基于RFID技術(shù)的汽車制造企業(yè)生產(chǎn)物流流程優(yōu)化與仿真

李 洋，趙亞慧，馬 超

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國的汽車產(chǎn)量也在飛速增長，汽車制造企業(yè)作為拉動國家經(jīng)濟增長的重要角色，其貫穿企業(yè)核心過程的生產(chǎn)物流的流暢性便起到了舉足輕重的作用。汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)物流包括從原材料的供應(yīng)，投入生產(chǎn)，按照一定的工藝過程進行加工、儲存，最后成品下線離開。大多數(shù)制造企業(yè)致力于優(yōu)化制造過程，卻忽略了連接每個生產(chǎn)加工過程并與之同時出現(xiàn)的物流活動。傳統(tǒng)的汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)物流以人工核對紙質(zhì)單據(jù)、手動錄入信息的方式進行，隨著持續(xù)增長的生產(chǎn)能力和越來越快的生產(chǎn)節(jié)拍，提高信息化水平，改善物流設(shè)施設(shè)備亟需進行。

目前，這方面應(yīng)用比較廣泛的手段是條形碼技術(shù)，但是條形碼具有容易受到污染、存儲量小、不可批量讀取、內(nèi)部數(shù)據(jù)無法更改等缺點，使其不適于在汽車制造企業(yè)的整個生產(chǎn)環(huán)境中使用。隨著無線射頻識別技術(shù)的不斷發(fā)展完善，目前許多國外著名汽車制造企業(yè)都使用無線射頻識別技術(shù)取代條形碼應(yīng)用到企業(yè)中去，其數(shù)據(jù)存儲容量大和可追蹤特性是取代條形碼的兩大優(yōu)勢[1]。RFID 技術(shù)具有較大的數(shù)據(jù)存儲容量；具有很強的抗污染能力和耐久性，可以有障礙地遠距離快速掃描，讀取信息，適用于惡劣環(huán)境下的工作，可重復(fù)使用多年，在識別對象信息的過程中實現(xiàn)自動化控制，減少人工干預(yù)，降低人工操作的不確定性與錯誤率。通過逐步應(yīng)用RFID技術(shù)，制造商可以從RFID系統(tǒng)獲取信息并將之鏈接到現(xiàn)有的系統(tǒng)軟件中，而無需更改已有的信息系統(tǒng)，應(yīng)用方便[2]。本文將 RFID 技術(shù)應(yīng)用汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)物流流程中，建立基于 RFID 技術(shù)的生產(chǎn)物流優(yōu)化流程，實現(xiàn)零部件的高效分揀，整車信息的準(zhǔn)確獲取以及物流動態(tài)的實時掌握，有力保證了企業(yè)生產(chǎn)物流的有效運作和信息實時共享。

1 基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)物流流程優(yōu)化

1.1 RFID技術(shù)應(yīng)用的需求分析

汽車制造企業(yè)對RFID技術(shù)的需求主要體現(xiàn)在以下三個方面。首先，對操作流程優(yōu)化的需求，目前傳統(tǒng)的人工核對紙質(zhì)單據(jù)進行的物流方式費時費力，而且無法保證準(zhǔn)確度，在高訂貨量的情況下，會出現(xiàn)物流上線不及時，物料暫存區(qū)混亂等問題，常會導(dǎo)致出入庫效率低下，倉庫盤點效率低下，貨物器具容易丟失等問題，進而增加了物流成本，運用RFID技術(shù)，實現(xiàn)非接觸式、一次性自動讀取多個標(biāo)簽的功能，簡化操作流程，縮短不必要的時間浪費，同時使整個物流業(yè)務(wù)流程的物料可視化。其次，對信息快速采集和實時共享的需求，人工作業(yè)對信息有著一定的拖延性，只有在第一時間掌握真實有效的信息，才能準(zhǔn)確反映生產(chǎn)物流各環(huán)節(jié)的狀況，便于迅速發(fā)現(xiàn)解決問題，RFID自動采集和實時讀取的特點能夠使得生產(chǎn)車間和直送供應(yīng)商、倉儲中心、銷售中心等充分獲得信息共享。第三，RFID技術(shù)可以有效減少人工操作，明確責(zé)任界限，使用RFID技術(shù)可以有效降低其工作的繁瑣程度，而且減少人為因素造成的錯誤和損失，降低企業(yè)的人力投入成本，同時，RFID技術(shù)的使用可以將操作人員與其運送、驗收的零部件進行綁定，不僅在零部件出現(xiàn)問題時可以責(zé)任追究到人，而且可以提高操作人員的責(zé)任感和警惕性，從而減少事故的發(fā)生[3]。從上述三方面的分析，可以看出汽車制造企業(yè)對RFID技術(shù)有著很大的需求，通過在現(xiàn)有管理軟件中結(jié)合RFID技術(shù)，減少人工作業(yè)，改善庫存信息，加強物流的可視化管理，提升零部件追蹤水平[4]。

