李文川 王 旭 罗志勇

1.重庆大学,重庆,400030 2.重庆邮电大学,重庆,400065

汽车制造企业的RFID应用标准体系研究

李文川1王 旭1罗志勇2

1.重庆大学,重庆,400030 2.重庆邮电大学,重庆,400065

阐述了射频识别(RFID)应用标准体系的作用,分析了国内外RFID标准研究现状;从企业内部和供应链两个角度提出了面向汽车制造企业的RFID应用标准体系需求;以RFID系统四层体系结构为主线构建了RFID应用标准体系框架,并描述了该标准体系结构中基础标准、通用标准、物理层标准、采集层标准、集成层标准、应用层标准等各类标准的技术内容。应用标准体系的研究为汽车制造企业RFID的应用实施提供了基础平台。

应用标准体系;标准;汽车制造企业;射频识别

0 引言

经济全球化和可持续发展战略对汽车行业提出了更多挑战和更高要求,为此,汽车制造企业一直积极努力采用各种先进的制造技术、制造模式来提升产品的研发能力和企业的管理水平[1]。尽管汽车制造企业吸收了各种先进制造模式的管理思想,但由于缺乏必要的技术手段,故仍然无法对与制造过程相关的内外资源实现实时综合协调控制和制造过程的精细化管理,导致企业不能及时响应顾客的需求并实现产品的增值。

射频识别(radio freguency identification,RFID)作为一种非接触自动识别技术为解决以上问题提供了一套理论上的可行方案,并逐步应用于汽车制造企业[2]。目前国内外学者对汽车制造企业RFID的研究主要集中于供应链管理[3]、物料协同配送[4]、生产过程控制[5]、质量管理[6]等领域。总体来说,目前国内外的研究主要集中在技术和管理两个层次,对汽车制造企业 RFID应用标准体系的研究相对薄弱。笔者在分析国内外RFID标准研究现状的基础上,结合汽车制造企业对RFID的实际需求,构建了面向汽车制造企业的RFID应用标准体系框架,以期能为RFID的实施和推广提供技术支持。

1 RFID应用标准体系的作用

标准体系是一定范围内标准按其内在联系形成的科学的有机整体(GB/T 13016)。RFID应用标准体系包含了为满足RFID系统应用发展总体需求,实现RFID应用系统不同功能,推进RFID系统实施所用到的一系列标准。RFID应用标准体系建立和运行的主要目的是保证RFID应用过程中各类标准的质量和标准实施的稳定性[7],其作用主要体现在以下几个方面:

(1)是国家RFID标准体系框架的重要组成部分。建立适合中国国情的RFID标准体系,有利于推动我国 RFID技术的发展和应用。RFID应用标准体系通过结合具体的行业特点引用基础技术标准体系,为RFID技术应用提供系统指导和规范[8]。

(2)为RFID应用提供基础平台。RFID系统的规划和实施是一项系统工程,RFID应用标准体系的建立有利于综合协调各系统组成部分,实现过程、组织、资源的协同,使得各参与主体能积极开展各项活动,促进企业RFID系统的顺利实施。

(3)支撑中国的RFID产业发展及应用。同国外相比,我国的RFID标准化研究起步较晚,进展较慢。建立具有自主知识产权的RFID应用标准体系有利于掌握信息控制权和RFID产业控制权,推进中国RFID产业化的进程,维护国家利益[9]。

2 国内外RFID标准研究现状

目前国际上研究RFID相关标准的代表性组织主要有EPCglobal(全球产品电子代码管理中心)、ISO/IEC(国际标准化组织/国际电工委员会)、UID(ubiquitous ID center,泛在识别中心)。

EPCglobal标准体系包括EPC编码标准、空中接口协议、阅读器协议以及物联网相关标准[10],如中间件规范、ONS(对象名解析服务)、PM L(物理标记语言)等。

