引言
RFID（Radio Frequency IdentificatiON）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別的目的，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，諸如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可讀寫、非接觸、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、保密性好、穿透性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好以及能同時(shí)識(shí)別多標(biāo)簽等等，并且可工作于各種惡劣環(huán)境。
車間的制造能力和其內(nèi)部物流能力對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)能力起到了決定性的作用，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(jì)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。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)提出了進(jìn)一步的要求，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：少量多種類的生產(chǎn)模式，不斷縮短的生產(chǎn)周期，對(duì)客戶多變需求的及時(shí)響應(yīng)。這些都要求現(xiàn)代制造業(yè)具備更高的自動(dòng)化和信息化程度。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(guó)制造業(yè)現(xiàn)有資源優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步及傳統(tǒng)制造業(yè)的升級(jí)換代的可行方案與模式，已成為當(dāng)務(wù)之急。而將RFID技術(shù)融入MES系統(tǒng)之中，必定是促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展升級(jí)的眾多途徑之一。
1 系統(tǒng)需求分析
作為離散工業(yè)生產(chǎn)中的典型情況，汽車的裝配生產(chǎn)活動(dòng)具有以下特征：生產(chǎn)過(guò)程并行且異步，設(shè)備功能冗余度大，控制量相互獨(dú)立，生產(chǎn)資源管理復(fù)雜，在生產(chǎn)過(guò)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(guò)物理加工和組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)。
RFID技術(shù)不只是條碼技術(shù)的簡(jiǎn)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(yíng)方式。由于RFID技術(shù)具有前文所述的諸多優(yōu)勢(shì)，用其取代條形碼在汽車生產(chǎn)線上對(duì)車輛進(jìn)行標(biāo)識(shí)和跟蹤，整個(gè)過(guò)程無(wú)人工干預(yù)，可以在極大程度上降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和出錯(cuò)率。現(xiàn)今已經(jīng)可以利用RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高速、有效的記錄，降低操作員的勞動(dòng)強(qiáng)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，可提升生產(chǎn)過(guò)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(guò)程可視化監(jiān)控與產(chǎn)品質(zhì)量追蹤水平、促進(jìn)制造行業(yè)RFID技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成、帶動(dòng)我國(guó)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(jià)值。
2 系統(tǒng)目標(biāo)
基于以上需求分析，提出以下系統(tǒng)總目標(biāo)：充分利用RFID的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(jì)劃層與車間現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)過(guò)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(wèn)題，實(shí)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(gè)子目標(biāo)：
（1）將RFID技術(shù)與生產(chǎn)線調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，在生產(chǎn)線調(diào)度自動(dòng)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線調(diào)度智能化。
（2）將RFID技術(shù)與融入生產(chǎn)車間的裝配工位之中，利用RFID標(biāo)簽標(biāo)識(shí)零部件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，時(shí)刻掌握生產(chǎn)線物料消耗信息，無(wú)延遲拉動(dòng)供應(yīng)物流，進(jìn)一步滿足JIT供貨模式的需求；對(duì)重要部件進(jìn)行安裝記錄，為質(zhì)量追溯系統(tǒng)提供翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。
（3）將RFID技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)可視化系統(tǒng)相結(jié)合，向工位工人提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的裝配指導(dǎo)。
（4）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(shí)現(xiàn)人員管理的功能，還可以對(duì)裝配操作進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)裝配責(zé)任落實(shí)到人。
3 RFID技術(shù)在汽車總裝線上的應(yīng)用方案
應(yīng)用方案中共涉及到高頻（13.56MHz）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。
其中人員配備高頻RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存放員工ID和基本信息；每個(gè)零部件料箱中放置一枚高頻RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存放零部件號(hào)；每臺(tái)車輛上放置一枚超高頻RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存放車輛唯一標(biāo)識(shí)碼（VIN 碼）。車輛標(biāo)簽采用膠磁封裝，方便吸附于車體表面。
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(rèn)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(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)的車輛RFID標(biāo)簽，后續(xù)工位通過(guò)讀寫車身RFID標(biāo)簽來(lái)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(dá)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RFID標(biāo)簽，循環(huán)使用。
4 基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)
4.1 系統(tǒng)功能模塊
基于RFID技術(shù)的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊主要分為車間生產(chǎn)管理、生產(chǎn)線可視化、RFID標(biāo)簽管理、車間人員管理等四個(gè)功能模塊，具體功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示：
車間人員管理：管理車間人員的基本信息，配置員工的工作崗位信息，為人員工作記錄和車輛零部件數(shù)采等功能提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
總裝車間生產(chǎn)管理：在計(jì)劃層面從ERP系統(tǒng)獲取粗粒度生產(chǎn)計(jì)劃，分解成為日生產(chǎn)計(jì)劃，指導(dǎo)車間生產(chǎn)。在整車生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)車輛的每一個(gè)裝配步驟進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)控，以規(guī)范整個(gè)生產(chǎn)流程，其中包括向裝配工人提供裝配作業(yè)指導(dǎo)，自動(dòng)化整車裝配和物料消耗數(shù)據(jù)采集，提供精確到零部件信息、裝配人員信息、供應(yīng)商信息的裝配記錄，向MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋工位物料的消耗數(shù)據(jù)。
生產(chǎn)線可視化：提供對(duì)生產(chǎn)線和車輛狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)反饋，有利于管理人員實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)情況。
RFID標(biāo)簽管理：負(fù)責(zé)人員標(biāo)簽的發(fā)放和管理，在車輛標(biāo)簽的循環(huán)使用中對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行發(fā)放和回收，并針對(duì)車輛標(biāo)簽進(jìn)行資產(chǎn)管理。
4.2 系統(tǒng)體系結(jié)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(duì)車間讀寫器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(wú)需對(duì)工位終端進(jìn)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)結(jié)構(gòu)如圖2所示：
4.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)
本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，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(tái)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：
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(shí)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(duì)前臺(tái)頁(yè)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(duì)象/關(guān)系映射，實(shí)現(xiàn)從關(guān)系型數(shù)據(jù)到對(duì)象型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
DWR作為一種實(shí)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(duì)象公開為可以通過(guò)瀏覽器中的JavaScript訪問(wèn)的遠(yuǎn)程對(duì)象。本系統(tǒng)利用DWR框架實(shí)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(shí)時(shí)推送至響應(yīng)業(yè)務(wù)模塊中，減少瀏覽器冗余請(qǐng)求，降低服務(wù)器壓力，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。
Spring框架是在J2EE的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)輕量級(jí)J2EE框架。本系統(tǒng)用它來(lái)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(wèn)層對(duì)象，實(shí)現(xiàn)組件對(duì)象創(chuàng)建與使用之間的松耦合。
5 結(jié)語(yǔ)
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(shí)際運(yùn)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(shí)、準(zhǔn)確的掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率，確實(shí)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)量跟蹤提供精確的數(shù)據(jù)保障。