智慧信息技術(shù)在全生命周期產(chǎn)品中的應(yīng)用

鄭榮茂

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院）

1 引言

我國(guó)是各類產(chǎn)品制造和消費(fèi)大國(guó)，產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)乎企業(yè)的生存與發(fā)展，并與人們的日常生活息息相關(guān)。隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，會(huì)產(chǎn)生大量的垃圾，有些垃圾產(chǎn)品含有毒、有害材料，如果處理不當(dāng)將對(duì)環(huán)境造成非常嚴(yán)重的污染，威脅人類健康。同時(shí)，不合理的回收處理還會(huì)造成一定程度上的資源浪費(fèi)。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)原材料或零部件質(zhì)量的控制來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題跟蹤溯源原材料或零部件，并對(duì)產(chǎn)品回收過(guò)程監(jiān)控。

條碼技術(shù)是集編碼、印刷、識(shí)別、數(shù)據(jù)采集和處理于一體的綜合技術(shù)，具有低成本、實(shí)用方便等優(yōu)點(diǎn)。二維碼可記錄更多的信息，常用的碼制有：Data Matrix、Maxi Code、Aztec、QR Code、Vericode、PDF417、Ultracode、Code 49、Code 16K等。文獻(xiàn)[1]成功地將二維碼技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸瓦分選，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程控制、質(zhì)量追溯方面取得很好的效果。

射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）具有非接觸、自動(dòng)多目標(biāo)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速公路收費(fèi)、藥品跟蹤管理和集裝箱管理等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[2]使用RFID作為信息載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電產(chǎn)品生產(chǎn)、流通、銷售、使用、回收等環(huán)節(jié)的全程記錄，便于家電產(chǎn)品的追溯、質(zhì)量查詢和跟蹤。文獻(xiàn)[3]提出基于射頻識(shí)別語(yǔ)義事件的物品跟蹤模型和追溯方法，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈全過(guò)程的跟蹤和追溯管理，但產(chǎn)品物流信息與企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間缺乏實(shí)時(shí)信息的采集和數(shù)據(jù)同步。文獻(xiàn)[4]提出構(gòu)建基于RFID技術(shù)的汽車全面質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控管理和售后信息跟蹤，提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平和客戶滿意度，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。文獻(xiàn)[5]通過(guò)智能加速度傳感單元實(shí)現(xiàn)車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而構(gòu)架一個(gè)完整的機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。文獻(xiàn)[6]RFID應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理。文獻(xiàn)[7]RFID應(yīng)用于產(chǎn)品跟蹤追溯。文獻(xiàn)[8]RFID應(yīng)用于生產(chǎn)線的監(jiān)控及調(diào)度管理。

本文綜合二維碼、RFID射頻識(shí)別技術(shù)和主流IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出一種構(gòu)建智慧零件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期各類信息的完全監(jiān)控、有效跟蹤和靈活查詢方案。

2 零件全生命周期信息層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)信息的重要程度和使用情況，本文將產(chǎn)品/零件全生命周期的信息劃分五類：識(shí)別信息、基本信息、過(guò)程信息（制造、流通、維護(hù)等）、自診斷信息和報(bào)廢、回收信息。圖1為產(chǎn)品/零件全生命周期信息層次圖。識(shí)別信息即產(chǎn)品ID號(hào)，一般用于產(chǎn)品/零件的追蹤；基本信息包括名稱、規(guī)格、功能、使用方法等；過(guò)程信息包括產(chǎn)品制造、流通、維護(hù)等過(guò)程管理相關(guān)信息；使用信息特指產(chǎn)品運(yùn)行情況下的狀態(tài)信息。一般情況下產(chǎn)品/零件不攜帶自描述信息，或僅貼附一維條碼等作為產(chǎn)品索引的簡(jiǎn)單信息，將這類零件歸為非智慧零件。智慧零件的特點(diǎn)是包含更多的信息并可自描述信息。信息可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的監(jiān)控、跟蹤、查詢等功能。智慧零件可認(rèn)為是信息完備的實(shí)物和數(shù)字化的統(tǒng)一體，它除包含產(chǎn)品的名稱、規(guī)格、廠家聯(lián)系方式等基本信息外，還可增加描述零件功能、性能、運(yùn)行環(huán)境、使用方法/條件及失效檢測(cè)等各類信息。根據(jù)智慧零件信息更新情況可分為主動(dòng)智慧零件和被動(dòng)智慧零件；根據(jù)智慧零件信息是否允許更新的動(dòng)態(tài)特性可分為靜態(tài)智慧零件和動(dòng)態(tài)智慧零件；根據(jù)智慧零件是否具有外部感知能力可分為半智慧零件和全智慧零件。此外，智慧零件還可以根據(jù)是否自帶電源分為有源或無(wú)源等不同類別。為后面討論方便，假定靜態(tài)智慧零件為無(wú)源（如具有二維碼的零件），動(dòng)態(tài)標(biāo)簽可以是有源或無(wú)源。