ISO/IEC技术标准体系的研究对象主要包括了设备标准、数据保护和隐私规范、识别标准、空中接口标准、传感器标准、一致性和性能标准、设备接口标准、数据编码和协议标准(中间件)、数据标准、数据交换和协议、数据与网络安全、实时定位、移动RFID等从物理层到应用层的各个层面的标准[11]。RFID应用标准以技术标准为基础,研究面向集装箱、动物管理、物流与供应链等领域的RFID具体应用规范。

UID技术标准体系主要包括识别码、通信器、解析服务器、信息系统服务器4个组成部分。同EPCglobal相比,UID在编码标准、商品信息检索、使用频段等方面采取与EPCglobal不同的方案,应用领域除了库存管理,还能实现产品和零部件跟踪管理。

国内RFID标准的研究方面,目前已制定或发布了《集成电路卡模块技术规范》、《建设事业IC卡应用技术》、《全国产品与服务统一标识代码编制规则》、《铁路机车车辆自动识别设备技术条件》、《动物射频识别代码结构》等RFID标准。总体来说,当前国内RFID标准的研究已取得一定的实质性进展,但与国外相比仍存在巨大差距。

3 需求分析

目前汽车制造企业普遍面临着物料和生产信息获取不及时、不准确、不完善,无法实现精益生产控制,也不能快速响应市场并为顾客提供更好的产品和服务等诸多问题。因此,RFID应用的首要目的是提高企业内部物流和生产运作的效率,降低企业经营成本;其次是与企业现有管理系统集成,实现跨组织间信息的无缝流动,快速响应用户需求,最终实现实时企业这一战略目标。

3.1 基于企业内部视角的RFID应用需求

(1)生产管理的实时化、透明化:利用RFID可实现汽车生产全过程实时状态信息采集和监控,车间和企业管理人员能及时掌握生产信息,快速响应产品变动过程以进行生产计划的实时调整和调度。

(2)生产管理的精益化:利用RFID实时跟踪原材料、在制品、零部件等物料的动态信息,提高车间物流消耗平准化,实现生产管理的精益化。

(3)生产过程的自动化、智能化:利用RFID采集的车型、车体颜色等信息,控制混流生产的车体队列分合流,提升喷涂机器人、PLC等现场控制设备的智能化水平。

(4)全面质量管理:利用RFID实时采集、存储在制品的质量信息,实现质量管理的自动化、无纸化,有利于产品出现质量问题时实现质量追溯。

3.2 基于供应链视角的RFID应用需求

(1)供应链物流管理:利用 RFID提升供应商、制造商以及车辆分销过程中物流、信息流的可见性和信息传递效率,消除信息失真。其中,供应商根据制造商的实时生产进度信息制定出最优的供应计划;分销过程中利用RFID实时跟踪车辆运输、仓储库存等情况,制定合理的销售策略。

(2)客户及服务管理:利用RFID为消费者提供详细的产品信息、精细化产品支持和服务、降低产品维护成本和缩短响应时间;维修人员根据产品使用情况进行维修计划的合理安排,分析、解决和监控产品使用过程中出现的问题并反馈给相关人员如设计人员以减小产品召回风险。

4 汽车制造企业RFID应用标准体系框架

要满足汽车制造企业的RFID应用需求,RFID应用过程需注意以下问题:①汽车制造特定生产环境下RFID物理设备的技术特性。同其他应用行业如物流领域相比,汽车制造企业生产环境复杂、业务流程众多,这对RFID的硬件性能、数据处理能力及系统稳定性提出了更高要求。②RFID技术与条形码技术、传感检测等其他数据采集手段的套用和融合。目前国内外汽车制造企业的RFID应用总体还处于小规模示范阶段,满足汽车生产环境要求的专用标签较少、价格偏高,且RFID投资收益不明显使得企业多采取观望状态,因此在较长时期将出现RFID与条码等多数据采集方式协同并存的局面。③为实现实时企业的战略目标,RFID系统必须与企业现有管理系统如ERP、SCM、MES等集成并与供应链上其他企业实现信息共享,促进过程、资源和产品的协调。

