基于rfid技术的离散制造车间实时数据采集与可视化监控方法-曹伟.pdf
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1、第23卷第2期2 O 1 7年2月计算机集成制造系统Computer Integrated Ianufacturing S)rstemsV0123 No2Feb2 O 1 7DoI:1013196jcims201702006基于RFID技术的离散制造车间实时数据采集与可视化监控方法曹伟1,江平宇2+,江开勇1,路平1(1华侨大学福建省特种能场制造重点实验室厦门市数字化视觉测量重点实验室,福建厦门 3610212西安交通大学制造系统工程国家重点实验室,陕西 西安 710054)摘要:为提高离散制造车间多品种、小批量生产过程的透明度和生产决策制定的实时性,提出一种基于无线射频识别技术的离散制造车间
2、实时数据采集和可视化监控方法。在提出4种典型无线射频识别监控模式的基础上,揭示了离散制造车间中无线射频识别技术应用的本质,为无线射频识别配置提供指导。设计了一种事件驱动的无线射频识别数据采集单元模型,用于采集零件的状态、事件、时间、质量等实时信息;基于该模型依次建立了加工工序、工序流、批次与批量的无线射频识别监控模型,实现了对离散制造车间生产过程的可视化监控;提出一种无线射频识别数据处理方法,为车间可视化监控提供了业务逻辑信息。设计了基于无线射频识别的车间数据采集与监控系统的功能架构,并开发了相应的原型系统,通过简单的案例验证了所提方法和模型的可行性。关键词:无线射频识别;离散制造车间;数据采
3、集;可视化监控;配置中图分类号:THl66 文献标识码:ARadi0 frequency identificationbased reaI。time data collecting and Visual monitoring fordiscrete manufacturing workshopCAO W0i1,LANGPingy“2+,MNGKniyon91,LUPi咒91(1Fujian Provincial Key Laboratory of Special Energy Manufacturing,Xiamen KeyLaboratory of Digital Vision Measur
4、ement,Huaqiao University,Xiamen 361021,China;2State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710054,China)Abstract:To enhance the transparency of multiple varieties and small batch production and the real time of production decision making for Discrete Manuf
5、acturing Workshops(DMW),a data collecting and visual monjtoring solution based on Radio Frequency 1denti“cation(RFID)was proposed The nature of RFID applications in DMW wasrevealed on the basis of proposing four typical RFID monitoring modes,which could provide technical supports forRFID configurati
6、on Besides,an event driven RFID data capturing model unit was established,which could be usedfor c01lecting real一time data such as state,event,time and quality Based on the model unit,the monitoring modelsfor process,process flow,batch and division were built up successively,which facilitated the vi
7、sual monitoring forDMW A data processing method was present to provide 109ical business information A software prototype systemwas developed and its functional framework was designed Based on a simply case,the feasibility of the proposedmodels and methods were illustratedKeywords:radio frequency ide
8、ntification;discrete manufacturing workshops;data collecting;Visual monitoring;configuration收稿日期:2016一0328;修订日期:2016一0723。Received 28 Mar2016;accepted 23 July 2016基金项目:国家自然科学基金资助项目(51405167,51275396,51305144)。Foundati蚰items:Project supported by the National Natural ScienceFoundationChina(No51405167,
