谢曲，邓建新，陈一辉

（1.柳州市产品质量检验所，广西柳州545006；2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学机械工程学院），广西南宁530004）

基于物联网技术的汽车全生命质量管理跟踪系统设计

谢曲1，邓建新2，陈一辉2

（1.柳州市产品质量检验所，广西柳州545006；2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室（广西大学机械工程学院），广西南宁530004）

汽车质量水平涉及汽车性能、安全、财产、环境等多种问题，其虽生命周期不断波动变化，传统质量管理主要集中在设计制造等非运行过程。为全面对汽车全生命的质量进行跟踪管理，建立了基于物联网技术的汽车全生命质量管理跟踪系统方案，分析了汽车生命周期阶段的质量水平变化特征，引入RFID、传感器等物联网技术建立了随生命周期的汽车质量管理跟踪原理，确定了系统的构成，建立了系统的体系结构，包括用户层、应用服务层等5个层次，设计了质量跟踪管理的应用流程和软件系统的功能模块，并进行了应用验证。该方案能实现对汽车单个产品全生命质量跟踪管理，和提供了多种质量增值服务，为实现了汽车全生命周期管理、质量大数据应用提供了一种基础框架。

全生命周期；质量管理；质量跟踪；物联网；系统设计

汽车是人们生活的基本交通和物流工具，随着我国经济的发展、生活水平的提高及物流业的迅猛发展，各种汽车的保有量都大幅度提升，如我国现有的货运车辆达到30万辆。汽车的质量不但影响汽车性能，更涉及人员、道路等安全问题，因此汽车质量无疑占有汽车综合指标的重要权数，也成为消费者购买汽车时考虑的重要因素[1]。同时由于中国的汽车产业快速发展，汽车的质量也带来了能源消耗、尾气排放导致的环境污染、汽车未能回收导致的环境污染等一系列的问题。依据质量工程的观点，汽车质量主要由设计、制造决定，但汽车质量随着使用过程会出现波动，不同的使用环境及使用习惯会导致质量出现不同的波动、下降趋势。同时，汽车构成复杂，不同的零部件的生命周期不同，其设计可靠性水平也存在差异。

因此，如何在保证安全的情况下，结合汽车零部件的可靠性水平（即设计质量）给予保养、更换维修，以维持汽车质量的正常水平，评估汽车零部件（或整车）的质量及为用户提供使用建议都具有重要的工程和商业价值。传统的汽车质量管理主要集中在设计、制造阶段[2，3]，但管理范围开始逐渐延伸，如文献[4]顾客特征对汽车售后服务质量管理的影响，也有人开始了质量跟踪方面的研究，如文献[1，5]都研究了基于RFID的汽车质量跟踪系统，但这种跟踪仍主要集中在制造阶段，并没有结合质量水平提出维修、使用建议等增值服务，即对质量信息管理应用不足。随着汽车产业竞争的加剧，服务作为新的竞争方向，优先基于现有数据和条件，结合质量管理为消费者创造增值质量服务将是汽车制造商具有更多的优势。为此，本文结合物联网、大数据的应用趋势，提出基于物联网的汽车全生命质量管理系统，设计了系统的原理，体系结构和质量跟踪流程。

1 汽车的生命周期过程及其与质量水平的关系

产品的生命周期指产品自设计、制造、销售、使用到报废的过程。传统的汽车生命周期一般由汽车制造、汽车物流、汽车销售和售后服务阶段，该划分是从制造商角度进行的，但不能很好地体现服务和质量管理的概念，尤其弱化了对使用者的服务。结合质量管理和服务需要，本文将汽车的生命周期可以划分为：汽车设计制造阶段、汽车物流阶段、汽车销售阶段、汽车运行及维修、汽车报废回收阶段。

（1）汽车设计制造阶段。是汽车生命的诞生阶段，也是汽车质量水平确定阶段。包括设计、制造、检验等多个过程。设计阶段制造商主要完成产品的总体设计、概念设计、质量功能配置、质量可靠性设计等，但此处不能体现汽车个体生命和质量的差异；制造阶段中，生产企业根据设计信息装配汽车配件成产品。由于涉及不同的汽车配件供应商的质量水平差异，因此会导致个体汽车质量水平差异。但出厂后，所有的汽车质量水平都应在设计的合格范围。

（2）汽车物流阶段。指汽车下线到销售点的过程。一般地，汽车下线后需入库存储，之后采取不同运输方式将汽车产品运往销售地。存储和运输过程的处理方式会造成汽车外观等的破损，因此影响汽车产品的质量水平。按照全面质量管理的内涵，汽车物流阶段应属于汽车全面质量管理的范畴。