圖1 產(chǎn)品/零件全生命周期信息層次圖

主動(dòng)智慧零件和被動(dòng)智慧零件、靜態(tài)智慧零件和動(dòng)態(tài)智慧零件、半智慧零件和全智慧零件之間的關(guān)系如圖2 所示。下面著重對(duì)靜態(tài)智慧零件、動(dòng)態(tài)智慧零件和全智慧零件三種主要類型的智慧零件進(jìn)行闡述。

圖2 各種分類條件下智慧零件相互間關(guān)系

2.1 靜態(tài)智慧零件

靜態(tài)智慧零件一般采用二維碼技術(shù)來(lái)描述產(chǎn)品/零件信息，二維碼與信息是唯一對(duì)應(yīng)的，一旦生成原則上不允許修改。其優(yōu)點(diǎn)有：可采用多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)；適用于零件固定信息的描述；具有成本低，環(huán)境適應(yīng)性廣、使用方便等特點(diǎn)。目前大多數(shù)智能手機(jī)通過(guò)安裝相應(yīng)的軟件就可以很方便地讀出二維碼描述的產(chǎn)品信息，其缺點(diǎn)有：不能反映零件的變化情況；不適用于信息變化頻繁的情況；每次信息變化必須生成新的二維碼。

2.2 動(dòng)態(tài)智慧零件

動(dòng)態(tài)智慧零件一般采用帶存儲(chǔ)的RFID標(biāo)簽來(lái)描述產(chǎn)品/零件信息，RFID具有非接觸、可反復(fù)修改的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)產(chǎn)品信息的變化同步更新產(chǎn)品描述信息；缺點(diǎn)是使用成本較二維碼高，且使用RFID電子標(biāo)簽對(duì)環(huán)境有一定要求。

2.3 全智慧零件

全智慧零件可采用帶傳感器的有源RFID或其它物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）技術(shù)，通過(guò)傳感器或物聯(lián)網(wǎng)感知零件的運(yùn)行狀態(tài)和使用環(huán)境，如溫度、濕度、壓力、形變、位移、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間、次數(shù)、電壓、電流等各種參數(shù)。全智慧零件自帶MCU可以解耦各種參數(shù)，從而判斷零件運(yùn)行是否在最佳狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，避免零件長(zhǎng)時(shí)間處于極端條件下運(yùn)行；若調(diào)整失敗則自動(dòng)向上發(fā)出警報(bào)。某種程度上全智慧零件可認(rèn)為是 IOT的一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大；缺點(diǎn)為成本相對(duì)較高，適用于重要部件或關(guān)鍵場(chǎng)合。

3 產(chǎn)品的全生命周期信息建模

產(chǎn)品的全生命周期信息（見圖3），包括：需求→設(shè)計(jì)→制造→流通→使用→維修→報(bào)廢，除此之外還應(yīng)包括制造產(chǎn)品的原材料信息。產(chǎn)品信息P可以用九個(gè)參數(shù)描述：其中，R為產(chǎn)品需求分析過(guò)程所產(chǎn)生的信息；D為設(shè)計(jì)過(guò)程所產(chǎn)生的信息；Mat為原材料信息；M為制造過(guò)程所產(chǎn)生的信息；V為檢驗(yàn)認(rèn)證過(guò)程所產(chǎn)生的信息；C為流通過(guò)程所產(chǎn)生的信息；U為使用過(guò)程所產(chǎn)生的信息；Rep為維修過(guò)程所產(chǎn)生的信息；E為報(bào)廢回收過(guò)程所產(chǎn)生的信息。

圖3 全生命周期信息

產(chǎn)品的組裝過(guò)程將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)智慧零件合并為一個(gè)智慧產(chǎn)品的情形，流通過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)包裝和拆包等情形，文獻(xiàn)[3]給出了一種產(chǎn)品物流動(dòng)態(tài)跟蹤模型和追溯方法。

4 智慧零件智慧節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 靜態(tài)智慧節(jié)點(diǎn)

靜態(tài)二維碼智慧節(jié)點(diǎn)可以采用打印、絲印、激光燒寫等方式附于智慧零件非工作表面，包含產(chǎn)品/零件的識(shí)別信息、名稱、規(guī)格、功能等基本信息。圖4為使用二維碼靜態(tài)智慧節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品示例，解讀二維碼得到零件的描述信息為 SKM75GB123D 22890000 711SK0082801 110644 07140，可知產(chǎn)品為SKM75GB123D型號(hào)的IGBT零件。

