該工位所有應裝部件全部安裝完畢。在向生產線工位供貨環節中，生產物流部門將零部件送達工位之后，系統更新零部件數量信息。

　　在下線工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽，系統檢查裝配信息，工作人員取下車輛RFID標簽，循環使用。

　　3.3 標簽選型

　　應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標簽。所選擇的RFID標簽規格如表1、表2所示。

　　表1 高頻標簽參數列表

　　表2 超高頻標簽參數列表

　　由于車間內人員的流動性強，故配備讀寫距離僅有10cm的高頻RFID標簽，有利于避免標簽誤讀和串讀，標簽內存放員工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標簽，每個零部件料箱中放置一枚高頻RFID標簽，裝配工人在安裝部件時刷標簽作為安裝確認和數據采集操作，標簽內存放零部件號。

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

　　4、基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統應用架構

　　4.1系統應用結構

　　系統通過RFID處理模塊向原有MES系統提供實時可靠的數據支持，并根據新的業務流程對MES系統進行再造，形成“基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統”。同時RFID處理模塊向其他相關系統提供數據支持，消除MES同質量追溯系統、ERP、LES等系統之間的信息斷層。基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統應用結構如圖l所示。

　　圖1 基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統應用結構圖

　　4.2 系統網絡架構

　　本系統利用部署在車間服務器中的RFID軟件中間件對車間讀寫器網絡進行統一管理，有利于屏蔽RFID設備差異性、提高RFID讀寫器網絡的穩定性和效率，且RFID設備不依賴工位終端，無需對工位終端進行特殊配置，方便部署。基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統架構如圖2所示。

　　圖2 基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統網絡架構圖

　　4.3 系統軟件架構

　　本系統在B/S模式采用三層結構進行開發，系統分為數據持久層、業務服務層和表示層三個層面。數據持久層負責實現關系型數據和對象數據之間的相互轉換、數據庫的存取操作和數據序列化。業務服務層根據相關業務流程對業務操作進行封裝，接收和反饋來自表示層的請求，調用RFID處理模塊進行實時數據采集，調用數據持久層實現數據存取和序列化。表示層負責將業務操作包裝表示成可視化界面，供用戶訪問，向業務服務層發送請求并接收反饋。在J2EE開發環境下，結合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技術的汽車總裝管理系統的軟件架構如圖3所示。

　　圖3 基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統軟件架構圖

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

　　系統采用Hibernate作為Java持久層解決方案，建立對象/關系映射。實現從關系型數據到對象型數據的轉換。

　　DWR作為一種實現了Ajax交互能力的Web框架，可以把服務器端的任何Java對象公開為可以通過瀏覽器中的JavaScript訪問的遠程對象。本系統利用DWR框架實現正向和反向Ajax功能，將RFID處理模塊所獲取的數據實時推送至響應業務模塊中，減少瀏覽器冗余請求，降低服務器壓力，提高系統運行效率。

　　Spring框架是在J2EE的基礎上實現的一個輕量級J2EE框架。本系統用它來為程序提供Bean的配置、AOP的支持、抽象事務支持，組織系統中的業務服務層、數據訪問層對象，實現組件對象創建與使用之間的松耦合。

　　4.4 系統接口

　　系統提供4種接口與現有的遺留系統進行數據交換，4種接口分別是WebService、JMS、文本文件、數據庫。前兩種是函數層面的接口調用，后兩種是文件層面的接口調用。

　　5、結束語

　　文中在對汽車生產流程進行分析的基礎上，將RFID技術融入汽車生產制造執行系統之中，提出了一種基于RFID技術的汽車總裝制造執行應用方案以及相應的體系架構。據該系統在安徽某汽車生產企業總裝生產線上的實際運行情況表明，基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統使得企業能夠及時、準確地掌握生產線狀態，提高生產效率，確實有利于MES系統和LES系統之間協同工作，為產品的質量跟蹤提供了精確的數據保障。