基于物聯(lián)網(wǎng)的航天產(chǎn)品裝配物流管理系統(tǒng)研究

陰亞政，薛善良，顧 永，劉玉廣

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016;2.南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210016;3.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006)

0 引言

航天產(chǎn)品裝配一般為單件、小批量裝配，其裝配自動(dòng)化程度低，且零部件繁多、裝配工序較多，物料在裝配過程中的流動(dòng)非常頻繁且呈離散狀態(tài)［1］。在現(xiàn)有的生產(chǎn)管理模式下，企業(yè)裝配生產(chǎn)中的物料狀態(tài)、物料行蹤等生產(chǎn)物流信息主要由手工采集，存在著手工錄入量大、信息滯后、效率低下等諸多問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)在越來越多的企業(yè)開始得到推廣和應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)的裝配生產(chǎn)中的物流管理中，可以改善物料信息采集措施，提高物料信息的實(shí)時(shí)性和物流管理的效率。本文以某航天企業(yè)裝配生產(chǎn)為研究背景，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的航天產(chǎn)品裝配物流管理系統(tǒng)。

1 裝配物流管理系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前，某航天企業(yè)的裝配物流管理主要采用傳統(tǒng)的人工紙質(zhì)管理方式，雖然部分環(huán)節(jié)采用了條碼技術(shù)對(duì)物料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，但總體上存在物料識(shí)別效率低、物料信息采集滯后、部門之間物料信息難以共享等問題［2］。為此，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到裝配物料管理中，構(gòu)建裝配物流管理體系，以滿足物料快速識(shí)別、物料實(shí)時(shí)跟蹤、物流信息共享等應(yīng)用需求。參照物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，本文構(gòu)建的裝配物流管理總體架構(gòu)如圖1所示，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 裝配物流管理系統(tǒng)架構(gòu)

1)感知層。感知層包括多手段標(biāo)識(shí)和多方式感知。其中，多手段標(biāo)識(shí)通過條形碼和RFID等多種手段，對(duì)裝配生產(chǎn)所涉及的不同類型物料進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí);多方式感知?jiǎng)t針對(duì)不同的標(biāo)識(shí)，采用條碼掃描槍、RFID讀寫器等多種方式感知裝配物料狀態(tài)及行蹤。

2)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)信息的傳輸和通信功能，是銜接感知層和應(yīng)用層的中間層［3］。裝配物流管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層基于企業(yè)現(xiàn)有的局域網(wǎng)搭建，增加適合物聯(lián)網(wǎng)通信的IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技術(shù)，確保感知層和應(yīng)用層之間即時(shí)、穩(wěn)定、高效、安全的數(shù)據(jù)傳輸。

3)應(yīng)用層。應(yīng)用層對(duì)來自感知層和網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)時(shí)裝配物料信息進(jìn)行集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)物料庫(kù)存管理、物料配送管理、現(xiàn)場(chǎng)物流監(jiān)控管理等物流管理業(yè)務(wù)功能，并為MES、PDM、ERP等外圍系統(tǒng)提供集成接口，為裝配物流信息企業(yè)全局共享提供應(yīng)用平臺(tái)。

裝配物流管理貫穿于從裝配生產(chǎn)前的物料準(zhǔn)備至產(chǎn)品裝配完工入庫(kù)的全部物料流動(dòng)過程，涉及的物料種類多和數(shù)量大［4］，需要對(duì)所有物流環(huán)節(jié)全部進(jìn)行有效管控，同時(shí)需要裝配物流管理系統(tǒng)架構(gòu)的各層支撐。本文重點(diǎn)探討其感知層和應(yīng)用層的相關(guān)技術(shù)。