1.2 RFID技術(shù)應(yīng)用的功能分析

在汽車制造企業(yè)中采用RFID技術(shù)，可以實現(xiàn)如下三個功能：

(1)零部件信息跟蹤。利用RFID標(biāo)簽與裝運零部件的器具進行關(guān)聯(lián)和綁定后，通過各物流結(jié)點的RFID讀寫器讀取器具上RFID標(biāo)簽，快速獲得零部件信息，達到對零部件進行目標(biāo)跟蹤和動態(tài)監(jiān)控的目的。

(2)保證生產(chǎn)線物流及時供應(yīng)。汽車制造生產(chǎn)線上生產(chǎn)車型繁多，零部件種類個數(shù)繁多，所以需要一個可靠、簡化、迅速的物流供應(yīng)系統(tǒng)，才能保證生產(chǎn)裝配線的有序進行，使用RFID技術(shù)，可以加速物流運作，簡化流程，可靠的信息化有效降低錯誤率，為生產(chǎn)線及時供應(yīng)提供有力保障。

(3)器具資產(chǎn)管理。器具常常在供應(yīng)商、倉儲中心、卡車廠之間流轉(zhuǎn)，循環(huán)于物流配送作業(yè)過程中。由于其管理使用與很多部門人員相關(guān)，發(fā)生丟失、遺漏現(xiàn)象很難追究事故原因和責(zé)任個人。器具附著RFID標(biāo)簽后，不僅可以管理器具內(nèi)的零部件，更可以對器具本身進行追蹤和管理。

1.3 基于RFID技術(shù)的汽車制造企業(yè)生產(chǎn)物流流程優(yōu)化

1.3.1 入庫作業(yè)流程優(yōu)化

使用RFID技術(shù)，供應(yīng)商與制造商應(yīng)使用統(tǒng)一的RFID軟件系統(tǒng)，便于信息的共享，在供應(yīng)商出庫時，根據(jù)前一天生產(chǎn)計劃部制作的電子看板掃描器具上的RFID標(biāo)簽，確認(rèn)出庫，到達生產(chǎn)車間緩沖庫后，庫管員掃描看板以及器具上含有內(nèi)部零部件信息的RFID標(biāo)簽，系統(tǒng)進行核對，省去了過去需要仔細核對入庫物料每項信息并簽字確認(rèn)的繁瑣過程，同時，將零件信息存放在RFID電子標(biāo)簽中，通過RFID系統(tǒng)實時錄入信息，實現(xiàn)信息共享，大大縮短了信息的延遲性，核對無誤后方可入庫，若核對有誤，對異常情況報警，降低錯誤率，提高物流運作效率，規(guī)范入庫流程。使用RFID技術(shù)的新入庫流程如圖1所示。