（3）汽车销售阶段。汽车物流运输至经销商处，经销商采取策略销售给消费者，并在产品售出时记录客户等信息。销售阶段虽然不会导致质量水平的变化，但可以通过设计制造信息，传达质量使用维持方法，告诉用户维修、保养的使用要求，以延迟汽车及其零部件的寿命，维持其质量正常水平。汽车销售阶段也是汽车质量水平开始波动和下降的起始阶段。

（4）汽车运行及维修阶段。按照汽车产品的特点，该阶段涉及两个过程：用户使用和售后服务，两个过程相伴而生。该阶段是汽车质量水平波动和维持的阶段。汽车进入服役期后，用户的使用导致汽车的零部件磨损或老化，汽车的质量水平开始出现波动并逐渐下降，但一般仍能维持正常水平，但需要正常的维护。少数部件会到达故障期。售后服务可以通过更换保养、更换等措施维持其整体质量的正常水平，但该阶段已经会造成用户质量损失。因此是保证安全和延长汽车寿命的主要阶段，也是提供增值服务和质量跟踪的主要阶段。

（5）汽车报废回收阶段。指汽车的主要功能部件都已经超出服役周期，生命即将终止。此时汽车整体质量水平急剧下降，已经无法使用或者影响安全。这个阶段需要告知用户质量水平信息，以提示用户采取报废策略。制造商应提供回收机制，帮助用户处理废车，减少安全事故和减少对环境的影响。

汽车生命周期与质量水平的关系如图1所示。

图1 汽车生命周期与质量水平的关系示意图

2 基于物联网技术的汽车全生命质量管理系统方案

2.1 基于RFID的汽车全生命质量跟踪原理设计

汽车全生命质量跟踪涉及到不同个体产品、不同汽车位置、不同群体和不同的零配件等，为了实现对每台汽车全生命周期质量的跟踪管理，提供更多的增值服务，需要解决以下问题：

（1）标识每台汽车，并根据标识在不同生命周期阶段获取车辆的基本信息和质量水平信息。

（2）获取一些造成质量水平波动、降低的工作参数（比如易磨损件的工作参数），及质量可靠性水平缺乏验证的新零件的一些关键参数，为保养、维修，维持正常质量水平提供依据。

（3）管理每台车辆的质量信息，并对数据进行综合分析，提供保养、维修、使用建议等增值服务。每台汽车及其质量的基本信息包括车辆编号、类型、生产日期、购买日期、消费者、零部件配置、零部件的理想服役期限、保养要求、保养周期、维修记录、零部件更换情况等。

为此，本文将物联网技术的RFID技术、传感器技术、移动通信技术等应用到汽车产品质量管理中，同时构建汽车质量管理跟踪软件系统来实现，基本原理如图2所示，具体功能设计表述如下：使用RFID建立汽车产品的唯一标识和保存基本静态信息，同时通过为相应位置配置RFID阅读器，可快速获取了汽车的基本信息，基于网络依赖RFID的标识与汽车质量管理跟踪软件系统的交互，可以获取每台汽车的质量水平信息；同时根据阅读器的信息可跟踪汽车的位置，即对阅读器进行位置管理，将识别汽车RFID标签的阅读器的位置作为当前车辆的位置；添加传感器和直接获取汽车ECU信息，用于跟踪影响汽车质量的主要参数、新零件的运行状态，所有采集的信息都保存到质量管理跟踪软件系统。为了实现信息交互，需要添加车载通信模块。

图2 系统管理、跟踪原理图

基于这种设计，整套系统从功能构成上可以划分为3个组成部分，即信息采集模块，信息传输模块和信息管理模块，但由于信息传输主要依赖于已有通信网络，只能选择，为此，将其划分为上位机管理系统与下位机装置两个部分。上位机系统由质量管理跟踪系统和对应数据库等组成，该系统可与企业现有产品数据管理（PDM）、产品生命周期管理（PLM）系统及ERP等其他管理信息系统进行信息交互。下位机装置包含RFID标签、RFID车载阅读器、添加的传感器和通信模块组成。为了实现标识和采集信息的匹配，车辆通信模块需要每次将通过RFID阅读器获取的信息与对应的传感器信息或ECU模块提供的一些参数信息组合处理，之后通过移动网络传输给上位机管理系统。传感器获取的信息有些需要传输至ECU（主要指汽车需要集中控制的信息），有些直接经过车载模块传输。