9、51275396,51305144)万方数据计算机集成制造系统 第23卷0 引言无线射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)技术是一种基于射频原理的非接触式自动识别技术,可以通过射频信号自动识别带有标签的智能对象(Smart 0bject,SO),及时有效地获取静态或动态信息。近年来,RFID作为物联网的重要支撑技术,受到国内外的广泛关注。以高速发展的RFID技术及其产业化为核心,推广其在制造、物流与供应链、交通、医疗卫生等领域的应用,是打造无所不在的物联网的必然途径1。2。此外,RFID作为下一代先进制造系统中最重要的关键技术之一,在制造车间数据采集
10、、制造过程实时跟踪与产品质量回溯等方面应用的优势日趋显著,被认为是最具潜力且在制造信息化中发挥巨大作用的技术革新3。相较于传统的条码识别技术,RFID技术极大地加速了信息采集和处理速度,具有使用方便、操作快捷、适应环境能力强、抗干扰能力强等特点4,将给制造业带来巨大的冲击并产生深远的影响5。面向多品种、小批量生产的离散制造过程极为复杂,具有生产批量小、品种多、工艺流程长等特点。离散制造过程中所伴随的各种数据和信息量十分庞大,难以被及时获取和上传,使得制造过程犹如“黑箱作业”,无法满足车间可视化监控、实时调度、产品历史信息追溯等功能的需求,限制了制造执行系统(Manufacturing Exec
11、ution System,MES)、企业资源规划(Enterprise Resource Planning,ERP)等上层应用系统功能的发挥,甚至可能导致错误的生产决策。车间底层数据的实时采集以及基于该数据的车间可视化已经成为制约制造企业发展的关键6。由于RFID技术在自动识别方面的天然优势,特别适用于实时性和可视化要求较高的离散制造过程,为制造企业应对多重挑战提供了新的思路和解决方法。通过对制造资源的自动识别与可视化跟踪,企业管理者可以实时掌握车间生产进度,发现生产瓶颈和浪费现象,识别机器故障、生产序列调整等生产扰动突发状况,改善生产过程。因此,如何利用RFID技术采集实时数据、采集何种数据
12、、如何对数据进行处理并及时反馈给管理层辅助生产决策,实现闭环的生产计划与控制,是RFID应用于离散制造过程中最有意义也是最具挑战的问题8。当前国内外已有部分学者对上述问题进行了一定程度的研究。例如:Zhou等91采用RFID技术,同时整合Bluetooth和Internet技术采集和传输制造过程数据,构建了制造企业生产状态远程监控系统,有效地解决了物料流和信息流的不同步问题。Huang等1叩研究了RFID在汽车装配线上的应用,并建立了基于RFID的汽车装配线监控模型,在提升生产效率的同时降低了装配成本。Chen等11将RFID设备分别配置于不同布局(Jobshop型和Cellular型)车间,
13、通过RFID自动采集的数据建立了一套设施在线监控系统。江平宇等口2。胡在服务型制造车间MES中引人RFID技术,实现了对制造过程产品质量的跟踪和追溯;随后又建立了基于RFID的JobShop车间监控与追踪网络模型,并采用复杂网络理论对该网络的性能进行了深入分析。李敏波等141建立了基于RFID的物品跟踪与追溯模型,并提出了复杂RFID事件的处理策略。虽然上述文献所包含的各种方法、模型与系统都采用了RFID技术,但均侧重于如何使用所采集的RFID数据,忽略了对如何采集数据、采集何种数据等基础问题的探索7。为了解决这些问题,揭示RFID在离散制造车间应用的本质,江平宇等67153依据在有效区域进行
14、RFID识别的场景,提出4种标准的RFID识别空间表征单元及其对应的事件驱动的“状态一位置一操作者”互联的时序图式推演模型,以采用RFID进行物流状态变迁监控。本文在沿用这4种RFID识别空间表征单元及其时序图式推演模型的基础上,提出一种基于RFID的离散制造车间实时数据采集方法,围绕在制品(WorkInProgress,WIP)加工过程中的工序、工序流、批次和批量实现RFID配置和数据采集,进而实现对制造过程的多层次可视化监控。1 离散车间RFID配置策略11 典型的RFID监控模式纠-151RFID系统主要包括电子标签、读写器和RFID中间件3部分。理想状态下,在离散制造车间中,RFID标
15、签被附加粘贴在几乎所有的制造资源上,如操作员、工件、托盘、叉车、加工设备、刀具、工装夹具和测量设备等,这种方式被称为“资源和标签一一对应”(one resource one tag mode)模式。通过这种方式,可以使其从单纯的“物体”转变为拥有某种“内置智能”的“智能物体”。当智能物体进入RFID读写器的信号探测空间,读写器就可以通过无接触方式读取电子标签中的信息,自动识别物体并采集万方数据第2期 曹 伟等:基于RFID技术的离散制造车间实时数据采集与可视化监控方法 275数据。定义l RFID信号探测空间指由一个或多个并联RFID读写器发射出的电磁波信号所覆盖的物理空间。根据RFID读写器
16、配置与监控模式的不同,RFID信号探测空间代表的物理意义也不同。对于一条已配置RFID设备的工序流,其信号探测空间通常指被RFID信号覆盖的各工序人缓存、加工设备或出缓存,甚至是工序本身。在离散制造车间中,典型的RFID监控模式包括以下4种:(1)基于固定RFID读写器的门禁模式 用于判断RFID标签是否通过相应的位限,如配置于库存出入口、员工出入口、固定式生产传输线某通过点上的RFID读写器。(2)基于固定RFID读写器的固定空间控制模式用于判断RFID标签是否进入、驻留或移出设定的固定探测空间,如用于监控加工设备缓存区的RFID读写器。(3)基于固定RFID读写器的移动空间控制模式 用于判