圖4 使用二維碼靜態(tài)智慧節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品示例

4.2 動(dòng)態(tài)智慧節(jié)點(diǎn)

動(dòng)態(tài)二維碼智慧節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要采用不同容量的RFID標(biāo)簽，貼附于產(chǎn)品或零件的非工作區(qū)域（對(duì)于金屬零件還需要使用抗金屬膜），用于存儲(chǔ)產(chǎn)品/零件識(shí)別信息、名稱、規(guī)格、功能、使用等基本信息，以及記錄流通、使用、維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的附加信息。

4.3 全智慧節(jié)點(diǎn)

全智慧節(jié)點(diǎn)具有靈活的自主能力和強(qiáng)大的運(yùn)算功能，并能通過(guò)各類傳感器感知自身運(yùn)行狀態(tài)或外部環(huán)境變化情況，智慧零件全智慧節(jié)點(diǎn)原理如圖5所示。全智慧零件是應(yīng)用重點(diǎn)，符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，也是目前IOT研究的熱點(diǎn)。

圖5 智慧零件全智慧節(jié)點(diǎn)原理圖

5 智慧信息技術(shù)應(yīng)用

5.1 產(chǎn)品信息的快速便捷獲取技術(shù)

圖 6為實(shí)驗(yàn)用產(chǎn)品/零件（輪轂）使用激光打標(biāo)機(jī)在非工作區(qū)域燒寫包含產(chǎn)品型號(hào)、規(guī)格等信息的二維碼。用戶可以使用具有二維碼識(shí)別功能的手機(jī)快速獲取附在產(chǎn)品上的詳細(xì)描述信息，為產(chǎn)品的流通、使用及維護(hù)提供方便。

圖6 實(shí)驗(yàn)用產(chǎn)品零件

圖 7所示為激光打標(biāo)機(jī)燒寫的該產(chǎn)品 Data Matrix二維碼，二維碼包含如下信息：“名稱=輪轂；型號(hào)=LT501；直徑=15寸；寬度=6.5寸；偏距（ET）值=45；輪轂孔距=4×100；中心孔=54.1”。應(yīng)用 JAVA開發(fā)基于 Android操作系統(tǒng)的二維碼識(shí)別軟件，在HUAWEI-S8600智能手機(jī)上運(yùn)行該軟件對(duì)30個(gè)零件表面的二維碼進(jìn)行識(shí)別，二維碼識(shí)別情況記錄見表1。

圖7 產(chǎn)品DataMatrix二維碼

表1 二維碼識(shí)別情況記錄

完成識(shí)別最少需要869毫秒，最多需要2574毫秒，平均時(shí)間為1811.3毫秒。識(shí)別時(shí)間與二維碼的清晰程度，自動(dòng)對(duì)焦拍攝過(guò)程鏡頭的抖動(dòng)有很大關(guān)系。

5.2 產(chǎn)品動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)

圖 8為用于車輪狀態(tài)檢測(cè)的智慧節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器驗(yàn)證開發(fā)板，三維加速度傳感器用于車輪運(yùn)行的狀態(tài)檢測(cè)，壓力傳感器用于胎內(nèi)壓力檢測(cè)。智慧節(jié)點(diǎn)提供 256kB空間用于保存歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)，并可通過(guò)Zigbee將檢測(cè)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)輪胎壓力值或?qū)θS加速度進(jìn)行積分等數(shù)據(jù)處理，以獲得產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，從而判斷產(chǎn)品是否出現(xiàn)異常情況并及時(shí)報(bào)警。

圖8 智慧節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器

6 結(jié)束語(yǔ)

目前，越來(lái)越多工業(yè)產(chǎn)品和快速消費(fèi)品將二維碼用于生產(chǎn)過(guò)程或供應(yīng)鏈全過(guò)程的跟蹤和追溯管理，便于企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)快速采集產(chǎn)品數(shù)字信息。本文提出智慧產(chǎn)品的全生命周期信息模型；設(shè)計(jì)靜態(tài)智慧信息節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于輪轂生產(chǎn)和物流全過(guò)程的跟蹤和追溯管理；設(shè)計(jì)全智慧信息節(jié)點(diǎn)用于車輪運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)和報(bào)警；通過(guò)智能化采集完善產(chǎn)品使用情況信息，實(shí)現(xiàn)全生命周期產(chǎn)品信息的統(tǒng)一管理，并為產(chǎn)品的報(bào)廢回收提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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