制造業(yè)中物品標(biāo)識(shí)技術(shù)的分析與應(yīng)用

鄒慧宇，徐文勝

ZOU Hui-yu,XU Wen-sheng

（北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

標(biāo)識(shí)技術(shù)[1]是對(duì)物品進(jìn)行編碼并自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，如條碼、RFID、聲音識(shí)別、圖像識(shí)別和指紋識(shí)別都可稱為標(biāo)識(shí)技術(shù)。本文分析認(rèn)為，制造業(yè)中生產(chǎn)要素標(biāo)識(shí)管理經(jīng)歷了人工標(biāo)識(shí)和自動(dòng)標(biāo)識(shí)階段，目前正處于定位階段，如圖1所示。在人工標(biāo)識(shí)階段，車間中的生產(chǎn)對(duì)象主要靠人工的紙筆記錄和識(shí)別，標(biāo)識(shí)效率低和可靠性差。在自動(dòng)標(biāo)識(shí)階段，以磁卡、條形碼和低高頻RFID等接觸式（或近距離）識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)管理為起始，以超高頻、微波RFID等非接觸識(shí)別技術(shù)應(yīng)用為成熟標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)了車間內(nèi)生產(chǎn)要素的自動(dòng)化標(biāo)識(shí)。在定位階段，是以超高頻、微波RFID等遠(yuǎn)距離標(biāo)識(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品的標(biāo)識(shí)與定位，其典型功能是獲得電子標(biāo)簽的歷史路徑，并逐步由物品的非實(shí)時(shí)定位擴(kuò)展到實(shí)時(shí)定位。

圖1 制造業(yè)中生產(chǎn)要素標(biāo)識(shí)管理的幾個(gè)階段

1 標(biāo)識(shí)技術(shù)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)

為了敘述方便，本文將RFID、磁卡和條碼等技術(shù)中用于物體綁定與識(shí)別的設(shè)備統(tǒng)稱為標(biāo)簽，將用于讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備統(tǒng)稱為閱讀器。

1.1 標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用模型結(jié)構(gòu)

本文提出標(biāo)識(shí)技術(shù)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，分為四個(gè)層次：標(biāo)識(shí)技術(shù)、讀取模式、應(yīng)用模式和具體應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用結(jié)構(gòu)

從下往上看，標(biāo)識(shí)技術(shù)特性限制著讀取模式的實(shí)現(xiàn)，讀取模式獲取信息的方式限制著對(duì)應(yīng)用模式的支持，而應(yīng)用模式提供的信息形式限制著具體應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。以下詳細(xì)分析應(yīng)用模型各層次。

1.2 標(biāo)識(shí)技術(shù)的分類

本文將實(shí)現(xiàn)針對(duì)物品的識(shí)別功能的單一或集成技術(shù)統(tǒng)稱標(biāo)識(shí)技術(shù)。如RFID、條形碼和磁卡，以及這些技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)（如無線通信、現(xiàn)場(chǎng)總線和3G網(wǎng)絡(luò)等）的集成[2～5]。

應(yīng)用于制造業(yè)的標(biāo)識(shí)技術(shù)，按識(shí)別距離的長(zhǎng)短可分為接觸式和非接觸式標(biāo)識(shí)技術(shù)，按是否需要電源可分為有源和無源標(biāo)識(shí)技術(shù)。典型的無源接觸式標(biāo)識(shí)技術(shù)有條形碼、磁卡、IC卡和低頻RFID；典型無源非接觸標(biāo)識(shí)技術(shù)有高頻、超高頻和微波RFID。有源非接觸標(biāo)識(shí)技術(shù)有有源RFID，以及基于短距離無線通信技術(shù)開發(fā)的標(biāo)識(shí)技術(shù)，如基于ZigBee的RFID技術(shù)[6]。