2 裝配物流感知

本文所描述的裝配生產(chǎn)是指航天產(chǎn)品的總裝，總裝是航天產(chǎn)品生產(chǎn)的最后步驟，主要包括分系統(tǒng)部裝和產(chǎn)品對(duì)接2個(gè)部分。分系統(tǒng)的部裝主要完成各功能艙段的內(nèi)部?jī)x器的安裝，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)安裝、操縱系統(tǒng)安裝、儀器設(shè)備安裝和電纜敷設(shè)等工序。產(chǎn)品對(duì)接時(shí)，除了連接各艙段間的電纜、導(dǎo)管、操縱機(jī)構(gòu)和艙段外，還要安裝彈翼、尾翼、吊掛等附件。整個(gè)裝配過程涉及的物料種類多、數(shù)量大，要實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配物料的實(shí)時(shí)感知，很難簡(jiǎn)單地只采用一種信息標(biāo)識(shí)方式和感知手段［5］。因此，在感知層，本文綜合應(yīng)用條形碼與RFID對(duì)裝配物料進(jìn)行多手段標(biāo)識(shí)和多方式感知。

2.1 多手段標(biāo)識(shí)

2.1.1 條形碼標(biāo)識(shí)

1)條形碼標(biāo)識(shí)對(duì)象的選擇。對(duì)裝配生產(chǎn)過程中涉及的如螺釘、螺帽、電纜、管路、墊片等數(shù)量大、體積小的物料采用物料容器進(jìn)行批量?jī)?chǔ)存，打印含有此類物料編號(hào)、型號(hào)、批次等信息的條碼，并將條碼粘貼在物料容器外表，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)此類物料的條形碼批量標(biāo)識(shí)。

2)條形碼制作?；谄髽I(yè)與ERP、MES、PDM等系統(tǒng)的集成需要以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的要求，企業(yè)內(nèi)部制作條形碼必須做到唯一、合理、規(guī)范、使用。為了方便條碼掃描器識(shí)別，條碼編碼不能過于冗長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)化。圖2所示為針對(duì)航天產(chǎn)品裝配制作的物料條碼，其中物料類別可以是電纜(M)或管路(H)。

圖2 物料條碼及含義

2.1.2 RFID 電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)

1)RFID電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)范圍。在進(jìn)行部裝和對(duì)接過程中涉及的各類零部件、功能組件、殼體、彈翼等物料體積大、形態(tài)各異，且此類物料的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息對(duì)裝配生產(chǎn)的物流管理起著很重要的支撐作用，本文對(duì)此類物料采用RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在裝配開始前，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃將各類物料的基本信息如零部件代碼、零部件批次代碼、型號(hào)代碼等寫入RFID電子標(biāo)簽中，將RFID電子標(biāo)簽與相關(guān)物料進(jìn)行綁定并隨物料在裝配線進(jìn)行流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)此類物料的標(biāo)識(shí)。

2)電子標(biāo)簽編碼。裝配線上的RFID標(biāo)簽分為基準(zhǔn)標(biāo)簽和零部件標(biāo)簽，重要的連接件如殼體使用基準(zhǔn)標(biāo)簽，其他的零部件使用零部件標(biāo)簽。裝配開始前為每一個(gè)零部件進(jìn)行編碼，裝配結(jié)束后取下電子標(biāo)簽進(jìn)行回收，供下次裝配使用。如圖3所示為電子標(biāo)簽編碼圖。