典型的 RFID系统结构可分为物理层、采集层、集成层和应用层4个层次[12]。物理层包括标签、阅读器、天线、传感器、条码扫描枪等物理设备;采集层的主要工作是进行数据的采集和传输,具体来讲就是阅读器与标签或与介质访问控制层之间的通讯过程;集成层通过屏蔽物理层设备的接口差异,对现场获取的大量原始数据进行过滤、聚集和分发,并提供应用程序接口为RFID应用提供支撑;应用层包括各种后台应用软件和系统,实现企业相关业务的管理。汽车制造企业RFID系统的示意结构见图1。

结合汽车制造企业的生产特性,参考制造业其他信息化标准体系,本文以汽车制造企业RFID系统四层体系结构为主线,提出了面向汽车制造企业的 RFID应用标准体系框架,主要包括基础标准、通用性标准、物理层标准、采集层标准、集成层标准、应用层标准 6个方面,如图 2所示。其中,基础标准和通用性标准为后4个标准的支撑。

图2 汽车制造企业RFID应用标准体系

4.1 基础标准

基础标准是本领域中涉及专业技术的通用标准,包括术语、符号、系统安全等。其中,系统安全标准是对汽车制造企业 RFID系统的安全要求,主要体现在3个层次:标签内数据的安全、阅读器与标签之间空中接口的数据传输安全以及应用系统的信息安全等,此类标准可直接引用现有标准。

4.2 通用性标准

本类标准是汽车制造企业RFID系统规划、设计和实施全过程的基础标准。

(1)支撑环境:RFID系统的设计开发和实施需要以计算机硬件及媒体、计算机网络为基础,利用软件工程的思想明确系统目标、遵循相关原则、协调各种活动,构建实用、高质量的软件产品。此类标准可直接引用现有标准。

(2)生产环境特性规范:RFID系统要能正常工作,其物理设备性能必须满足汽车制造企业的生产现场环境要求且稳定可靠。此规范的主要目的是获取汽车生产全过程的生产环境特性参数和生产线参数(如温度、湿度、焊枪的电压与电流、电磁辐射强度、酸碱度、周边设备质地、车体或零部件移动速度等)。完备、典型的汽车制造企业生产环境特性规范有利于RFID应用环境仿真、生产线仿真模型的建立[13],便于RFID设备选型、应用场景仿真测试以及为RFID设备厂商生产出适合汽车制造企业的产品提供参考依据。

(3)应用规范:是对RFID系统实施过程中的技术事项、技术要求、实施程序等所做的规定。完整的RFID应用规范包括系统实施规范和测试规范两部分。

系统实施规范包括标签结构规范、电气性能规范、标签及阅读器安装规范、RFID系统布网规范、工程项目管理规范等内容。

标签结构规范规定了标签的外形尺寸、材质、封装方式等。标签外形尺寸应大小适合便于安装于车体或零部件之上;标签材质及封装方式保证了标签在恶劣生产环境(如涂装环节)的影响下具备较长的使用寿命和稳定的性能。

电气性能规范规定了工作频率、读写距离、天线极化方向、防碰撞能力、读取速率、响应时间等。工作频率方面,国内外汽车制造企业 RFID应用案例中采用高频或超高频,但无论何种频段必须满足国家工信部对RFID的相关规定;读写距离受天线功率、设备安装布置方式、周边介质的影响,且在复杂环境因素干扰下会逐渐衰减,在制定规范时须考虑以上因素;天线极化方向应按照实际应用需求和生产线布局情况进行选取;汽车制造企业受到生产节拍和实时数据交互的限制,要求读取速率高,响应快,而且不能出现误读和漏读的现象。

标签及阅读器安装规范包括天线的选择与布局、标签附着的具体位置及安装方式、阅读器的安装位置等。天线的类型、数量及安装方式应保障标签无漏读,且相邻天线之间无干涉;标签安装方式因企业采取闭环或开环应用方式而有所不同,具体来讲可附着于托盘、滑撬、车体、零部件之上,但其安装方式应便于读写,不能影响企业生产方式和生产节拍。