1.3 讀取模式

標(biāo)簽讀取操作可抽象為讀取模式?？偨Y(jié)標(biāo)識(shí)技術(shù)的使用方式，本文抽象出以下四種讀取模式。

1）摘掛式

摘掛式讀取中，標(biāo)簽懸掛在物體上，讀取時(shí)將標(biāo)簽取下置于閱讀器上，讀取完成將標(biāo)簽重新附著在物體上。物體下次識(shí)別時(shí)依然進(jìn)行此動(dòng)作。其典型實(shí)現(xiàn)技術(shù)有：條形碼、IC卡、磁卡和低頻RFID。具體應(yīng)用有：銀行卡的使用、工人考勤打卡和居民身份證的自動(dòng)識(shí)別等。

2）點(diǎn)貨式

點(diǎn)貨式讀取中，附著有標(biāo)簽的物體分布在現(xiàn)場(chǎng)，點(diǎn)貨員（人或自動(dòng)化設(shè)備）裝備手持閱讀器遍歷現(xiàn)場(chǎng)獲取物體信息。當(dāng)點(diǎn)貨員靠近物體時(shí)，通過長(zhǎng)距離指向性或者近距離接觸的方法閱讀標(biāo)簽，獲得物體的識(shí)別信息。其典型實(shí)現(xiàn)技術(shù)有：超高頻RFID、微波RFID和有源RFID等。具體應(yīng)用有：集裝箱清點(diǎn)、圖書館書架上圖書盤點(diǎn)和貨物出入庫(kù)清點(diǎn)。

3）收費(fèi)站式

收費(fèi)站式讀取中，現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃有移動(dòng)路線，依附標(biāo)簽的物體在路線上移動(dòng)。通過在路線中部或節(jié)點(diǎn)處設(shè)置閱讀器，可自動(dòng)讀取標(biāo)簽，識(shí)別經(jīng)過物體的信息。典型實(shí)現(xiàn)技術(shù)有：超高頻RFID、微波RFID，有源RFID。具體應(yīng)用有：車間生產(chǎn)流水線管理，倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)貨物自動(dòng)清點(diǎn)。

4）漫游式

漫游式讀取中，物體附著有主動(dòng)廣播標(biāo)識(shí)信息的標(biāo)簽，在物體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)布置有若干閱讀器。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器通信范圍內(nèi)時(shí)，閱讀器將接收到標(biāo)簽信息。典型實(shí)現(xiàn)技術(shù)有：長(zhǎng)距離無線標(biāo)識(shí)技術(shù)、有源RFID技術(shù)等。應(yīng)用實(shí)例有：移動(dòng)通信的蜂窩定位系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位等。

1.4 應(yīng)用模式分析

應(yīng)用模式即標(biāo)識(shí)技術(shù)的布置和識(shí)別模式。應(yīng)用模式可按與具體應(yīng)用接口和與制造系統(tǒng)結(jié)合[7]兩種方式劃分。其中，與具體應(yīng)用接口劃分的應(yīng)用模式適用于應(yīng)用功能設(shè)計(jì)，與制造系統(tǒng)結(jié)合劃分的應(yīng)用模式適合用于系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.4.1 按與具體應(yīng)用接口的方式劃分

標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用中通常將標(biāo)簽與物體、閱讀器與地點(diǎn)綁定，通過閱讀標(biāo)簽獲得標(biāo)簽ID、讀取時(shí)間、閱讀器ID，進(jìn)而獲得物體的識(shí)別、讀取時(shí)間、地點(diǎn)信息，用以支持具體應(yīng)用。按與具體應(yīng)用接口劃分本文將應(yīng)用模式分為以下六種。

1）單一識(shí)別：通過讀取單一標(biāo)簽ID，識(shí)別物體。

2）群體識(shí)別：當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀區(qū)內(nèi)時(shí)，閱讀器讀取所有標(biāo)簽ID，識(shí)別閱讀區(qū)內(nèi)所有物體。群體識(shí)別雖然可獲得閱讀區(qū)域內(nèi)所有物體的信息，但難以將物體與信息一一對(duì)應(yīng)。