17、断RFID标签是否进入、驻留或移出设定的移动探测空间,如配置于叉车、自动导向小车(Automatic Guided Vehicle,AGV)等移动载体上的RFID读写器,用来判断标签是否进入、驻留或移出这类小车。(4)基于手持RFID读写器的任意空间控制模式 随着操作人员的任意移动,判断RFID标签是否进入、驻留或移出操作人员当前所在位置决定的随机探测空间内;也可以搜索或定位某RFID标签是否在操作人员所在位置决定的随机探测空间内。上述4种配置模式几乎涵盖了所有RFID在制造过程中的使用情况,此时判别某个带有RFID标签的物体是否进入、驻留或离开RFID设备的信号探测空间,成为如何使用RFID
18、技术进行实时数据采集、实现监控和跟踪的关键。12 离散制造车间RFID应用本质辨析RFID最基本的功能是采集智能物体的实时信息,从而对这些物体进行监控。目前有很多学者已开始研究RFID的布局算法,以设计出优化的、鲁棒性高的RFID监控网络,典型的算法包括基于二维圆形和基于三维椭球形信号探测空间的区域全覆盖算法,这些算法的设计目标均是为了使用最少的RFID读写器(通常为同种型号读写器),使其信号探测空间能完全覆盖所设定的区域,并使读写器之间的信号干涉达到最小。这种RFID全覆盖算法虽然能满足某些特定的应用要求,但并不能满足离散制造车间应用系统的需求,且没有考虑不同型号不同功率RFID读写器混合使
19、用的情况,适应性较差,造成了昂贵的RFID设备的浪费1 6|。RFID研究的另一方面是定位算法,即利用多个RFID读写器实现对智能物体的精确定位。目前,TOA(timeofarrival)算法和RSS(received signal strength)算法是实现精确定位的两种有效方法口7。其中,TOA算法通过测量射频信号的传输时间计算目标对象到RFID设备的距离,从而对其进行定位;Rss算法通过计算返回信号的强度估算两者之间的距离并实现定位1引。虽然精确定位算法可以用来准确定位智能物体的当前位置,追踪车间内部零件、人员、物料等的准确位置,但是由于需-_。b工序f的RFID读写器配置 c R的信
20、号探测空间覆盖出缓存D图1 典型加工工序的一种RFID读写器配置方案万方数据计算机集成制造系统 第23卷要配置大量的RFID设备,会带来极高的成本。因此,在RFID设备价格没有降到合理的水平之前,也不会成为离散制造车间RFID应用的主流配置方法。考虑到上述两种RFID配置方法在离散制造过程中应用的局限性,本文提出一种全新的RFID配置模型,如图1所示。该模型不仅能满足离散制造车间中各种应用系统的需求,而且能节省RFID成本、实现优化配置,并可明确回答RFID如何采集数据、采集何种数据的问题。图1b所示为离散制造过程中典型加工工序的一种可行的RFID配置方案,方案将工序i分为人缓存k机床Wi和出
21、缓存0。3部分。该配置方案采用2台固定RFID读写器R和R分别监控人出缓存,采用1台手持RFID读写器足。记录工件在:的加工信息。图1c为读写器R稍监控出缓存Q的示意图,通过调整R。的功率使其信号探测空间刚好覆盖0i的物理空间,即能实现对该区域的监控。此时R。的信号探测空间和0i的物理空问等价,若R。探测到某一工件忌进入其信号探测空问,则表示工件忌当前正处于工序i的出缓存0i中。由于0i本身的物理空间较小,车间应用系统仅需要工件忌进人、驻留或离开0f的时间等信息,并不需要工件在Q中的精确位置坐标。通过这种方式采集的数据能满足车间应用系统的应用需求,尤其在可视化监控方面。基于上述分析,本文认为在
22、离散制造车间中RFID应用的本质是:监控制造资源的状态变化,并采集与伴随这种变化的相关数据;结合制造过程中的上下文情景与工程逻辑进行数据处理,实现制造过程可视化,并满足其他应用系统的数据需求。2基于RFID的生产过程监控模型21 事件驱动的RFID数据采集首先,在沿用前期研究的事件驱动的“状态一位置一操作者”时序图式推演模型的基础上6讯15,对本文涉及的一些重要概念进行定义,包括状态、事件、触发时间、事件执行者和状态质量,如表1所示。表l相关概念的定义与说明表1中定义的事件E;,是一种物流事件,表示工件在加工过程中的物流状态发生变化。在RFID工作过程中还存在另一类事件,称为RFID事件,表示
23、物流事件发生时RFID读写器感应并读取工件上的RFID标签,产生一条时刻的RFID原始数据,并将其存储到RFID数据服务器的过程。因此可以将RFID事件形式化描述为E;:一。 (1)式中:Er表示RFID事件生成的原始数据;JD。表示粘贴在工件上的RFID标签的电子产品编码(Electronic Product Code,EPC);Rf表示RFID读写器的编号,即第i个读写器;f表示RFID事件发生的时刻,同时也是所对应物流事件发生的时刻(触发时间;,),以及RFID原始数据产生的时刻。RFID标签和工件编号是一一对应的绑定1:1(binding)关系,即JD一-二二一jD毛。rk,可以通过查
24、询数据库得到;通过RFID读写器的编号也可以1:1查询到该读写器的配置位置L;。即R:一-二jL尉;通过对工件志加工上下文情景的感知和推理,可以得到加工状态S;此外,通过其他方式还可以采集到的信息包括事件执行者R;一状态质量集科。等。基于此,提出一种如图2所示的事件驱动的RFID数据采集单元模型,在物流事件发生时将会自动触发该模型,采集工件志加工的实时数据。可以将状态S;。对应的RFID数据采集单元万方数据第2期 曹 伟等:基于RFID技术的离散制造车间实时数据采集与可视化监控方法事件触发点(f,一1):状态磷,的开始时间和或状态S。“的始时间图2事件驱动的RrID数据采集单元a,形式化描述为
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