2.2 系统的体系结构

基于物联网的汽车全生命质量管理跟踪系统逻辑上可分为5个层次。其体系结构如图3所示。

图3 基于物联网的汽车全生命质量管理跟踪系统的体系结构

第一层用户层。包含系统用户及其用户访问的安全认证机制。该系统的潜在用户可包括汽车客户（个人或企业）、维修机构、4S店、制造商、销售商、回收公司等。用户根据需要，使用移动或固定终端，通过Internet访问网络，经登陆认证和授权后可以获取对应信息和得到对应服务。

第二层为应用服务层。是全生命质量跟踪管理的附加值创造层，将在信息处理上，为不同用户提供质量维持增值服务，包括个性化的维修建议、保养计划、汽车零部件配置查询、采集的关键参数查询、维修记录查询、故障智能诊断、质量水平评估、车辆位置跟踪等服务。这些服务都主要集成到质量管理跟踪软件中。

第三层为信息管理处理层，是整个系统的核心层，基于数据库完成对汽车全生命质量信息的管理和处理，提供质量信息录入、查询、管理、数据统计分析等基本功能服务。主要由质量管理跟踪软件系统构成，为便于获取汽车的设计信息，需要与企业现有的产品数据管理系统或PLM系统集成。

第四层为网络层。本系统主要应用的网络包括以太网、GPRS/GSM网络、Wi-Fi、WLAN等。

第五层为物理层，是整个质量跟踪系统的关键技术设备层，也是系统的信息采集层，主要实现汽车生命周期过程中的质量信息采集。主要包含车辆RFID标签、固定式RFID阅读器、手持式RFID阅读器、传感器，移动通信模块和各种服务器。

2.3 汽车全生命质量管理跟踪应用流程设计

结合各生命周期，汽车质量跟踪或实施流程如图4所示。

图4 汽车质量水平管理跟踪示意图

（1）汽车设计制造阶段

设计阶段主要完成标签的设计和制造。包括确定单台汽车的唯一编码和RFID标签存取的信息内容、格式，需要面向质量服务而采集的信息，如机油深度，并将与质量水平相关的信息保存到质量管理跟踪系统。这些信息包括设计的重要参数，零配件的质量容差范围、可靠性周期、选型品牌等。制造阶段由生产计划部门制作汽车标签，将汽车名称、编码、类型等相关信息写入该汽车唯一分配的标签。制造车间根据指令装配该辆汽车，在车身嵌入该辆汽车的唯一RFID标签、加载有阅读器的车载模块，安装采集信号的传感器，并将其与车载模块建立连接。汽车装载完成后，整车下线，分配汽车的最终编码，并将汽车生产完工日期写进该汽车的RFID标签。

（2）汽车物流阶段

物流部门通过手持式RFID高频读写器读取每辆汽车的基本信息、销售地、涉及订单等，为汽车分配储位，并根据设计信息提出汽车的存储和运输要求，即根据其运输要求和订货信息，选择运输方式和安排运输至对应销售点。运输安排后，将对应的质量水平信息传递给销售点。整车运输过程中，制造企业通过车载模块及RFID阅读器和运输车辆的GPS终端，实时读取汽车传感器传回的信号，了解汽车运输质量状况和物流过程所处的位置。

（3）汽车销售阶段

经销商用配置的手持式或固定式高频读写器读取汽车信息，并写入经销商信息至该辆汽车的RFID标签，同时将信息通过网络传回质量跟踪管理系统。当客户购买该汽车时，经销商将客户基本信息等写入RFID标签，同时将信息通过网络传回质量跟踪管理系统。

（4）汽车运行阶段

在运行过程中，质量管理跟踪系统可以通过车载模块及RFID阅读器，结合布置的传感器实时读取汽车设计监控的信号，了解汽车运行状况，包括消耗、磨损性和一些新零件的状态信号及故障代码。制造商、销售商或维修部门根据采集的反馈信息、车辆零配件配置及其质量水平信息（如维修周期），分析后生成每台汽车的质量水平维持计划和建议，并基于此为用户提供主动维修服务，使用建议。

（5）汽车维修阶段

4S和合作维修店的维修人员通过配置的手持式高频读写器读取标签，获取该车配置信息及采集的传感器等信息，如零部件的更换期限等，评估汽车的质量水平，给出建议性维修方案和进行准确的维修，更好地保证汽车的质量水平；维修后，将维修记录标识存储到标签，并将维修记录及更换的一些零部件配置等反馈给质量跟踪系统和PLM系统。生产商可综合得到的维修数据研究供货质量和关键件缺陷，尤其是新零件的设计制造质量，为产品技术改进，供应商评审选择提供依据。

（6）汽车回收阶段

质量管理系统根据对汽车的质量信息的跟踪，对汽车的质量及汽车的运行年限进行分析、评价，确定特定汽车的报废时间，决策是否回收该汽车，并将信息传递给物流部门开展回收处理。物流部门采取回收行动及销毁该汽车的RFID标签，将信息反馈给质量跟踪系统，销毁对应RFID的所有质量信息，释放RFID编号资源。