3）隊(duì)列識(shí)別[8]：當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽以一組固定的排列經(jīng)過閱讀區(qū)時(shí)，通過讀取標(biāo)簽ID及記錄閱讀發(fā)生時(shí)間確定，獲得物體及其隊(duì)列信息。

4）報(bào)到定位：在現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵位置布置閱讀器。當(dāng)標(biāo)簽到達(dá)某關(guān)鍵位置時(shí)，閱讀標(biāo)簽從而確認(rèn)該標(biāo)簽已經(jīng)到達(dá)某位置。

5）追蹤定位[8]：在通道的中部或節(jié)點(diǎn)處布置閱讀器，每個(gè)閱讀器監(jiān)視一個(gè)閱讀區(qū)。標(biāo)簽經(jīng)過閱讀區(qū)時(shí)自動(dòng)被讀取。從而獲得某標(biāo)簽?zāi)硶r(shí)經(jīng)過某地的信息。該模式能獲得標(biāo)簽移動(dòng)的歷史路徑。

6）實(shí)時(shí)定位[9～11]：通常在現(xiàn)場(chǎng)中布置閱讀器覆蓋定位區(qū)域，當(dāng)標(biāo)簽被閱讀器閱讀時(shí)將獲得標(biāo)簽ID以及定位信息，通過定位信息可計(jì)算出標(biāo)簽位置。

1.4.2 按與制造系統(tǒng)的結(jié)合的方式劃分

按與制造系統(tǒng)的結(jié)合方來劃分，可將應(yīng)用模式分為以下四種[7]。

1）企業(yè)范圍的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)集中設(shè)計(jì)：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)在企業(yè)中運(yùn)行，其他子系統(tǒng)通過企業(yè)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）來使用標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。

2）單元級(jí)別的分布式標(biāo)識(shí)系統(tǒng)應(yīng)用：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)獨(dú)立布置在車間或廠房中，現(xiàn)場(chǎng)的其他子系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)場(chǎng)總線或局域網(wǎng)）使用標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。

《錢塘江幻想曲》譜寫于1934年，彼時(shí)李樹化到杭州工作已經(jīng)六年，他已成了一個(gè)杭州人，以主人翁的態(tài)度，熱情譜寫、熱烈歌唱了西湖和錢塘等名水圣湖，用音樂來刻畫祖國(guó)山水之壯麗和可愛。淼淼西湖，浩浩錢塘，曲院風(fēng)荷，柳浪聞鶯，都是他獲得創(chuàng)作靈感的源泉，音樂既表現(xiàn)了西方人尊重自然、親近自然的情懷，也有中國(guó)文人吟賞山水、詠嘆人生的胸襟。（待續(xù)）

3）設(shè)備級(jí)別的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)分布式應(yīng)用：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)以附加模塊的形式，連接到設(shè)備控制器上（如主控電腦），由設(shè)備控制器協(xié)調(diào)設(shè)備與標(biāo)識(shí)系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的使用。

4）將標(biāo)識(shí)系統(tǒng)模塊集成到PLC 設(shè)備模塊中或已有的數(shù)據(jù)管理工具中：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的閱讀器嵌入到PLC設(shè)備中，作為設(shè)備的一部分來實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)功能的應(yīng)用。

1.5 具體應(yīng)用分類

具體應(yīng)用指以標(biāo)識(shí)技術(shù)為自動(dòng)識(shí)別手段而實(shí)現(xiàn)的滿足實(shí)際需求、解決現(xiàn)場(chǎng)問題的應(yīng)用。總結(jié)標(biāo)識(shí)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，將標(biāo)識(shí)技術(shù)的具體應(yīng)用劃分為供應(yīng)鏈及倉(cāng)庫(kù)管理、生產(chǎn)管理、產(chǎn)品生命周期管理三類[8,12～15]。

1）供應(yīng)鏈及倉(cāng)庫(kù)管理：物流發(fā)到貨管理、供應(yīng)商追溯、到貨物品核對(duì)、貨物出入庫(kù)核對(duì)、移庫(kù)移位物品核準(zhǔn)和庫(kù)存盤點(diǎn)。