系统布网方式规范规定了电缆、有线和无线网络等的布置方式。RFID的布网应尽量与原有条形码、传感器、其他装备或系统的网络进行融合。

工程项目管理规范用于对项目实施过程中的时间、质量、成本、合同、组织等进行控制、管理和协调。

测试规范是RFID应用规范中的重要组成部分,主要任务是在RFID系统实施过程中选择和评价适合汽车制造企业生产现场的RFID设备。具体包括RFID设备一致性测试、性能测试以及在生产现场的综合性能测试3个环节。

一致性测试包括射频测试和相关协议测试,以验证阅读器和标签是否满足相关技术标准。

性能测试主要获取阅读器和标签构成的系统的性能特性。一致性测试和性能测试一般由国家相关权威检测部门和设备厂商进行,为用户的设备选型提供基础的技术指标。一致性测试和性能测试可直接引用现有标准。

综合性能测试是在应用场景仿真测试的基础上初选设备,并到生产现场进行性能验证,为设备型号的确定以及系统实施规范提供现场实验数据,保障RFID系统的稳定性和可靠性。此类测试应该制定出科学合理的测试方案,既不对企业生产运作造成较大影响又能抽取出基于汽车制造企业运营管理特点的典型数据。

(4)编码:编码标准是RFID应用标准体系的核心内容,编码实质就是把相关信息转化为能被计算机识别的代码过程。RFID编码标准主要涉及标签内承载的内容及格式。

汽车制造企业RFID编码的内容按照管理的实际需求可以包括供应商代码、车身VIN码、车型、车型状态、订单编码、颜色代码、质量代码、上下线时间、工位信息、零部件物料编码、零部件批次、流水号或其他信息,具体内容视企业RFID应用的层次、领域和目标而定。编码内容的格式应遵守汽车行业和企业内部的相关规定,并考虑与条形码相关编码格式兼容,便于企业内部或企业之间数据的共享和集成。目前国内汽车制造企业多采用企业内部编码方式,各企业之间编码格式不通用,但整车及其零部件供应商之间由于其特殊关系而能强制实现编码兼容性。

编码格式可采用基本数据结构和扩展数据结构等多种方式,以充分体现分类、属性、标识等不同层次,同时还要考虑数据压缩和转换机制以充分利用标签的存储空间。

4.3 物理层标准

此类标准属于基础技术标准,用于规定RFID系统基础设施(如阅读器、标签、天线)以及汽车制造企业生产线其他相关设备(如条形码、传感器)等物理特性的技术规范。

4.4 采集层标准

采集层介于物理层和中间件之间,类似于OSI参考模型中的数据链路层、网络层、传输层,主要工作是进行现场数据采集和传输。采集层标准需在现有标准的基础上进行部分改进和优化。

(1)数据采集:实现数据采集的前提是制定识别标准,即对RFID、条形码或传感器等数据采集技术的符号识别码、数据载体标识符、应用标识符以及各种唯一标识符等进行定义。

(2)数据传输:利用阅读器与标签之间的空中接口以及阅读器之间构成的有线或无线网络把采集到的原始数据传递给中间件。数据传输标准重点研究内容是空中接口标准以及阅读器协议标准。

空中接口标准是研究阅读器与标签中间无线通信参数的标准,规定了介质访问控制层标签和阅读器的兼容性、物理接口、信息安全、防碰撞协议等问题。空中接口协议主要包括ISO18000-6B和EPC C1 G2两个标准,对于汽车制造企业来说,现有空中接口协议标准必须在用户数据区容量、标签设计及封装工艺方面不断优化才能保证特定应用要求。

阅读器协议规定了阅读器与标签之间逻辑内存与物理内存的映射规则,以提高标签的识别速率和准确性。汽车制造企业由于生产节拍的要求,对于标签的识别准确率和响应时间具有苛刻的要求,因此需要对原映射规则进行优化。

4.5 集成层标准

RFID中间件至少包括边缘层和集成层两个层次。本文所指的集成层是针对RFID系统架构而言的,特指RFID中间件处理原始数据并与其他管理系统的数据集成的全过程。中间件的处理流程大致为:设备管理模块识别从阅读器流入的数据,经事件过滤、事件聚合等事件处理环节提取出有用信息并转化成应用系统所需格式,保存于数据库中为应用层服务。