2.4 质量管理跟踪软件系统的功能模块设计

为了实现以上设计，需要建立质量管理跟踪系统软件，从前面分析可知，该系统软件除了具有基本的汽车质量基本信息管理功能外，还具有增值服务功能以及用户权限管理等功能。具体包含以下7大模块。

（1）系统管理模块。提供完成系统初始化、基本参数设置功能。

（2）用户管理模块。实现对用户的注册、权限管理等功能。

（3）车辆基本信息模块。提供车辆信息录入、查询和修改等功能。包括对RFID标签信息修改、车辆配置信息、维修信息记录等。

（4）运行参数管理模块。管理传感器获取的动态运行参数。

（5）增值服务模块。提供个性化的维修建议、保养计划、故障智能诊断、质量水平评估、车辆位置跟踪等增值服务功能。

（6）数据统计分析模块。综合单台、多台车辆的质量信息、维修记录，进行统计分析，发现零件故障期等，为企业改进设计等提供基础数据。

（7）数据导入导出模块。提供与企业其他系统如PDM等数据交换功能。

3 应用开发

基于以上质量管理跟踪系统设计，应用RFID的车辆标识和开发的位置服务，将其应用到货运车辆质量管理中，并开发了基于RFID的物流车辆跟踪系统，物流车辆（或运行过程的质量）跟踪示例如图5所示。

图5 基于质量跟踪的服务的车辆位置跟踪

4 结束语

车辆是一种复杂产品，车辆的质量水平关系列安全、财产、环境等问题，其质量水平随生命周期不断变化，且波动、维修保养频率高，对其质量水平进行管理跟踪可以提高使用水平，延长寿命等。本文提出了一种基于物联网技术的车辆全生命质量管理跟踪系统方案，系统包含车辆质量管理跟踪等上位管理软件和包含RFID标签的下位装置构成，逻辑上分为用户层、应用服务层、信息管理处理层、网络层和物理层5个层次。该方案扩展质量管理至车辆的整个生命周期，且实现了对每台车辆的单独管理，遵循了车辆质量水平随生命周期的变化规律。整个方案扩展性强，既考虑基本的质量信息管理，又能基于此开展多种增值服务，对提高车辆企业服务和竞争水平，开展大数据应用打下了基础。

[1]周伟.基于RFID的汽车质量跟踪管理系统研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.

[2]姚佐平，万君康，李华威.汽车质量特征与管理集成研究[J].机电产品开发与创新，2006，19（2）：23-26.

[3]韩丽娜.Y公司质量管理改进研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2016.

[4]贾小佳.顾客特征对汽车售后服务质量管理的影响[D].北京：北京工业大学，2013.

[5]俞家文，姚莉莉.基于RFID的汽车全面质量跟踪管理系统研究[J].价值工程，2008（7）：93-9.

Design of Automobile Full Life-cycle Quality Management&Tracing System Based on Internet of Things

XIE Qu1，DENG Jian-xin2，CHEN Yi-hui2
（1.Liuzhou Products Quality Supervision and Inspection Institute，Liuzhou Guangxi 545006，China；2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System&Advanced Manufacturing Technology（School of Guangxi University）Guangxi Nanning 530004，China）

Automobile quality has impacts on the performance of automobile，as well involving safety，property and environment problems.Its level waves with automobile life-cycle.However，the conventional quality management main focuses on the the stages except the operation stages like design and manufacturing.To improve the quality management level to all the life-cycle of automobile，this paper proposed an automobile life-cycle quality management&tracing system（ALQMTS）based on Internet of Things，the changes features of automobile quality with its life-cycle was analyzed firstly.Then the principles of tracing and management automobile quality with the lifecycle has been obtained based on RFID and sensor technology，as well its compositions of ALQMTS.An architecture of ALQMTS was also constructed including five layers such as the users layer，application service layer.Furthermore，the application steps and the software functions of ALQMTS were designed.At last an application has been developed successfully based on the design.The design could manage and trace full life-cycle quality of each automobile and create many value-added services.It could be as an infrastructure of product life-cycle management and big data application on automobile.

full life cycle；quality management；quality tracing；internet of things，system design

F406.14

A

1672-545X（2017）06-0070-05

2017-03-18

广西制造系统与先进制造技术重点实验室基金项目资助（15-140-30S010）

谢曲（1972-），男，广西柳州人，本科，工程师，国家汽车质量监督检验中心（柳州）项目建设办公室副主任，主要进行产品质量管理及检测方面的研究。