圖1 入庫物流流程

1.3.2 器具管理流程優(yōu)化

汽車制造企業(yè)一般主要使用的器具分為三種，盛裝輕小零件的器具，專用器具以及其他使用鐵箱或木箱的器具。目前生產(chǎn)物流流程中對器具的重視程度較低，使用完后的空器具的回收工作也沒有統(tǒng)一的管理，器具經(jīng)常丟失、損壞，給企業(yè)及供應(yīng)商造成不小的損失。因此，對器具進行統(tǒng)一管理，可以有效防止器具的丟失、損壞現(xiàn)象并在一定程度上降低企業(yè)的物流成本。

首先生產(chǎn)部物流規(guī)劃室需要對器具的基礎(chǔ)信息進行維護。器具的基礎(chǔ)信息主要有：器具代碼、器具名稱、器具類型、制作材料、體積、使用期限以及是否可以混裝等。維護器具初始賬，并打印器具電子標(biāo)簽。倉儲中心和直送供應(yīng)商需要打印入廠憑證器具交接單，方便器具在生產(chǎn)車間的流通。器具承裝零部件抵達指定物流門，庫管員建立器具臺賬，器具移動到驗收區(qū)，掃描入暫存區(qū)，隨零部件運送到生產(chǎn)線上；零部件使用完后，由巡線員收集空器具到空箱置場，掃描標(biāo)簽，接收生產(chǎn)部制作的器具出庫交接單作為出門依據(jù)，開具物資出門證，出庫，倉儲中心和直送供應(yīng)商接收空器具，掃描入庫。器具管理流程如圖2所示。

2 基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真

2.1 仿真過程

(1)確定仿真目標(biāo)。對總裝車間總物流流程的仿真，主要是為了比較目前物流流程以及應(yīng)用RFID技術(shù)后流程的工作時間以及工作效率，確定RFID技術(shù)使用的可行性和必要性。

圖2 新器具管理流程

(2)建立流程圖模型。通過對現(xiàn)有流程的分析，提出優(yōu)化模型，畫出流程圖。

(3)收集數(shù)據(jù)。通過到生產(chǎn)車間實地觀察調(diào)研，收集可用的數(shù)據(jù)，通過一定的運算得出仿真所需的參數(shù)，便于建立仿真模型。

(4)確認(rèn)仿真模型。在仿真軟件中使用實體建立模型，并連接好實體之間供臨時實體傳輸?shù)耐ǖ谰€。建立兩個臨時實體發(fā)生器，分別產(chǎn)生零件和器具，需要使用合成器以一定比例搭配零件和器具，使用暫存區(qū)代表驗收區(qū)，連接機械手表示使用RFID設(shè)備進行掃描，連接人表示不使用RFID設(shè)備進行掃描。

(5)參數(shù)設(shè)定。主要設(shè)置有發(fā)生器、合成器、處理器、機械手以及人等實體的參數(shù)。發(fā)生器的產(chǎn)生時間間隔設(shè)置為指數(shù)函數(shù)，λ值為10。人的工作時間服從正態(tài)分布，平均工作時間為18 s，標(biāo)準(zhǔn)差為4 s。機械手的操作時間服從正態(tài)分布，平均工作時間為4 s，標(biāo)準(zhǔn)差為2 s。

(6)仿真運行。設(shè)置一定的仿真運行時間以及仿真速度，以期得到最直觀的仿真效果，避免仿真時間過短導(dǎo)致的數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性和不可靠性。設(shè)置仿真運行時間為43 200 s。

(7)獲得結(jié)果及分析數(shù)據(jù)。仿真運行時間結(jié)束后，通過實體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(statistics)分別獲得各個實體本身的餅狀數(shù)據(jù)，并通過模型整體的excel數(shù)據(jù)輸出表格，比較前后兩個模型的相同參數(shù)，分析結(jié)果。

(8)得出結(jié)論。通過比較分析直觀效果以及輸出的數(shù)據(jù)圖表、報告，使用定性與定量相結(jié)合的方法分析結(jié)果，得出結(jié)論。