2）生產(chǎn)管理：生產(chǎn)工藝指導(dǎo)、在制品生產(chǎn)進(jìn)度管理、生產(chǎn)任務(wù)及進(jìn)度管理、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、現(xiàn)場(chǎng)物料配送管理、人員考勤和生產(chǎn)設(shè)備管理。

3）產(chǎn)品生命周期管理：用戶使用意見反饋、售后服務(wù)如已交付設(shè)備的當(dāng)前零部件組成，零部件磨損、損壞和更換率統(tǒng)計(jì)。

2 標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用模型的各層關(guān)系分析

2.1 標(biāo)識(shí)技術(shù)到應(yīng)用模式間關(guān)系分析

總體來看，標(biāo)識(shí)技術(shù)按識(shí)別距離及速度可分為三類：近距離低速標(biāo)識(shí)、中距離高速標(biāo)識(shí)和遠(yuǎn)距離高速標(biāo)識(shí)，如圖3所示。

以磁卡、IC卡、條形碼為代表的近距離低速標(biāo)識(shí)技術(shù)，通過摘掛式讀取提供單一標(biāo)識(shí)、報(bào)到定位的應(yīng)用模式，且讀取需人工輔助。低頻、高頻RFID不怕污漬并簡(jiǎn)化了讀取操作，提高了識(shí)別效率。

圖3 標(biāo)識(shí)技術(shù)到具體應(yīng)用的四層應(yīng)用結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

以有源RFID為代表的遠(yuǎn)距離高速標(biāo)識(shí)技術(shù)，通過漫游式讀取提供實(shí)時(shí)定位的應(yīng)用模式。

如圖3所示，標(biāo)識(shí)技術(shù)的水平高度限制著讀取模式的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)識(shí)技術(shù)只能使用同一水平或低水平的讀取模式。讀取模式的水平高度同樣限制著應(yīng)用模式，讀取模式只能支持同水平的應(yīng)用模式，或能實(shí)現(xiàn)（大部分）與之水平低的應(yīng)用模式。反之，為了實(shí)現(xiàn)某應(yīng)用模式須選擇同水平或以上的讀取模式，再由讀取模式選擇同水平或以上的標(biāo)識(shí)技術(shù)。

2.2 具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求分析

具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求并不是單一的。本文將具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求分為A、B、C三類。

A類需求：該應(yīng)用模式能良好的滿足具體應(yīng)用需求。

B類需求：該應(yīng)用模式不是必須的，但使用該應(yīng)用模式能提高應(yīng)用效果或工作效率。

C類需求：目前無法有效實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)后對(duì)具體應(yīng)用效果有明顯提升的應(yīng)用模式需求。

分析得到具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求，如表1所示。

獲得具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求后，由水平高度最高的應(yīng)用模式需求選取讀取模式，再選取標(biāo)識(shí)技術(shù)，從而確定實(shí)現(xiàn)該具體應(yīng)用的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。

例如，生產(chǎn)管理類的物料配送管理具體應(yīng)用過程如下：首先需要根據(jù)原料需求取得并核準(zhǔn)原料內(nèi)容和數(shù)量（使用群體識(shí)別），送往指定工序點(diǎn)。在原材料離開倉(cāng)庫(kù)和到達(dá)工序點(diǎn)時(shí)確定位置（使用報(bào)到定位）。所以，讀取模式選擇收費(fèi)站式，標(biāo)識(shí)技術(shù)選擇有源RFID、微波或超高頻RFID。

表1 具體應(yīng)用對(duì)應(yīng)用模式的需求分析

3 結(jié)束語(yǔ)

標(biāo)識(shí)技術(shù)的特性限制了其具體應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)能力。本文對(duì)標(biāo)識(shí)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分類、分析與總結(jié)，抽象出讀取模式和應(yīng)用模式，提出了標(biāo)識(shí)技術(shù)的四層應(yīng)用結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，并對(duì)模型各層限制關(guān)系進(jìn)行了分析，為物品標(biāo)識(shí)技術(shù)在企業(yè)中的具體應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

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