圖3 電子標(biāo)簽編碼

2.2 多方式感知

1)條形碼感知技術(shù)。條形碼感知技術(shù)是利用光電掃描設(shè)備識(shí)讀經(jīng)過一定編碼規(guī)則后的條碼符號(hào)，并準(zhǔn)確快速地將數(shù)據(jù)錄入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)。在裝配車間的每個(gè)工位處配置一臺(tái)條形碼掃描儀，當(dāng)使用消耗物料時(shí)，工人使用條形碼掃描儀對(duì)物料容器條碼進(jìn)行掃描，并輸入使用數(shù)量，以此來記錄物料的消耗情況。當(dāng)線邊物料庫(kù)存低于系統(tǒng)設(shè)置的安全值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)提醒管理者，并對(duì)相關(guān)工位進(jìn)行物料配送，保證各裝配工位不缺料，同時(shí)也不積壓過多的物料，保障裝配生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2)無線射頻識(shí)別(RFID)感知技術(shù)。RFID是一種非接觸式的感知技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別感知對(duì)象并獲取數(shù)據(jù)信息，識(shí)別過程無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境下，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID標(biāo)識(shí)物料的感知。在裝配車間的每個(gè)工位處配置固定式RFID讀寫器和一臺(tái)可以對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作的手持式移動(dòng)設(shè)備。在裝配生產(chǎn)過程中，當(dāng)攜帶RFID電子標(biāo)簽的物料經(jīng)過固定式RFID讀寫器的有效掃描區(qū)域時(shí)，讀寫器能夠自動(dòng)讀取并存儲(chǔ)物料RFID電子標(biāo)簽內(nèi)的信息，通過對(duì)讀寫器進(jìn)行編碼和定位實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的定位和跟蹤。裝配工人在每道工序開始和結(jié)束時(shí)分別使用手持式移動(dòng)設(shè)備對(duì)殼體等物料的基準(zhǔn)標(biāo)簽進(jìn)行掃描，以記錄各工序的開工時(shí)間和完工時(shí)間。

3 裝配物流網(wǎng)絡(luò)

裝配物流管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)著信息的傳輸和通信功能，是銜接感知層和應(yīng)用層的中間層。網(wǎng)絡(luò)層是整個(gè)裝配物聯(lián)網(wǎng)體系的關(guān)鍵樞紐，它通過現(xiàn)場(chǎng)總線串行通信技術(shù)、無線通信技術(shù)、局域網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)實(shí)時(shí)地在管理層與裝配車間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，以及將企業(yè)內(nèi)不同的信息系統(tǒng)進(jìn)行有效的連接，同時(shí)完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理，把有效的裝配物流管理數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，為裝配物流管理系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。網(wǎng)絡(luò)層還提供Internet網(wǎng)絡(luò)管理功能，以便于遠(yuǎn)程用戶可以通過瀏覽器完成對(duì)裝配車間的實(shí)時(shí)監(jiān)控。裝配物流管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支撐體系如圖4所示。

圖4 裝配物流管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)支撐體系

4 裝配物流應(yīng)用

針對(duì)該企業(yè)航天產(chǎn)品裝配生產(chǎn)的特點(diǎn)和物料快速識(shí)別、物料實(shí)時(shí)跟蹤、物流信息共享等系統(tǒng)需求，航天產(chǎn)品裝配物流管理系統(tǒng)需能夠?qū)ρb配生產(chǎn)過程中的物料信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的感知、傳輸和共享，并能夠使管理者能夠高效地對(duì)裝配車間現(xiàn)場(chǎng)物流進(jìn)行管理和控制。本文所開發(fā)的系統(tǒng)具有物料庫(kù)存管理、物料配送管理、現(xiàn)場(chǎng)物流監(jiān)控管理、裝配生產(chǎn)資源管理和集成接口5大功能模塊(如圖5所示)。以下是對(duì)各功能模塊的簡(jiǎn)要描述。

圖5 裝配物流管理系統(tǒng)功能圖

1)物料庫(kù)存管理。貼有電子標(biāo)簽的物料在進(jìn)行出庫(kù)、移庫(kù)操作時(shí)，當(dāng)物料進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)固定RFID讀寫器掃描范圍時(shí)，讀寫器自動(dòng)采集物料的標(biāo)簽信息并傳送到裝配物流管理系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)。物料在進(jìn)行入庫(kù)操作時(shí)，供應(yīng)商將物料運(yùn)送至倉(cāng)庫(kù)，倉(cāng)庫(kù)管理人員核對(duì)采購(gòu)單與所配送物料無誤后，將物料基本信息輸入電腦進(jìn)行存儲(chǔ)，并同時(shí)制作條碼或RFID標(biāo)簽對(duì)物料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，最后進(jìn)行入庫(kù)存儲(chǔ)。