2.2 仿真結(jié)果比較分析

對比使用人和機械手進行操作的仿真模型，通過excel輸出報告，對驗收區(qū)進行數(shù)據(jù)比較。

優(yōu)化前模型輸出報告如圖3所示。從輸出報告可以看出，驗收區(qū)的平均停留時間(staytimeavg)為11 547.43 s，停留時間過長，流程進行的非常緩慢，導(dǎo)致驗收區(qū)堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，實體流不出去。人(people)的空閑時間(idle)為6 400.712 s，工作時間(processing)為36 799.288 s，則人85%的時間都是處于高負荷的工作狀態(tài)。

圖3 優(yōu)化前模型輸出報告

優(yōu)化后模型輸出報告如圖4所示。從輸出報告可以看出，優(yōu)化后模型的驗收區(qū)的平均停留時間(staytimeavg)為1.22 s，和優(yōu)化前驗收區(qū)的11 547.43 s相比，大大縮短了時間，堵塞現(xiàn)象也得到了最大程度的緩解。機械手(robot)的空閑時間(idle)平均為34 533.3 s，工作時間(processing)為8 666.7 s，說明機械手20%的時間在工作狀態(tài)中。

圖4 優(yōu)化后模型輸出報告

通過仿真模型對比優(yōu)化前后流程，在相同的工作時間和工作負荷，使用RFID技術(shù)后的工作時間大大縮短了，效率大大提高了，對于物料上線遲緩，叉車等待等問題都得到了較好的解決。

3 基于RFID技術(shù)生產(chǎn)物流流程的實施

3.1 實施策略與實施過程

考慮到RFID技術(shù)的成本因素，選擇“多階段實施”策略，將RFID技術(shù)在企業(yè)的實施劃分為幾個階段，主要分為需求分析、試運行、評估以及決策四個階段。

需求分析階段首先要分析其需求性，明確試運行階段的對象，以及實施的目標(biāo)等，從經(jīng)濟、技術(shù)、管理等幾個角度確認(rèn)系統(tǒng)實施的可行性。通過提出的流程優(yōu)化方案，選購相關(guān)設(shè)備、安裝、運行以及維護，進而測試運行，收集相關(guān)信息，反饋系統(tǒng)運行效果。評估階段需要分別進行性能評估和成本費用效益評估。性能評估從預(yù)期效果上看，入庫作業(yè)是否更加高效，空器具的回收作業(yè)是否能夠順利完成，是否能夠正常運行系統(tǒng)的查詢與反饋功能等；成本費用效益評估從成本及收益角度看，使用讀寫器進行掃描是否減少了入庫成本，減少的費用是否符合預(yù)期目標(biāo)，產(chǎn)生了多少潛在收益等。最后根據(jù)評估結(jié)果進行決策，正式運行，再次改進優(yōu)化，或放棄實施。如再次改進優(yōu)化，則進入下一個多階段實施過程[5]。

3.2 應(yīng)用模式的選擇

針對目前RFID技術(shù)的使用情況，本文為汽車制造企業(yè)選擇閉環(huán)工具型應(yīng)用模式，對粘貼有RFID標(biāo)簽的器具在汽車生產(chǎn)制造過程中反復(fù)循環(huán)使用。使用RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)采集功能，在入庫、出庫作業(yè)環(huán)節(jié)內(nèi)循環(huán)使用；利用 RFID技術(shù)能夠快速識別粘貼有電子標(biāo)簽的器具的優(yōu)點，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的ERP、MES等物流管理軟件，有效控制作業(yè)過程，優(yōu)化管理流程。

3.3 系統(tǒng)設(shè)備的選擇

RFID系統(tǒng)主要有電子標(biāo)簽、讀寫器以及天線三部分組成。

首先，要選擇設(shè)備的工作頻率，不同的頻率會導(dǎo)致標(biāo)簽性能、尺寸大小、讀寫器作用距離以及價格等的不同，通過比較低頻、高頻、超高頻、微波的技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用范圍等工作特性，選擇超高頻，其廣泛應(yīng)用于物流及供應(yīng)鏈領(lǐng)域，適用于托盤、器具以及汽車零件等物品。