(1)设备管理:此标准通过对物理层设备接口的描述实现对所有联网设备(阅读器、传感器、条码扫描枪等)的配置、监控和管理。现有标准主要是EPCglobal的LLRP协议标准。

(2)事件管理:从物理层设备传过来的大量数据流需要进行队列管理、事件过滤、事件聚合、转化,此标准用来定义、描述和规范数据流的具体处理机制、方法和流程。

(3)数据交换格式:此标准规定了实现标签内电子代码与实际产品信息相关联的机制以及数据交换、存储的格式标准。在实际应用中,需制定标签数据与条形码、传感器数据、企业其他EDI、企业合作伙伴之间信息进行融合和交换的标准。此类现有标准主要以EPC global的信息服务标准为主,主要包括ONS标准和PM L标准。

(4)通信协议:此类标准用于描述阅读器、条形码、传感器与应用程序之间的交互接口协议,主要包括应用程序与物理设备之间的请求、响应等命令操作。现有标准主要是A LE协议标准。

4.6 应用层标准

应用层作为最高层,用户可直接利用后台管理系统对企业业务进行操作和管理。

(1)体系结构:描述系统与其要素或各要素之间的关系,指导软件系统要素的选择、设计及其发展。应用系统的体系结构应比较稳定,并与现有各类其他系统保持统一,便于制造系统平台的构建,同时还应保持面向特定环节应用的灵活性。

(2)功能描述:此标准描述了RFID应用系统的功能。对于汽车制造企业来说,RFID的功能根据具体应用领域可分为仓储管理、物料配送管理、人员管理、生产任务及进度管理、质量管理、资产管理、供应链物流管理、供应商管理、维修服务管理、产品全生命周期数据管理等。

(3)服务接口:应用程序通过响应用户服务请求并完成相应服务,实现对汽车制造企业业务、活动的管理和控制。该标准规定了实现信息共享和无缝集成的信息交换协议以及一套用于描述和设计各类服务接口的方法[7]。

(4)测评规范:此类标准对系统的功能、性能测试等方面提出了详细要求。在具体测评过程中,需利用规范的测评方法判定系统是否符合应用的要求,并做出相应优化完善,保证系统的顺利实施。

5 结束语

本文通过对汽车制造企业RFID系统实际需求的分析,建立了RFID应用标准体系框架,详细描述了各类标准的技术内容。就RFID基础技术标准研究和制定方面,目前国外已经远远超过国内,在面向行业的RFID应用特别是汽车制造企业应用来说,国内外并无明显差距。因此,从RFID应用标准的研究和实施策略来说,当前应优先制定编码标准、RFID应用规范和汽车生产现场环境特性规范等急需标准并不断完善,只有这样才能掌握汽车行业的RFID话语权。

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App lication Standard Architecture of RFID in Automotive Manufacturing Enterp rises

LiWenchuan1Wang Xu1Luo Zhiyong2
1.Chongqing U niversity,Chongqing,400030
2.Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065

The role of app lication standard architecture was described and the research status of RFID standard w as discessed.App lication requirements of RFID application standard architecture in automotive manufacturing enterprises were put forward from two points of view-enterprise internal and supply chain.The app lication standard architecture composed of basic standard,general standard,physical layer standard,collection layer standard,integration layer standard and app lication layer standard was constructed based on four-layer system structure of RFID system and detailed.The research can offer basic platform for RFID imp lementation in automotivemanufacturing enterprises.

app lication standard architecture;standard;automotivemanufacturing enterprise;radio frequency identification(RFID)

U468;T652.4

1004—132X(2011)05—0513—06

2010—05—14

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006A A04A 123);重庆市自然科学基金资助项目(CSTC,2008BB2173);中央高校基本科研业务费资助项目(CDJSK100043)

(编辑 袁兴玲)

李文川,男,1983年生。重庆大学机械工程学院博士研究生。研究方向为制造系统工程。王 旭,女,1963年生。重庆大学贸易与行政学院教授、博士研究生导师。罗志勇,男,1969年生。重庆邮电大学自动化学院副教授。