2)物料配送管理。系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃等信息對(duì)裝配生產(chǎn)工位進(jìn)行裝配開始前的物料配送，同時(shí)在裝配生產(chǎn)過程中結(jié)合系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，如物料消耗情況、在制品加工進(jìn)度等數(shù)據(jù)信息計(jì)算出各工位物料的當(dāng)前物料庫(kù)存量，若缺料，則立即對(duì)相應(yīng)工位進(jìn)行補(bǔ)料。通過在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)安裝RFID讀寫器來實(shí)時(shí)采集所配送物料的流動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料配送狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)現(xiàn)場(chǎng)物流監(jiān)控管理。通過該模塊，管理人員可以實(shí)時(shí)地了解裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的物流情況。通過裝配現(xiàn)場(chǎng)所感知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，訪問后臺(tái)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，該模塊可以顯示車間和工位的實(shí)時(shí)裝配生產(chǎn)物流管理情況以及在制品的分布情況、加工進(jìn)度、操作工人、流轉(zhuǎn)及維修狀況等信息，并在出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)可以對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的追溯，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

4)裝配生產(chǎn)資源管理。通過對(duì)裝配生產(chǎn)資源進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，管理者可以有效地對(duì)生產(chǎn)資源進(jìn)行管理，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)有生產(chǎn)資源的使用情況，以便于安排新的裝配任務(wù)和為設(shè)備維護(hù)提供參考依據(jù)。

5)集成接口。企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)是企業(yè)信息系統(tǒng)中與物料聯(lián)系最為緊密的3個(gè)信息系統(tǒng)。該模塊提供了裝配物流管理系統(tǒng)同其他系統(tǒng)集成的接口，如與MES系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、人力資源管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理等模塊進(jìn)行集成，這樣就可以更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖6 工位物流監(jiān)控界面

航天產(chǎn)品裝配物流管理系統(tǒng)是基于J2EE技術(shù)架構(gòu)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)搭建的，采用B/S網(wǎng)絡(luò)模式，通過運(yùn)用Java、JSP等開發(fā)語(yǔ)言和Eclipse開發(fā)平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)了原型系統(tǒng)，從而為航天產(chǎn)品裝配生產(chǎn)物流管理提供了有效的信息管理工具。本文所開發(fā)的系統(tǒng)主要有物料庫(kù)存管理、物料配送管理、現(xiàn)場(chǎng)物流監(jiān)控管理、裝配生產(chǎn)資源管理和集成接口等功能模塊。圖6為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)物流監(jiān)控管理模塊下的工位物流監(jiān)控界面。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以某航天企業(yè)裝配生產(chǎn)物流管理為研究對(duì)象，根據(jù)航天產(chǎn)品裝配生產(chǎn)的特點(diǎn)，提出了條碼和RFID在裝配生產(chǎn)物流管理過程中多手段標(biāo)識(shí)和多方式感知的應(yīng)用思路，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在航天產(chǎn)品裝配生產(chǎn)物流管理中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，并進(jìn)行相應(yīng)原型系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝配生產(chǎn)物料管理的實(shí)時(shí)化、透明化，解決了裝配生產(chǎn)物流管理過程中生產(chǎn)物料品種多、數(shù)量大和物流管理復(fù)雜等問題，有效地提高了企業(yè)裝配生產(chǎn)過程中物流管理的效率，因此，本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，世界上所有的物體都可以通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)，這也為裝配制造企業(yè)的物流管理和在制品跟蹤控制提供了難得的機(jī)遇和強(qiáng)大的技術(shù)支持，但物聯(lián)網(wǎng)還存在著不夠安全、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、成本較高、技術(shù)不夠成熟等問題，要解決這些問題還需要進(jìn)行更深入的研究和探索。

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