對于粘貼在器具上的電子標(biāo)簽，選擇無源被動式粘貼式標(biāo)簽，粘貼到器具上，由于器具要流通上生產(chǎn)線旁，需要進行防金屬的二次封裝處理，安全級別中等。

讀寫器主要分為固定式和手持式讀寫器[6]，固定式讀寫器價格較高，一般固定在墻上，適用于自動化水平高的分揀方式，手持式讀寫器具有顯示器和鍵盤，方便庫管員操作和輸入數(shù)據(jù)[6]。所以選擇更加方便適用的手持式讀寫器，成本更低，方便庫管員揀貨[7]。

天線的選擇需要配合讀寫器及頻率范圍，天線可以內(nèi)置或與外部接口相連，主要從線極化和圓極化角度區(qū)分，考慮到線極化天線信號覆蓋范圍較小，且不易重疊，讀取信息的準(zhǔn)確性更高，所以選擇平板型線極化天線[8-10]。針對手持式讀寫器，選擇內(nèi)置式天線，為電子標(biāo)簽的識讀率提供保證。

3.4 應(yīng)用RFID技術(shù)的投資回報分析

原始總投資采用一次投入的方式，建設(shè)期為零。預(yù)計RFID技術(shù)的應(yīng)用項目投資成本為：RFID設(shè)備投資59 055.5元，安裝與集成等服務(wù)費用為90 000元，合計為149 055.5元。標(biāo)簽價格為0.85元。估計車間傳遞的器具數(shù)為1 000個，用人工處理器具的費用，每個為25.5元，所以總共需要2 550元。車間庫管員所需的平均成本為18.2元/h，平均每分鐘0.303 3元。RFID系統(tǒng)實施后全部為系統(tǒng)自動完成，每個器具節(jié)約大約20 min。器具常會出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，使用RFID系統(tǒng)掃描，無須人工參與，保證了器具的數(shù)量，這個過程節(jié)約時間大約5 min。庫管員需要進行專業(yè)培訓(xùn)，對RFID系統(tǒng)進行熟練使用與維護，分?jǐn)偟矫總€器具上的時間為5 min?？紤]這些因素，所有作業(yè)過程節(jié)省的時間分?jǐn)偟矫總€器具上為平均30 min，又已知每分鐘0.303 3元的成本，所以RFID系統(tǒng)的實施使得每個器具的處理費用節(jié)約大約9.1元，這個數(shù)據(jù)不包括因為作業(yè)效率的提高和作業(yè)錯誤率的降低而產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益。為了準(zhǔn)確計算投資回收時間，假設(shè)設(shè)備的折舊期為3 a，殘值為0。所以，每個季度設(shè)備計提折舊為4 921元，計算見表1。

表1 投資回報表 單位：元

4 結(jié)束語

基于RFID技術(shù)，以汽車制造企業(yè)為研究對象，在了解現(xiàn)有汽車制造企業(yè)生產(chǎn)物流流程的運作過程的基礎(chǔ)上，研究出現(xiàn)的問題，提出了將RFID技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)物流流程中。結(jié)合汽車制造企業(yè)實際環(huán)境，分析其需求性，主要從入庫流程以及器具管理流程進行優(yōu)化，使用visio軟件制作出新流程圖。對優(yōu)化前后流程進行仿真模擬，定量的比較兩個模型的優(yōu)劣，通過輸出的excel報告，可以直觀的看出優(yōu)化后模型的高效性。設(shè)計了RFID技術(shù)在汽車制造企業(yè)的實施，選擇了相應(yīng)的應(yīng)用模式；并根據(jù)車間的實際環(huán)境，選擇合適的RFID設(shè)備，從實施的角度，明確了RFID技術(shù)在汽車制造企業(yè)實施的可行性。通過RFID技術(shù)的應(yīng)用，為汽車制造企業(yè)建立了一個更加高效、信息化水平更高的，能夠?qū)崿F(xiàn)快速分揀，信息實時共享的敏捷物流流程。

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